基于BBR試驗的纖維瀝青低溫性能研究

楊 樹

（山西省公路局 大同分局，山西 大同 037006）

0 引言

自20世紀50年代起，纖維在瀝青混合料中得到應用，纖維的摻入能夠改善瀝青混合料的各方面性能，且由于纖維能夠在拌和站直接投入，施工工藝簡單，應用前景廣泛[1]。

低溫開裂成為我國北方地區(qū)瀝青路面的主要破壞形式之一，由于氣候寒冷、晝夜溫差較大，易在瀝青混合料中形成較大溫度應力，若該部分應力超過路面材料的極限抗拉強度，將會產(chǎn)生開裂破壞[2]。文獻的研究成果表明纖維的摻入可明顯提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，木質(zhì)素、聚丙烯晴和聚酯纖維中，聚酯纖維的增強作用最為明顯。

纖維瀝青材料在瀝青混合料中起到重要的黏結作用，屬于集料間的黏結介質(zhì)，其性能直接對瀝青混合料產(chǎn)生影響，因此纖維瀝青的低溫性能應為評價瀝青路面低溫抗裂性的研究基礎。

為此，本文采用SHAP計劃中的彎曲梁流變儀（BBR）來評價纖維瀝青的低溫性能，選擇-18℃和-12℃兩種試驗溫度，1%、4%、8%三種聚酯纖維摻量。為了分析纖維長度對其低溫性能的影響，在4%摻量下選取3 mm、6 mm、10 mm三種纖維長度分別進行BBR試驗，分析纖維摻量及長度對其低溫性能的影響。

1 試驗材料

1.1 瀝青

瀝青采用殼牌70號道路石油瀝青，主要技術指標見表1。

表1 瀝青主要技術指標

1.2 纖維

纖維選取山東泰安產(chǎn)聚酯纖維，性能參數(shù)見表2。

表2 纖維性能參數(shù)

2 試驗方案設計

在纖維允許摻量范圍內(nèi)，隨著纖維摻量的增加，纖維體積率提高，其增強效果愈明顯，達到允許摻量后，纖維表面將無法被瀝青完全包裹，黏結力喪失明顯。且從施工角度分析，為防止拌和不均，纖維的摻量也不宜過多，因此存在合理纖維摻量問題。

以往試驗研究結果表明，纖維的允許摻量一般8%（占瀝青總量），由此本研究中纖維瀝青設計方案見表3所示。

表3 纖維瀝青設計方案

3 BBR試驗

SHRP計劃開發(fā)的彎曲流變儀，其研究瀝青梁在蠕變荷載下的勁度模量，通過BBR試驗獲取兩個評價瀝青低溫性能的參數(shù)為：a）蠕變勁度模量；b）m值，勁度模量隨蠕變時間的變化率。

SHRP計劃的研究結果認為，瀝青的勁度模量愈大，則多呈現(xiàn)為脆性，愈易產(chǎn)生開裂破壞，而表征勁度模量隨時間變化率參數(shù)m值愈大，則可理解為溫度下降時材料產(chǎn)生收縮，其響應如同降低了瀝青的勁度模量，從而使得其拉應力減少，降低了產(chǎn)生開裂的可能性。因此，SHRP計劃規(guī)范限制60 s時的勁度模量不大于300 MPa和m值不小于0.30[3]。

采用工程梁理論計算瀝青的勁度模量，其公式為[4]：

式中：S(t)為隨時間變化的蠕變勁度，t=60 s；P為試件恒定荷載，980 m·N；L 為支架間距，102 mm；b為梁高，12.5 mm；h 為梁寬，6.25 mm；Δ(t)為隨時間變化的變形，t=60 s。

4 試驗結果分析

不同聚酯纖維摻量的纖維瀝青 (長度均為6 mm)在-18℃和-12℃下BBR試驗結果見圖1～圖4。圖1、圖2為不同溫度下勁度模量隨時間的變化關系。

圖1 -18℃下纖維瀝青勁度模量隨時間的變化

圖2 -12℃下纖維瀝青勁度模量隨時間的變化

從圖1、圖2可以看出，不同纖維摻量瀝青勁度模量均隨時間的增大而下降，由于在應力不變的條件下應變量隨時間逐漸增大，其勁度模量必然隨之下降。相同時間條件下，隨著纖維摻量的增加，其勁度模量一般呈減小趨勢，表明瀝青的脆性降低，低溫抗裂性能逐漸增強。當溫度由-18℃升高至-12℃時，相同時間下纖維瀝青的勁度模量明顯下降，抗裂性能提升，纖維瀝青的性能受瀝青基質(zhì)材料溫感性的影響很大，與瀝青的基本性質(zhì)相似。

SHRP計劃規(guī)定60 s時勁度模量不得超過300 MPa，可見在-18℃條件下，纖維瀝青的勁度模量均不滿足該規(guī)范的要求，而-12℃下纖維瀝青60 s時間的勁度模量均滿足不大于300 MPa的技術要求。

圖3、圖4為不同溫度下m值隨時間的變化關系。

圖3 -18℃下纖維瀝青m值隨時間的變化

圖4 -12℃下纖維瀝青m值隨時間的變化

從圖3、圖4可以看出，斜率m值隨著時間的增加而增大，表明蠕變變形的變化率逐漸增加。相同時間下隨著纖維摻量的增加，m值相應增大，說明材料減小溫度拉應力的能力提高，抗低溫開裂性能增強。

不同聚酯纖維長度的纖維瀝青 (摻量均為4%)在-18℃和-12℃下BBR試驗結果見圖5～圖8。圖5、圖6為不同溫度下勁度模量隨時間的變化關系。

圖5 -18℃下4%摻量纖維瀝青勁度模量隨時間的變化

圖6 -12℃下4%摻量纖維瀝青勁度模量隨時間的變化

由圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，相同摻量下纖維的長度對其低溫勁度模量存在一定的影響，尤其是在-18℃下10 mm纖維的勁度模量下降最為顯著。一般規(guī)律可總結為纖維長度增加，勁度模量隨之降低，纖維的加筋作用增強。隨著纖維長度增長，通過界面間相關作用傳遞給纖維的作用力隨之增大，才能將纖維優(yōu)越的力學性能充分體現(xiàn)。

圖7、圖8為不同溫度下m值隨時間的變化關系。

圖7 -18℃下4%摻量纖維瀝青m值隨時間的變化

圖8 -12℃下4%摻量纖維瀝青m值隨時間的變化

由圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維長度的增長，m值呈增加趨勢，尤其在-18℃下更為顯著，低溫抗裂性能提高。纖維長度愈長，纖維與瀝青間的界面作用愈明顯，對蠕變作用的約束也愈大，同樣反映出隨著纖維長度增加，纖維力學性能體現(xiàn)得更為充分。

5 結論

本文通過SHRP計劃中的BBR試驗來評價纖維對瀝青的增強作用，采用勁度模量和m值兩個參數(shù)來評價纖維瀝青的低溫性能，得出如下結論。

a）SHRP計劃推薦的勁度模量和m值參數(shù)可以較好地表征纖維瀝青的低溫性能，勁度模量愈小，m值愈大，纖維瀝青開裂的可能性越小，低溫性能越好。

b）相同條件下，隨著纖維摻量的增加，纖維瀝青的勁度模量減小，m值隨之增大，尤其是在溫度較低時，纖維的增強作用更為顯著。

c）相同條件下，隨著纖維長度的增長，纖維瀝青的勁度模量同樣減小，m值隨之增大，10 mm纖維的增強效果最為顯著，將纖維優(yōu)越的力學性能充分體現(xiàn)。