基于动态模量试验的不同纤维沥青混合料高温性能研究_黄琪.pdf

公路 年月第期 基金项目：河南省高校重点科研项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：基于动态模量试验的不同纤维沥青混合料高温性能研究黄琪，刘安，陈鹏飞（华北水利水电大学 土木与交通学院郑州市 ）摘要：通过掺加纤维的方法提升沥青路面的力学性能已逐渐成为当前的研究热点，为全面深入地探讨纤维对沥青混合料高温稳定性的影响，针对掺加聚丙烯纤维、聚酯纤维和聚丙烯腈纤维的沥青混合料，开展了车辙试验和不同温度及加载频率下的动态模量试验，得到了种不同纤维沥青混合料的动态模量值、相位角及 指标，并对比分析了沥青混合料在掺加纤维前后的动态模量试验指标的变化规律。结合时温等效原则，利用 函数确定了不同纤维沥青混合料的动态模量主曲线。采用灰熵关联分析法对动稳定度与动态模量、指标进行关联性分析。结果表明：纤维的掺入能有效提高沥青混合料的动态模量，从而改善其高温抗车辙性能，其中以聚丙烯腈纤维的作用效果最为显著；通过主曲线可以预测纤维沥青混合料在更宽温度域或频率域的动态模量值，以至更全面地描述混合料在动态荷载下的力学响应；纤维沥青混合料的动稳定度与动态模量、指标的关联性良好，进一步论证了动态模量试验评价沥青混合料高温稳定性能的实用性。关键词：道路工程；纤维沥青混合料；动态模量试验；高温性能；函数；主曲线；灰熵关联分析随着交通量、车辆轴载的不断增加，以及受高温天气的持续影响，沥青路面的车辙病害日益严重，为保证行车的安全性，提高沥青混合料的高温稳定性是目前亟待解决的问题之一。纤维作为一种高强、质轻、耐久的材料，能够显著改善沥青路面的力学性能，通过在沥青混合料中掺入纤维以提高其高温性能也逐渐成为了当前研究的热点。沥青混合料属于黏弹性材料，在实际使用过程中，主要承受的是反复的动态荷载作用，采用传统的动稳定度难以准确描述其在温度荷载耦合状态下的力学响应。动态模量是表征沥青混合料刚度和黏弹特性的基本力学参数，它可以反映不同温度和车辆荷载条件下路面的应力和应变状态。但动态模量试验成本较高、耗时较长，并且很难直接获得极端条件下的动态模量，通过构建动态模量主曲线预测更宽温度域或频率域的动态模量是解决这一问题的有效方法。基于沥青混合料的动态模量及主曲线，境内外学者开展了大量研究。吴少鹏等 通过试验研究了矿物纤维对沥青混合料动态模量的影响，结果表明掺入纤维的沥青混合料动态模量显著提高。赵延庆等、马翔等 建立了不同类型沥青混合料的动态模量主曲线，并利用 模型对 主 曲 线 进 行 了 预 测 回 归 分 析。等、等 分别研究了荷载频率对密集配沥青混合料动态模量的影响规律，并通过 模型对混合料的瞬时 或 长 期 动 态 模 量 值 进 行 预 测。等、等 和 等 研究发现，沥青混合料的动态模量随老化程度有所增加，而在低温环境下影响较小。等 分析了沥青性能对动态模量的影响。赵小崇等 研究了玄武岩纤维掺量对大空隙沥青混合料动态模量及相位角的影响。马朝鲜等 研究得出了 模型和 模型可适用于预测高模量沥青混合料的动态模量的结论。综上所述，由沥青混合料的动态模量所展开的研究已延伸到众多方面，但是关于不同纤维沥青混合料动态模量及其主曲线的差异、动态模量试验指 年第期黄琪等：基于动态模量试验的不同纤维沥青混合料高温性能研究标与车辙试验指标的关联性等方面的研究甚少。因此，本文选取了种较有代表性的路用纤维，通过试验的方法对沥青混合料的动态模量进行系统研究，并根据时温等效原理，采用 函数构建了不同纤维沥青混合料的动态模量主曲线。此外，通过灰熵关联理论分析了纤维沥青混合料的动态模量与动稳定度的关联性，为促进纤维在沥青路面中的应用提供理论参考。试验 原材料及配合比本文选取 号沥青和石灰岩类集料，根据规范要求对原材料进行基本性能检测，具体结果见表。纤维选用聚丙烯纤维（）、聚酯纤维（）及聚丙烯腈纤维（），其基本性能指标见表。沥青混合料的矿料级配采用 ，配合比如表所示。由马歇尔试验确定最佳油石比为 。种纤维均以的掺量（与沥青质量比）添加到混合料中，纤维与沥青混合料的拌和工艺采用干法拌和。首先将纤维分两轮均匀散入集料中，尽可能让其搅拌均匀，然后加入提前准备好的沥青并进行新一轮的搅拌，最后加入矿粉完成纤维沥青混合料的制备。表 号基质沥青基本性能指标检测项目规范要求结果试验方法针入度（，）针入度指数 延度（，）软化点（）闪点 密度（）（）薄膜烘箱试验（，）质量变化 针入度比（）延度（）表纤维的常规指标检测项目聚丙烯纤维 聚酯纤维 聚丙烯腈纤维试验方法长度 含水率 值 吸油率倍 耐热（，质量损失）（有燃烧现象）表 沥青混合料的合成级配项目不同尺寸筛孔（）通过率 级配上限 级配下限 级配中值 合成级配 试验方法 车辙试验按照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）碾压成型车辙试验板，尺寸为长 宽 高 ，并将成型后的试件在室温下自然养生。采用闭室浸水式车辙仪进行车辙试验，试验温度为，测定纤维沥青混合料的动稳定度。单轴压缩动态模量试验首先，采用旋转压实（）的方法成型 （高）的圆柱体试件，然后置于室温下待其完全固化后，对其进行钻芯和切割，得到 （高）的试件，如图（）所示。最后，采用再生沥青相容性能试验仪（）进行沥青混合料的动态模量试验，如图（）所示。试验过程中对试件施加偏移正弦波的荷载，且围压不变，试验温度选取 、及 ，加载频率为 、，得到动态模量和相位角。图沥青混合料动态模量试件及设备结果与讨论 车辙试验结果分析车辙试验是检测沥青混合料高温性能最常见的方法，它通过模拟车轮在沥青路面的反复作用，计算动稳定度来评价沥青混合料的高温抗车辙能力。图是掺加纤维的沥青混合料车辙试验结果。由图可知，种纤维沥青混合料的动稳定度均明显大于基质沥青混合料，表明纤维对沥青混合料的高温抗车辙性能具有一定提升效果。究其原因，一方面纤维纵横交错于混合料之中，将骨料相互搭接，起到了一定的加筋作用；另一方面纤维能够吸附一部分沥青，使得结构沥青的比例增加，自由沥青减少，沥青与矿料之间的黏聚力增加，在荷载作用下产生更小的形变，从而提高了混合料的高温稳定性。动态模量分析在围压不变的情况下，温度和加载频率是沥青混合料动态模量的主要影响因素。基质沥青混合料与种纤维沥青混合料的动态模量随温度和频率的变化趋势如图所示。由图可知，在相同的加载频率下，种沥青混合料的值均随温度的升高图不同类型沥青混合料的动稳定度而减小，原因是温度的升高会削弱沥青混合料的黏结力，在重载作用下使其产生较大的流动变形，从而动态模量降低。在同一温度下，沥青混合料的值随加载频率的增加而增大，并且从 到，动态模量的增加幅度明显大于到 。根据黏弹性理论 ，沥青混合料在频率较大的动态荷载作用下，其应变表现出一定的滞后性，即施加荷载时不会瞬时产生压缩变形，卸载后也不会瞬时回弹，因此产生的是较小的应变，并表现出较大的模量。在 下，种纤维沥青混合料与基质沥青混合料的动态模量随频率变化趋势如图所示。可以看出，掺加纤维的沥青混合料动态模量值高于未掺纤维的沥青混合料，表明在相同的温度荷载耦合状态下，纤维的吸附稳定作用使得沥青混合料整体黏结力增强，产生更小的应变，因此其动态模量值更高，高温稳定性更好。通过对比，从 到 ，较基质沥青混合料，掺入聚酯纤维和聚丙烯腈纤维后的沥青混合料动态模量分别提高了约 、和 、，而聚丙烯纤维沥青混合料动态模量无明显提高，故可认为种纤维中对沥青混合料高温性能改善效果最好的是聚丙烯腈纤维，其次是聚酯纤维，最后是聚丙烯纤维。相位角分析相位角，是用来表征沥青混合料黏性与弹性的重要指标，从 增大到 时，沥青混合料则从完全弹性逐渐变化为完全黏性 。以基质沥青混合料和聚丙烯腈纤维沥青混合料为例，由图可知，相位角在各个温度下随加载频率的变化有所差异：在 和 时，相位角随频率的增大而减小；而在 时，相位角从低频到高频的变化趋势为先增 公路 年第期 年第期黄琪等：基于动态模量试验的不同纤维沥青混合料高温性能研究图不同纤维沥青混合料在不同温度下的动态模量图 下不同纤维沥青混合料的动态模量大后减小。在同一频率下，从 到 相位角整体而言是增大的。这主要是因为在低温状态下，混合料由弹性占主导，相位角较小；而随着温度的增加，沥青的胶结料变软，沥青混合料表现出黏性特征，则相位角变大。图沥青混合料在不同温度下的相位角变化纤维的掺入使得沥青混合料的相位角变化较大，且纤维不同，相位角变化幅度也不同。这里选取 进行研究，结果如图所示。图中显而易见，种混合料的相位角峰值均出现在 左右，并且掺入纤维的沥青混合料相位角显著小于基质沥青混合料。这是因为温度较高时，沥青胶结料的黏结力降低，而纤维的掺入可以缓解沥青的流动，增大沥青混合料的黏结性，在荷载作用下，沥青混合料的高温变形减少，以至于相位角减小，从而提高其高温稳定性能。图不同纤维沥青混合料在 时的相位角对比 指标分析动态模量和相位角均可以在一定程度上反映沥青混合料的高温性能，但不全面。这是由于当两种材料动态模量相同而相位角不同时，往往会忽略相位角，将其认作同种材料。美国 研究表明 指标可以很好地评价沥青混合料的高温抗车辙性能。值越大说明沥青混合料的高温抗车辙性能越强，反之则越弱。本文通过温度为、频率为、及 下纤维沥青混合料的 指标进行分析，结果如表所示。由表可知，种沥青混合料的 值均随着频率的增加而增大；在相同的加载频率下，种纤维沥青混合料的 值均大于基质沥青混合料，大小排序为：。表明聚丙烯腈纤维对沥青混合料高温稳定性的改善效果最为显著，这与动态模量评价结果 一致。表不同纤维沥青混合料的 指标混合料类型动态模量 相位角（）值 动态模量主曲线的确定沥青混合料在荷载作用下表现出黏弹特性，其力学行为遵循时温等效原则，即不同温度或不同频率下动态模量曲线可进行平移，合成一条光滑的特征函数曲线，称之为动态模量主曲线 。主曲线可对沥青混合料的长期力学性能进行预测，使试验的繁杂程度得到有效减轻。对此，本文利用试验所得的动态模量数据，选定 作为基准温度，根据时温等效原理，采用 函数进行最小二乘法拟合，确定了基质沥青混合料与种纤维沥青混合料的动态模量主曲线，其中 函数表达式如式（）所示。（）（）（）式中：为加载频率，；为缩减频率，；为动态模量值，；代表动态模量的最小值；代表动态模量最大值与最小值的差值，；和为主曲线的形状参数；（）为移位因子。根据式（）和式（），通过 软件对动态模量数据进行非线性最小二乘法拟合，得到种沥青混合料在不同温度下的移位因子及 函数参数，结果见表。由表数据可得到纤维沥青混合料的动态模量主曲线方程，并绘制动态模量主曲线，如图所示。通过主曲线得到了更宽频率及温度范围内的模量值，可以准确描述纤维沥青混合料在动态荷载作用下的力学响应规律。由图（）（）可知，种纤维沥青混合料的动态模量主曲线的形状特征与基质沥青混合料相似，均呈扁平型；主曲线反映了沥青混 公路 年第期 年第期黄琪等：基于动态模量试验的不同纤维沥青混合料高温性能研究表纤维沥青混合料动态模量主曲线的模型参数及移位因子混合料类型移位因子 （）图沥青混合料的动态模量主曲线合料动态模量随频率或温度的变化规律，即频率增加时，相当于温度的降低，动态模量逐渐增大。从图可以看出，在低频状态下，相当于高温作用，聚酯纤维和聚丙烯腈纤维沥青混合料的动态模量值明显大于基质沥青混合料。而在图中的有限频率范围内，聚丙烯纤维沥青混合料的动态模量未能大于基质沥青混合料，但按主曲线趋势对其向更低频率进行延长，聚丙烯纤维对沥青混合料的动态模量仍有提高效果。因此，种纤维都能有效提高沥青混合料高温时的动态模量，改善其高温抗车辙性能，且大小排序为 ，与本文前述一致。灰熵关联分析基于灰熵关联分析法 ，对纤维沥青混合料的动态模量、与动稳定度的关联性进行研究。具体步骤如下：（）设为参考列，为比较列，则：（），（），（），（）（），（），（），（），（）对数据指标进行无量纲化。本文采用均值化法，将各系列变换为：图不同纤维沥青混合料动态模量主曲线对比（）（），（），（）（）（），（），（），（）逐个计算 和 中对应元素的绝对差值（）（）（）。（