纖維對瀝青流變性能的影響研究及作用機理分析

摘要：文章研究在瀝青中加入聚酯纖維和秸稈纖維，通過分子動力學模擬、基本性能測試、動態剪切流變試驗和彎曲流變試驗等方法，探究纖維改性瀝青各組分之間的相互作用模式及流變特性，以達到瀝青性能顯著提升的目的。結果表明：纖維與瀝青具有一定的熔融效果，秸稈纖維對瀝青高溫性能的提升不如聚酯纖維，而在低溫性能方面表現優異；在高溫條件下，聚酯纖維和秸稈纖維最佳摻量均為3%，而在低溫條件下最佳摻量分別為2%和3%。

關鍵詞：改性瀝青；聚酯纖維；秸稈纖維；流變特性；作用機理

U414.1A050164

0 引言

經過國內外學者的廣泛研究，提高路面材料性能是一種高效的延長使用壽命的方法，其中纖維因具有很好的穩定性和堅韌性，在提升瀝青路面耐久性方面貢獻較大［1］。

目前聚酯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、木質素纖維等不同性質纖維被廣泛用于瀝青改性［2］。2020年，東北林業大學何東坡等采用玄武巖礦物纖維來改善巖瀝青低溫性能不足的問題，研究報告指出玄武巖纖維摻量為6%時巖瀝青高溫連續分級溫度僅提高1.96 ℃，而低溫連續分級溫度可提高4.87 ℃，即玄武巖纖維對瀝青高溫性能影響不大，而低溫性能提升效果明顯［3］；2021年河北工程大學的高穎等在探究玻璃纖維對聚乙二醇瀝青混合料增強效果時發現，僅0.2%的玻璃纖維就能使動穩定度提高51%，而對低溫性能和水穩定性幾乎沒有影響，玻璃纖維不會破壞聚乙二醇對瀝青混合料的調溫效果［4］；2022年周海成等從瀝青基本性質指標得出，陶瓷纖維可降低瀝青的溫度敏感性，較小程度提升抗開裂性能，但不適宜用于低溫條件，混合料指標顯示陶瓷纖維可使高溫變形能力和蠕變剛度得到顯著提升［5］；2023年呂鵬磊等認為木質素纖維分散性好、韌性優、經濟環保等優點可在瀝青改性中發揮重要作用，進一步試驗表明木質素纖維改性SBS瀝青主要是物理共混過程，木質素纖維針管狀中空結構并未有瀝青流入，其脫黏和拔出效應及SBS點+線式網絡結構可共同提升瀝青高溫性能［6］；2023年駱俊暉等認為聚丙烯腈纖維對排水瀝青混合料路用性能的改善效果最明顯，與不摻纖維的對照組相比，其動穩定度增加超過50%、凍融劈裂強度比增加約6%、浸水飛散損失量減少近4%，木質素纖維對排水瀝青混合料路用性能的改善效果相對較差［7］。

本研究根據不同纖維改性瀝青的性能差異，確定了不同適用條件的纖維類型和用量，有關成果對纖維改性瀝青路面的使用具有重要的理論和實踐意義［8］。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

本研究制備改性瀝青的原材料包括90#基質瀝青、秸稈纖維、聚酯纖維，經檢測性能指標均滿足道路用材料相關要求。

1.2 試樣制備

為避免纖維在攪拌過程中損壞，試樣制備先用少量纖維與瀝青手動混合均勻，再按規定摻量機械攪拌。不同纖維摻量下改性瀝青類型見表1。

2 試驗方法及評價指標

2.1 分子動力學模擬

2.1.1 相容性

瀝青和改性劑的相容性是改性瀝青能否耐久的關鍵指標，通常采用溶解度參數（δ）來量化溶劑和溶質之間的相互作用，能較好地評估混合物的相容性，溶解度參數（δ）采用式（1）進行計算。

δ=（E/V）1/2=（Um/Vm）1/2（1）

式中：E——內聚能密度（J/mol）；

V——體積（mL/mol）；

Um——摩爾蒸發能（J）；

Vm——重復單元的摩爾體積（ml）。

2.1.2 力學性能

力學性能可以表征材料在外力作用下的抗變形能力，它會顯著影響材料的制備和使用效果。為了描述瀝青分子的應力-應變行為，本文使用楊氏模量（E）、體積模量（V）、剪切模量（G）等參數來模擬各向同性材料的拉伸或剪切應力，參數計算見式（2）～式（4）。

E=μ（3λ+2μ）λ+μ（2）

K=λ+23μ（3）

G=μ（4）

2.2 動態剪切流變試驗

動態剪切流變試驗包括溫度掃描試驗和多重應力蠕變恢復試驗，嚴格按照試驗規程條件和參數進行。

2.3 彎曲流變試驗

本試驗使用彎曲梁流變儀評估不同纖維改性瀝青在-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃溫度下的低溫性能。

3 試驗結果與討論

3.1 分子動力學模擬分析

纖維對瀝青流變性能的影響研究及作用機理分析/張永魁，左紹祥，方雪朋，湯彬彬

3.1.1 相容性分析

溶解度參數差越小表示纖維與瀝青的相容性越好，溶解度參數試驗結果見圖1。

由圖1可知，B2的溶解度參數比A大約12.6（J/cm3）0.5，C3的溶解度參數比A大約6.1（J/cm3）0.5，所以聚酯纖維與瀝青的相容性比秸稈纖維更好，秸稈纖維和聚酯纖維分別在165 ℃和170 ℃時與瀝青相容性最好。由于聚酯纖維和秸稈纖維的分子尺寸和結構不同，內聚能密度和溶解度參數隨溫度以不同的速率下降，這是溶解度參數不穩定的主要原因。

3.1.2 力學性能分析

在力學性能參數計算過程中，分別獲得了A、B2和C3在不同溫度下的楊氏模量（E）、體積模量（V）、剪切模量（G）等參數的模擬結果，如圖2所示。

隨著溫度升高，瀝青分子鏈運動的限制被解除，鏈段之間滑移增加，導致模量降低，三種改性瀝青的基本性能指標出現一定程度的下降。B2和C3的楊氏模量（V）、剪切模量（G）明顯高于A，即纖維的加入在不同程度上提高了瀝青的剛度和抗剪性能，另外B2和C3的楊氏模量和剪切模量基本一致，但C3體積模量（V）明顯高于B2體積模量。這是由于聚酯纖維的密度和體積模量均大于基質瀝青和秸稈纖維，其增加了聚酯纖維改性瀝青的剛度，降低了可壓縮性。

3.2 基本性能指標分析

本研究以A作為對比對象，分析纖維改性瀝青B2和C3在基本性能指標方面表現出的優勢，基本性能指標見表2。

由表2可知，隨著纖維用量的增加，瀝青針入度逐漸降低，纖維在瀝青中起到剛性組分的作用，從而增加了瀝青的黏度。在延展性方面，纖維降低了瀝青的5 ℃延度，基質瀝青在斷裂處呈針尖絲狀，在沒有拉力的情況下會自然斷裂，而纖維改性瀝青延度試驗斷裂面呈相對齊平的梯形，這就表明纖維的加入使瀝青變得粘稠，抗變形能力提升。添加纖維后，瀝青粘附在相互交叉的纖維上，高溫下流動性得到抑制，所以纖維可顯著提升瀝青的軟化點和高溫穩定性。在纖維對比方面，聚酯纖維改性瀝青表現出較小的針入度和延度、較高的軟化點，盡管聚酯纖維對瀝青的耐熱性優于秸稈纖維，但在低溫方面表現不佳。

3.3 動態剪切流變試驗結果分析

3.3.1 溫度掃描試驗結果

復數剪切模量（G*）可表征瀝青材料抵抗連續剪切變形的能力，不同纖維改性瀝青的復數剪切模量如圖3所示。

由圖3的變化趨勢可知，各種瀝青復數剪切模量隨溫度的升高均呈下降趨勢，其中纖維改性瀝青的復數剪切模量均高于基質瀝青，這是由于纖維吸收了部分應力，增加了材料的整體承載力。纖維類型和用量不同，纖維改性瀝青的復數隨溫度的變化速率不同。在82 ℃時，聚酯纖維改性瀝青的復數剪切模量隨纖維的增多而增大，最大值為基質瀝青的3倍左右，而隨著秸稈纖維用量的增加，瀝青復合剪切模量先增大后減小，在52 ℃條件時可達瀝青基質的2.9倍左右。當溫度低于58 ℃時，秸稈纖維改性瀝青（B2）的復數剪切模量均大于聚酯纖維改性瀝青（C3），當溫度超過58 ℃后結論相反，這時瀝青在反復剪切下變形最小。

瀝青粘彈性由相位角（δ）來表征，圖4為不同纖維改性瀝青相位角隨溫度的變化趨勢。由圖4可知，當纖維用量較低時，相位角均隨溫度的升高而增大，這表明纖維加入后瀝青從粘彈性逐漸變為黏性。當纖維用量進一步增加，大量瀝青被吸附在纖維上，瀝青流動性被抑制，這時纖維改性瀝青的彈性和相位角隨溫度的升高呈先減小后增大的趨勢。

本研究通過計算得到車轍因子（G*/sinδ）用于評價瀝青高溫性能，車轍因子越大，瀝青在高溫下對車轍的抵抗力更強。車轍因子試驗結果見圖5。由圖5可知，隨著纖維的增加，車轍因子不斷增大，因此瀝青對高溫變形的抵抗力得到增強。70 ℃時纖維改性瀝青的車轍因子均gt;1.0 kPa，這滿足SHRP規范相關要求。B2和C3表現最佳的彈性、高溫抗車轍性能。

3.3.2 多重應力蠕變恢復試驗結果

在64 ℃對瀝青進行了多重應力蠕變恢復試驗，以確定其各自的不可逆柔性蠕變和變形恢復率，不可逆柔性蠕變越小表示抗高溫車轍能力越強，可以彈性恢復的瀝青成分越多。試驗結果見圖6和圖7。

由圖6可知，不同類型瀝青在0.1 kPa加載條件下的不可逆柔性蠕變lt;3.2 kPa加載條件，這表明由于輕交通引起的不可逆變形很小，此結論可為控制車輛超載提供依據。加入纖維后，瀝青的不可逆柔性蠕變迅速降低，即纖維可以顯著提高瀝青的耐高溫老化性能。在輕交通情況下，B2和C2不可逆柔性蠕變比A（0.1 kPa和3.2 kPa的不可逆柔性蠕變分別為8.4 kPa-1和6.8 kPa-1）分別降低28倍和27倍，而在重交通條件下分別降低24倍和18倍。

圖7顯示，64 ℃時基質瀝青的變形恢復率幾乎為零，基本處于完全黏性狀態。添加聚酯纖維后，瀝青變形恢復率隨摻量呈正比例增加，表明瀝青彈性增強；添加秸稈纖維后，瀝青變形恢復率隨摻量增加先增大后減小。纖維用量過大使游離的瀝青大幅減小，這時纖維改性瀝青的變形在加載后較難恢復，C3的變形恢復率可達到42%左右。

3.4 彎曲梁流變試驗結果分析

蠕變勁度模量（S）可表征瀝青在一定溫度和荷載下的剛度，其值越大，表明瀝青越硬，在承受荷載時更容易發生低溫開裂，不同纖維改性瀝青的S和m試驗結果見圖8和圖9。

由圖8可知，不同瀝青彎曲勁度模量隨溫度的降低而增加，使瀝青更容易發生低溫開裂。當纖維用量較低時，瀝青的彎曲勁度模量均小于基質瀝青，隨著纖維用量的增加，纖維改性瀝青的低溫塑性和剛度得到增強。纖維對比方面，秸稈纖維顯示出更小的彎曲勁度模量，其中B2表現出最佳的低溫抗裂性。

由圖9可知，瀝青蠕變速率隨溫度的降低而逐漸減小，這表明瀝青類材料在較低溫度下不太可能發生變形，蠕變速率越小，就越有可能出現低溫開裂。除B1以外，纖維改性瀝青的蠕變速率均小于A，這表明添加纖維可顯著降低低溫下變形的可能性，特別是在纖維含量較高時更為突出。

本研究引入低溫系數k（k=S/m）來評估瀝青材料的低溫性能，k值越低表示低溫性能越好，圖10為不同改性瀝青的低溫系數試驗結果。由圖10可知，纖維摻量較高時并不會顯著改善瀝青的低溫性能（例如在-6 ℃條件下，C3的低溫系數是A的2倍），所以纖維用量應控制在合理范圍內，以確保有效的低溫性能。在實際使用過程中，纖維摻量超出最佳范圍可能導致混合不均和接團現象，同時瀝青和纖維之間的界面層也有可能在低溫下變薄，導致瀝青和纖維在受到彎曲和拉伸應力時缺乏摩阻力。總的來說，秸稈纖維改性瀝青在低溫下性能比聚酯纖維更好。

4 結語

（1）通過分子動力學模擬可以證明纖維與瀝青之間存在一定程度的相容性，纖維的加入可以改善瀝青的力學性能。

（2）高溫條件下進行的溫度掃描試驗和多重應力蠕變恢復試驗表明，纖維的加入可以改善瀝青的高溫流變特性和抗老化性能，當聚酯纖維或秸稈纖維含量為3%時，改性效果最佳。

（3）中溫條件下，纖維的加入可顯著提高瀝青的抗應力性能，增加失效循環荷載次數，提高了瀝青的抗疲勞性能。在低溫條件下，纖維的加入對蠕變性能測試結果沒有明顯影響，而引入的低溫系數表明，聚酯纖維和秸稈纖維的最佳摻量分別為2%和3%。

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