基于BBR试验的纤维沥青低温性能研究

2014-01-12杨树

山西交通科技 2014年6期

杨树

（山西省公路局大同分局，山西大同 037006）

0 引言

自20世纪50年代起，纤维在沥青混合料中得到应用，纤维的掺入能够改善沥青混合料的各方面性能，且由于纤维能够在拌和站直接投入，施工工艺简单，应用前景广泛[1]。

低温开裂成为我国北方地区沥青路面的主要破坏形式之一，由于气候寒冷、昼夜温差较大，易在沥青混合料中形成较大温度应力，若该部分应力超过路面材料的极限抗拉强度，将会产生开裂破坏[2]。文献的研究成果表明纤维的掺入可明显提高沥青混合料的低温抗裂性能，木质素、聚丙烯晴和聚酯纤维中，聚酯纤维的增强作用最为明显。

纤维沥青材料在沥青混合料中起到重要的黏结作用，属于集料间的黏结介质，其性能直接对沥青混合料产生影响，因此纤维沥青的低温性能应为评价沥青路面低温抗裂性的研究基础。

为此，本文采用SHAP计划中的弯曲梁流变仪（BBR）来评价纤维沥青的低温性能，选择-18℃和-12℃两种试验温度，1%、4%、8%三种聚酯纤维掺量。为了分析纤维长度对其低温性能的影响，在4%掺量下选取3 mm、6 mm、10 mm三种纤维长度分别进行BBR试验，分析纤维掺量及长度对其低温性能的影响。

1 试验材料

1.1 沥青

沥青采用壳牌70号道路石油沥青，主要技术指标见表1。

表1 沥青主要技术指标

1.2 纤维

纤维选取山东泰安产聚酯纤维，性能参数见表2。

表2 纤维性能参数

2 试验方案设计

在纤维允许掺量范围内，随着纤维掺量的增加，纤维体积率提高，其增强效果愈明显，达到允许掺量后，纤维表面将无法被沥青完全包裹，黏结力丧失明显。且从施工角度分析，为防止拌和不均，纤维的掺量也不宜过多，因此存在合理纤维掺量问题。

以往试验研究结果表明，纤维的允许掺量一般8%（占沥青总量），由此本研究中纤维沥青设计方案见表3所示。

表3 纤维沥青设计方案

3 BBR试验

SHRP计划开发的弯曲流变仪，其研究沥青梁在蠕变荷载下的劲度模量，通过BBR试验获取两个评价沥青低温性能的参数为：a）蠕变劲度模量；b）m值，劲度模量随蠕变时间的变化率。

SHRP计划的研究结果认为，沥青的劲度模量愈大，则多呈现为脆性，愈易产生开裂破坏，而表征劲度模量随时间变化率参数m值愈大，则可理解为温度下降时材料产生收缩，其响应如同降低了沥青的劲度模量，从而使得其拉应力减少，降低了产生开裂的可能性。因此，SHRP计划规范限制60 s时的劲度模量不大于300 MPa和m值不小于0.30[3]。

采用工程梁理论计算沥青的劲度模量，其公式为[4]：

式中：S(t)为随时间变化的蠕变劲度，t=60 s；P为试件恒定荷载，980 m·N；L 为支架间距，102 mm；b为梁高，12.5 mm；h 为梁宽，6.25 mm；Δ(t)为随时间变化的变形，t=60 s。

4 试验结果分析

不同聚酯纤维掺量的纤维沥青 (长度均为6 mm)在-18℃和-12℃下BBR试验结果见图1～图4。图1、图2为不同温度下劲度模量随时间的变化关系。

图1 -18℃下纤维沥青劲度模量随时间的变化

图2 -12℃下纤维沥青劲度模量随时间的变化

从图1、图2可以看出，不同纤维掺量沥青劲度模量均随时间的增大而下降，由于在应力不变的条件下应变量随时间逐渐增大，其劲度模量必然随之下降。相同时间条件下，随着纤维掺量的增加，其劲度模量一般呈减小趋势，表明沥青的脆性降低，低温抗裂性能逐渐增强。当温度由-18℃升高至-12℃时，相同时间下纤维沥青的劲度模量明显下降，抗裂性能提升，纤维沥青的性能受沥青基质材料温感性的影响很大，与沥青的基本性质相似。

SHRP计划规定60 s时劲度模量不得超过300 MPa，可见在-18℃条件下，纤维沥青的劲度模量均不满足该规范的要求，而-12℃下纤维沥青60 s时间的劲度模量均满足不大于300 MPa的技术要求。

图3、图4为不同温度下m值随时间的变化关系。