基于沥青胶浆动态力学性能的纤维复配研究

曹海利 付丽红

(1.徐州市交通规划设计研究院，江苏徐州 221002;2.中国矿业大学矿业学院，江苏徐州 221006)

0 引言

随着我国经济高速发展，道路交通量大幅增长、轴载不断提高，对沥青混凝土路面的使用质量提出了越来越高的要求。为了有效缓解沥青路面早期破坏，国内外研究人员致力于提出新的路面设计方法和研发新型路用材料，而在沥青混合料中掺加路用纤维材料的方法，因其良好的改性效果受到业界的普遍关注。主流路用纤维类型包括:木质素纤维、聚合物纤维和矿物纤维。不同种类纤维改性效果和价格存在巨大差异，国内外对改性纤维的选择和应用比较盲目，缺乏相关的技术要求及标准。对此，本文以综合不同纤维优势为出发点，提出复配纤维改性沥青方法，采用正交试验设计法，通过DSR与BBR试验，以复配纤维沥青胶浆的车辙因子、疲劳因子和劲度模量为单项考核指标，通过灰关联分析和综合评价方法，研究复配纤维对沥青胶浆高低温性能的综合影响，以选择最佳的复配比例。

1 实验原材料与沥青胶浆的制备

1.1 原材料

1.1.1 沥青

采用韩国SK重交通AH-70号沥青，组分分为饱和分24.1%，芳香分33.1%，胶质35.8%和沥青质7.0%;各项主要技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》要求，具体试验结果见表1。

表1 AH-70号SK基质沥青技术指标

1.1.2 纤维

纤维作为沥青混合料改性剂，其改性效果与自身性能特征密切相关。选择木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维为研究对象，对三种纤维进行基本性能试验，具体结果见表2。

表2 纤维基本技术性能

分析可知，木质素纤维具有很强的物理吸附作用，即吸持沥青性能优异;聚酯纤维表面光滑，呈圆柱形状，混合后相互搭接，可有效抵抗沥青高温形变;玄武岩纤维与聚酯纤维形状相似，但玄武岩纤维较细，比表面积较大，质地坚硬，柔韧性较差，表面存在纤维抽丝过程中骤冷收缩产生的凸起物。

1.2 沥青胶浆的制备

纤维放入105℃烘箱干燥24 h，把热熔融状态AH-70号基质沥青导入150℃反应皿中保温，将等于沥青质量1%的复配纤维分多次缓慢掺入反应皿，同时启动搅拌器持续高速搅拌60 min(1 400 r/min)，以保证纤维分散均匀。搅拌后的纤维沥青胶浆置于真空干燥箱中保持5 min(－97.3 kPa)，去除搅拌过程中混入沥青胶浆中的空气，以制备出合格的纤维改性沥青胶浆试样。

2 沥青胶浆动态力学性能正交实验设计

2.1 动态力学性能实验

车辙因子G*/sinδ和疲劳因子G*sinδ分别反映了沥青胶浆的抗永久变形和抗疲劳的能力。车辙因子越大表示沥青的弹性性能越显著，其流动变形能力越小，越有利于抵抗车辙的产生;而疲劳因子值越大则沥青胶浆的抗疲劳性能越好。而沥青胶浆蠕变劲度模量S反映了沥青胶浆低温变形的能力，美国SHRP规范认为劲度模量S越大表明弹性成分越大，低温变形能力越差，此沥青材料所铺筑路面易开裂。

采用动态剪切流变试验(DSR)和小梁弯曲流变试验(BBR)测试评价复配纤维改性沥青胶浆的动态力学性能。所采用的DSR试验参数如下:试验温度60℃，试验频率10 rad/s，φ25 mm试样盘，1 mm间隙;BBR试验参数如下:试验温度－18℃、荷载量质量100 g、作用时长240 s。

2.2 正交实验方案设计

本文以不同类型纤维(木质素纤维，聚酯纤维和玄武岩纤维)作为影响改性沥青胶浆性能因素;通过变化掺配比例调节因素水平，不同类型纤维掺配比例数不应相差过大，故因素水平选为1份、2份和3份;以车辙因子、疲劳因子和劲度模量为沥青胶浆动态力学性能的多项考核指标，制定的因素水平表如表3所示。

表3 正交因素与水平组合

因为正交试验设计中没有三因素三水平试验方案，故本文根据等水平数原则，选取测试个数最少的正交表L9(34)，试验方案如表4所示。

3 试验结果与分析

正交试验结果与方差分析。按照正交试验方案设计，对各试样进行车辙因子、疲劳因子和劲度模量测试，根据试验结果，利用极差分析，考察沥青胶浆各项动态力学性能与纤维之间的关系，结果如表5，表6所示。

表4 试验方案

表5 动态力学性能指标

表6 动态力学性能指标极差分析

由试验结果的极差分析可知，对于车辙因子指标，因素的影响大小顺序为:木质素纤维＞玄武岩纤维＞聚酯纤维;对于疲劳因子指标，因素的影响大小顺序为:木质素纤维＞玄武岩纤维＞聚酯纤维;对于低温劲度模量指标，因素的影响大小顺序为:聚酯纤维＞玄武岩纤维＞木质素纤维。针对不同的动态力学性能指标，因素影响沥青胶浆程度大小顺序随之改变，即单一的指标不能较全面的评价沥青胶浆性能，从而导致无法确定纤维最佳的复配比例。

4 结语

1)沥青胶浆动态力学试验表明，木质素纤维掺配的沥青胶浆性能较优。

2)各因素对沥青胶浆动态力学综合评价指标Y，影响由大到小次序依次为:木质素纤维＞玄武岩纤维＞聚酯纤维;纤维的最佳掺配比例为:木质素纤维∶聚酯纤维∶玄武岩纤维=3∶2∶3。

［1］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］梁乃兴，韩 森，屠书荣.现代路面与材料［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］刘晓芬，黄卫东.木质纤维在SMA中的性能评价［J］.公路，2004(8):239-241.

［4］岳红波.混杂纤维改性沥青混合料性能研究［D］.武汉:武汉理工大学硕士学位论文，2008.

［5］何立平，申爱琴，谢 成，等.橡胶沥青结合料性能正交试验［J］.长安大学学报(自然科学版)，2014(1):7-12.