基于瀝青膠漿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的纖維復(fù)配研究

曹海利 付麗紅

(1.徐州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江蘇徐州 221002;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，江蘇徐州 221006)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，道路交通量大幅增長(zhǎng)、軸載不斷提高，對(duì)瀝青混凝土路面的使用質(zhì)量提出了越來越高的要求。為了有效緩解瀝青路面早期破壞，國(guó)內(nèi)外研究人員致力于提出新的路面設(shè)計(jì)方法和研發(fā)新型路用材料，而在瀝青混合料中摻加路用纖維材料的方法，因其良好的改性效果受到業(yè)界的普遍關(guān)注。主流路用纖維類型包括:木質(zhì)素纖維、聚合物纖維和礦物纖維。不同種類纖維改性效果和價(jià)格存在巨大差異，國(guó)內(nèi)外對(duì)改性纖維的選擇和應(yīng)用比較盲目，缺乏相關(guān)的技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，本文以綜合不同纖維優(yōu)勢(shì)為出發(fā)點(diǎn)，提出復(fù)配纖維改性瀝青方法，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，通過DSR與BBR試驗(yàn)，以復(fù)配纖維瀝青膠漿的車轍因子、疲勞因子和勁度模量為單項(xiàng)考核指標(biāo)，通過灰關(guān)聯(lián)分析和綜合評(píng)價(jià)方法，研究復(fù)配纖維對(duì)瀝青膠漿高低溫性能的綜合影響，以選擇最佳的復(fù)配比例。

1 實(shí)驗(yàn)原材料與瀝青膠漿的制備

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

采用韓國(guó)SK重交通AH-70號(hào)瀝青，組分分為飽和分24.1%，芳香分33.1%，膠質(zhì)35.8%和瀝青質(zhì)7.0%;各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 AH-70號(hào)SK基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 纖維

纖維作為瀝青混合料改性劑，其改性效果與自身性能特征密切相關(guān)。選擇木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維為研究對(duì)象，對(duì)三種纖維進(jìn)行基本性能試驗(yàn)，具體結(jié)果見表2。

表2 纖維基本技術(shù)性能

分析可知，木質(zhì)素纖維具有很強(qiáng)的物理吸附作用，即吸持瀝青性能優(yōu)異;聚酯纖維表面光滑，呈圓柱形狀，混合后相互搭接，可有效抵抗瀝青高溫形變;玄武巖纖維與聚酯纖維形狀相似，但玄武巖纖維較細(xì)，比表面積較大，質(zhì)地堅(jiān)硬，柔韌性較差，表面存在纖維抽絲過程中驟冷收縮產(chǎn)生的凸起物。

1.2 瀝青膠漿的制備

纖維放入105℃烘箱干燥24 h，把熱熔融狀態(tài)AH-70號(hào)基質(zhì)瀝青導(dǎo)入150℃反應(yīng)皿中保溫，將等于瀝青質(zhì)量1%的復(fù)配纖維分多次緩慢摻入反應(yīng)皿，同時(shí)啟動(dòng)攪拌器持續(xù)高速攪拌60 min(1 400 r/min)，以保證纖維分散均勻。攪拌后的纖維瀝青膠漿置于真空干燥箱中保持5 min(－97.3 kPa)，去除攪拌過程中混入瀝青膠漿中的空氣，以制備出合格的纖維改性瀝青膠漿試樣。

2 瀝青膠漿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*sinδ分別反映了瀝青膠漿的抗永久變形和抗疲勞的能力。車轍因子越大表示瀝青的彈性性能越顯著，其流動(dòng)變形能力越小，越有利于抵抗車轍的產(chǎn)生;而疲勞因子值越大則瀝青膠漿的抗疲勞性能越好。而瀝青膠漿蠕變勁度模量S反映了瀝青膠漿低溫變形的能力，美國(guó)SHRP規(guī)范認(rèn)為勁度模量S越大表明彈性成分越大，低溫變形能力越差，此瀝青材料所鋪筑路面易開裂。

采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)和小梁彎曲流變?cè)囼?yàn)(BBR)測(cè)試評(píng)價(jià)復(fù)配纖維改性瀝青膠漿的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。所采用的DSR試驗(yàn)參數(shù)如下:試驗(yàn)溫度60℃，試驗(yàn)頻率10 rad/s，φ25 mm試樣盤，1 mm間隙;BBR試驗(yàn)參數(shù)如下:試驗(yàn)溫度－18℃、荷載量質(zhì)量100 g、作用時(shí)長(zhǎng)240 s。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文以不同類型纖維(木質(zhì)素纖維，聚酯纖維和玄武巖纖維)作為影響改性瀝青膠漿性能因素;通過變化摻配比例調(diào)節(jié)因素水平，不同類型纖維摻配比例數(shù)不應(yīng)相差過大，故因素水平選為1份、2份和3份;以車轍因子、疲勞因子和勁度模量為瀝青膠漿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的多項(xiàng)考核指標(biāo)，制定的因素水平表如表3所示。

表3 正交因素與水平組合

因?yàn)檎辉囼?yàn)設(shè)計(jì)中沒有三因素三水平試驗(yàn)方案，故本文根據(jù)等水平數(shù)原則，選取測(cè)試個(gè)數(shù)最少的正交表L9(34)，試驗(yàn)方案如表4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果與方差分析。按照正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，對(duì)各試樣進(jìn)行車轍因子、疲勞因子和勁度模量測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用極差分析，考察瀝青膠漿各項(xiàng)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與纖維之間的關(guān)系，結(jié)果如表5，表6所示。

表4 試驗(yàn)方案

表5 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)

表6 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)極差分析

由試驗(yàn)結(jié)果的極差分析可知，對(duì)于車轍因子指標(biāo)，因素的影響大小順序?yàn)?木質(zhì)素纖維＞玄武巖纖維＞聚酯纖維;對(duì)于疲勞因子指標(biāo)，因素的影響大小順序?yàn)?木質(zhì)素纖維＞玄武巖纖維＞聚酯纖維;對(duì)于低溫勁度模量指標(biāo)，因素的影響大小順序?yàn)?聚酯纖維＞玄武巖纖維＞木質(zhì)素纖維。針對(duì)不同的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)，因素影響瀝青膠漿程度大小順序隨之改變，即單一的指標(biāo)不能較全面的評(píng)價(jià)瀝青膠漿性能，從而導(dǎo)致無法確定纖維最佳的復(fù)配比例。

4 結(jié)語

1)瀝青膠漿動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)表明，木質(zhì)素纖維摻配的瀝青膠漿性能較優(yōu)。

2)各因素對(duì)瀝青膠漿動(dòng)態(tài)力學(xué)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Y，影響由大到小次序依次為:木質(zhì)素纖維＞玄武巖纖維＞聚酯纖維;纖維的最佳摻配比例為:木質(zhì)素纖維∶聚酯纖維∶玄武巖纖維=3∶2∶3。

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