竹纤维增强沥青混合料力学性能研究

刘一鸣 夏翩翩 周晓峰 柳永红

(中建五局园林有限公司 长沙 410004)

沥青路面是广泛使用的路面结构,其有良好的力学性能:包括稳定性、耐久性、柔性和抗滑性(用于磨耗层)[1]。沥青混合料是具有黏弹性特性的黏弹性材料。在不同的荷载水平和温度下,刚度模量的衰减会引起疲劳损伤。随着交通量和车辆荷载的增加,沥青路面会出现车辙、裂缝和疲劳损伤,从而缩短部分路面的使用寿命[2]。沥青材料在路面结构中的性质会随着温度、荷载水平和应力的变化而改变[3]。当这些参数以不同的组合形式出现时,材料的力学行为变得更加复杂。路面性能的变化,如高温车辙、低温抗裂性和沥青混合料的耐久性,是沥青混合料的黏弹性响应的外在表现[3]。这些外在条件主要受温度和荷载的影响,因此研究沥青混合料的抗裂性和抗车辙性能对于改善沥青路面的长期使用寿命具有重要意义。

添加纤维是一种常见的用于提高沥青混合料性能的方法。鲁淑华、吴萌萌等[2-3]研究了添加纤维对沥青混合料的工程性能的影响,并调查了如天然纤维和合成纤维等各种类型的纤维。结果表明,添加高拉伸强度的纤维可以显著提高疲劳寿命和抗永久变形能力。目前,纤维在道路工程中的应用是常见且有价值的。纤维增强可以提高沥青混合料的力学性能,改善沥青混合料的韧性和强度模量。不同类型的纤维在沥青混合料中的应用可以通过改善抗疲劳开裂和抗车辙能力来增强工程性能。研究人员已经研究了许多纤维对沥青混合料的影响,但在沥青混合料中使用竹纤维的研究较少[4-5]。竹纤维资源主要分布在热带和亚热带地区,并广泛用于纺织品和复合材料。竹纤维属于植物纤维类别,与木质素纤维相似,但木质素纤维基本上没有机械强度。李新功等[6]研究了竹纤维对增强复合材料的热性和力学性能的影响。结果表明,竹纤维体积分数对竹纤维增强复合材料的拉伸和弯曲性能有显著影响。然而目前对于竹纤维在沥青路面工程中的应用还缺乏全面的研究,为了更准确地评估竹纤维沥青混合料(BAM)的性能,本文以不同加载方式在不同的温度条件下研究竹纤维沥青混合料力学性能。

本研究拟采用力学性能的测试方法,研究竹纤维沥青混合料在不同加载和温度条件下的力学性能,为竹纤维在沥青混合料中的工程应用提供理论基础。

1 原材料与试件准备

1.1 沥青

使用PG 52-22沥青进行测试,根据JTG E20-2011《公路工程沥青混合料标准试验方法》进行分类试验,采用ASTM标准,沥青技术指标见表1。

表1 沥青技术指标

1.2 竹纤维

本研究使用的竹纤维经过手工剪切和机械剪切加工,每根纤维的平均长度和直径分别为6 mm和20 μm。采用的竹纤维密度为1.36 g/cm3,在150 ℃下的拉伸强度为520 MPa。图1a)为竹纤维的常规形态,图1b)为竹纤维在扫描电子显微镜下的图像。竹纤维的表面结构相对复杂,呈现完整束状的形态,由许多个体纤维组成。竹纤维的表面不光滑,呈现凹凸不平的结构。

图1 试验所用纤维

1.3 集料与集料级配

试验中粗细集料均采用闪长岩。试件采用Superpave级配,最大颗粒尺寸为19.5 mm。矿粉由石灰石研磨制成。研究采用了3种BRZ(below-restricted zone)集料级配:BRZ-1、BRZ-2和BRZ-3。图2为Superpave混合料的级配情况。

图2 级配曲线

设置3种级配的初始沥青掺量分别为4.05%,4.08%,4.07%。每种级配制备2个试件,使用Superpave旋转压实机(SGC)进行压实。通过测量沥青混合料的体积和压实性能,确定最佳级配。表2显示了在指定的沥青掺量下,达到设计回转次数时4%空隙率的体积和压实性能。选取的骨料为BRZ-2,其体积和压实性能符合规范要求。表3为BRZ-2的级配情况。

表2 4%空气空隙下试样的性能

表3 选定的级配等级:BRZ-2

1.4 试样制备

制备纤维沥青的步骤如下:①将沥青加热并分为4份;②将其中3份与0.1%,0.3%,0.5%的纤维混合,最后1份作为对照组。竹纤维改性沥青在170 ℃下进行,以500 r/min的转速旋转。参考蔡毅的研究结果[5],设定纤维掺量分别为沥青质量的0%,0.1%,0.3%,0.5%,竹纤维在所需混合温度下,分3批缓慢加入沥青中,混合2 h。通过DSR测试,研究了纤维改性沥青的流变性能,并与原样沥青进行了比较。

将沥青混合料在135 ℃下进行2 h短期烤箱老化。根据AASHTO R30的规定,使用SGC制备高度为180 mm、直径为150 mm的沥青混合料试件。图3显示了随着不同沥青用量,沥青混合料的空隙率情况,在目标空隙率(4%)下得到最佳沥青用量。对于原样沥青混合料(VAM),最佳沥青用量为4.6%,对于0.3%竹纤维掺量的混合料(按沥青混合料重量计),最佳沥青用量为5.0%。所有试件的目标空隙率约为(4.0 ± 0.5)%。在性能测试中,试件经过取芯并切割成所需尺寸:直径100 mm、高度150 mm。将试件放置在1个带有测试试件的恒温箱中,以控制测试温度。当测试试件的温度达到目标温度时,开始进行测试。见图4,将一个热电偶插入测试试件的中心,用于监测温度。

图3 空隙率与沥青最佳用量

图4 温度与湿度控制

2 竹纤维混合料(BAM)力学性能

2.1 频率扫描试验

使用动态剪切流变仪进行频率扫描测试是研究沥青材料黏弹性特性的有效手段。通过在一定温度下以特定的加载频率和低应变水平对试样进行测试,可以获取材料在线性黏弹性范围内的动态剪切模量响应。使用不同纤维掺量的沥青,在60 ℃下进行角频率范围为0.01～100 rad/s的测试。每种沥青试样进行3组平行测试,取平均值作为最终结果见图5。

图5 频率扫描试验结果

图5a)展示了在60 ℃温度下,随着角频率增加,不同竹纤维掺量下沥青复数剪切模量G*的增加情况。随着纤维掺量的增加,G*值也随之增加,这表明竹纤维的添加对沥青的性能有积极影响。当竹纤维掺量为0.1%和0.3%时,它们的G*值相似,这说明了在这个范围内纤维掺量的变化对剪切模量的影响较小。但在高温条件下(60 ℃),添加竹纤维显著提高了沥青的G*值,进一步提升了混合料的抗剪切变形能力。这说明竹纤维能够增强沥青的结构并提高其整体性能。图5b)显示了不同竹纤维掺量的沥青在60 ℃温度下抗车辙系数G*/sinδ随频率增加而增加。竹纤维的添加显著提高了沥青的抗剪切性能。这是因为竹纤维具有比沥青更高的剪切强度,当竹纤维承受外部负荷时,它能够吸收部分剪切力,从而减轻沥青的负荷并提高其抗剪切能力。随着竹纤维掺量的增加,沥青的高温流变性能也得到了改善,竹纤维添加的同时也增强沥青的黏弹性质。通过添加竹纤维,可以改善沥青试样在高温条件下的剪切强度和低温下的柔韧性。在高温下,纤维掺量的增加导致沥青的剪切强度增加,从而提高了其抵抗剪切变形的能力。在低温下,纤维掺量为0.3%时,竹纤维的添加使得沥青具备了更好的柔韧性。但在进行实验时,需要注意高纤维掺量可能导致纤维的不均匀分散从而出现结团现象。因此,选取了以0.3%的竹纤维掺量添加到沥青中,这样可以在保证纤维分散均匀的同时,对沥青的复数剪切模量和刚度产生积极的影响。

2.2 动态模量试验

采用动态模量测试来评估竹纤维对沥青混合料的黏弹性质的影响。为了准确构建模量主曲线,对每个温度下的沥青混合料进行了2个平行试样的测试,并在所需的测试温度下至少静置1 h。图6a)和6b)分别展示了动态模量测试试样和应力、应变随时间变化的情况。

图6 动态模量试验

图7描述了不同温度和加载频率下沥青混合料的动态模量值和相位角。

图7 动态模量试验结果

由图7a)可见,在相同的温度下,VAM未加纤维沥青混合料的动态模量值随着加载频率的降低而减小;在相同的加载频率下,随着温度的升高,动态模量值呈现下降趋势。与BAM的动态模量值相比,VAM在不同的加载频率和温度下具有较低的动态模量值。在10 Hz的加载频率下,BAM的动态模量值分别增加了17%,28%和8%。在较低的温度下(4,20 ℃)和不同的加载频率下,2种沥青混合料类型之间的动态模量值差异非常显著,但在40 ℃下,动态模量值接近。这表明,在较低的温度下(4,20 ℃),添加竹纤维对沥青混合料的动态模量具有显著影响,而在较高温度下的影响较小。由图7b)可见,在4,20 ℃下,随着加载频率的降低,相位角逐渐增大。这说明在较低温度下,加载频率对混合料的黏弹性响应更为显著。但在40 ℃下,随着加载频率的降低,相位角反而减小,这表明主导混合料性质的因素发生了变化。在较高温度下,弹性骨料颗粒对控制混合料的黏弹性响应更加重要。弹性骨料倾向于显示出更明显的弹性行为,这导致相位角在频率降低时减小。研究结果表明相位角对温度和频率的依赖性。在较低温度下,黏弹性行为占主导地位,而在较高温度下,弹性骨料的影响更为显著。对于不同环境条件下的沥青混合料的力学性能和性能特征进行准确表征非常重要,这有助于设计和优化适用于特定应用的沥青混合料。

2.3 动态模量主曲线

时间和温度的变化对于沥青混合料作为黏弹性材料的力学性能具有相似的影响。高温通常采用低频率加载条件,低温采用高频率加载条件。本研究采用S形函数对实验数据进行拟合,得到在参考温度21.1 ℃下的主曲线。将不同温度下的动态模量曲线沿频率轴进行水平位移,形成一条主曲线,得到各温度下的位移因子,见表4。得到各温度下的位移因子后,计算出不同温度和频率下对应的降频,结果见表5。表6为S型函数的系数。

表4 原样沥青和竹纤维改性沥青混合料的位移因子

表5 原样沥青和竹纤维改性沥青混合料的降频

表6 动态模量主曲线的S形参数

图8为在参考温度21.1 ℃下的2种沥青混合料的动态模量主曲线,动态模量主曲线均呈“S”形。本研究通过分析动态模量主曲线,确定了2种沥青混合料在极端温度和加载频率下的动态响应,并表征了沥青混合料在温度和加载频率下的黏弹特性。当加载频率极高或极低时,BAM的动态模量主曲线基本与VAM相同。竹纤维对沥青混合料的黏弹性影响在归一化频率为中间温度范围10-3～102Hz的范围内最为明显。基于动态模量数据的分析可以发现,添加竹纤维不能显著改善沥青混合料的低温和高温性能,但会在常温范围下显著提升性能。

图8 动态模量主曲线

2.4 循环疲劳试验

通过循环疲劳试验,评估了纤维掺入对沥青混合料疲劳性能的改善作用。以在线性可变差动变压器(LVDT)测量范围内发生开裂失效时作为成功试验标准。由于许多试件出现了如试件的终端破裂和骨料破碎等终端破坏,超出了LVDT的测量范围。因此,研究沥青混合料的开裂疲劳性能只采用测量范围内的试验。循环疲劳试验和拉伸试验试件的示意图见图9,在本研究的循环疲劳试验中,试件在受到拉伸力的作用下发生失效。试件中添加了竹纤维和骨料,由于竹纤维的强度大于沥青砂浆的强度,因此需要较大的破坏力才能导致竹纤维的剥离和断裂。

图9 疲劳拉伸试验

在20 ℃、10 Hz条件下进行的循环疲劳试验的结果见图10。

图10 动态模量和相角的变化

由图10可见,随着加载循环次数的增加,动态模量值逐渐下降,相位角逐渐增大,直到试件发生破坏。定义相位角开始减小的时刻为破坏阶段,图10a)显示了VAM的破坏循环次数为5 910,而图10b)显示了竹纤维混合料的破坏循环次数为6 830。破坏循环次数的差异表明竹纤维对沥青混合料的抗疲劳性有积极的影响,当试件受到加载时,竹纤维吸收了部分应力,并将集中应力均匀地传导到混合料内部各处,减少了应力集中造成的破坏,从而提高了试件的抗裂性能。

3 结语

本文采用频率扫描试验、动态模量试验、循环疲劳试验研究分析掺加竹纤维对于沥青混合料力学性能的影响,系统分析了竹纤维对沥青和沥青混合料的力学性能的改善与增强效果,得出以下结论。

1) 在沥青混合料中加入竹纤维可提高混合料的高温抗剪强度和低温抗裂性。混合料的复数剪切模量随着竹纤维含量的增加而增大,当竹纤维掺量为0.3%时,沥青混合料的力学性能最佳,在高温和低温环境下均表现出优异的结构稳定性,能有效减少极端环境对路面结构的损害。

2) 添加竹纤维对沥青混合料的动态模量具有显著影响,但在较高温度下的影响较小。在20 ℃下,BAM和VAM 2种沥青混合料类型之间的动态模量值差异非常显著,在40 ℃下,动态模量值接近。

3) 循环疲劳试验结果表明,在10 Hz和20 ℃条件下,竹纤维改性沥青混合料(BAM)表现出比VAM更好的抗疲劳开裂抗性。添加竹纤维有助于改善沥青路面的抗疲劳开裂性能,延长沥青路面的服役年限。

本文探索了一种新型材料,旨在提升沥青混合料在路面应用中的性能。考虑到竹纤维适用环境,在干燥气候的施工环境下,通过添加竹纤维,可以显著改善路面性能。