玻璃纤维沥青胶浆高低温性能研究

杨龙飞

(邯郸市交通运输局公路工程一处 邯郸市 056001)

玻璃纤维沥青胶浆高低温性能研究

杨龙飞

(邯郸市交通运输局公路工程一处 邯郸市 056001)

针对玻璃纤维沥青胶浆的高、低温性能，采用美国SHAP研究计划中的动态剪切流变试验(DSR)和弯曲蠕变劲度试验(BBR)来评价玻璃纤维沥青胶浆的高、低温性能，并以此来确定纤维的最佳掺量。结果表明，玻璃纤维可在一定程度上改善沥青胶浆的高温性能，同时对沥青胶浆的低温性能有一定的削弱作用，但在增强沥青胶浆韧性、延缓路面开裂方面具有显著的效果；综合高温性能和低温性能的考虑，认为3%的玻璃纤维掺量是沥青胶浆的最佳掺量。

玻璃纤维；沥青胶浆；高温性能；低温性能

沥青胶浆是以矿粉为分散相分散在沥青介质中的一种微分散系[1]，在沥青混合料中起着填充和粘结的作用，胶浆理论认为沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系，而沥青胶浆是其中最为重要的组成成分，很大程度上决定了沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力[2-5]。目前，我国尚未形成专门评价沥青胶浆性能的指标与方法[6-7]，而规范中用于沥青材料性能的评价方法又无法直接应用于沥青胶浆，为此，本文借鉴美国SHRP计划的研究成果，采用动态剪切流变试验(DSR)和弯曲蠕变劲度试验(BBR)来评价玻璃纤维沥青胶浆的高、低温性能，并以此来确定玻璃纤维的最佳掺量。

1 原材料技术指标

1.1 沥青

沥青采用SBS含量为4.5%(质量分数)的壳牌I-C型SBS改性沥青，该沥青由90#基质沥青改性而来，SBS改性沥青技术指标如表1所示。

1.2 纤维材料

基于经济性和施工性能等多方面考虑，选用性价比高、性能优异的短切玻璃纤维作为本研究中沥青胶浆用纤维材料，具体技术性能和技术要求如表2所示。2 玻璃纤维沥青胶浆高温性能研究

2.1 试验方法介绍

采用动态剪切流变试验(DSR)来表征纤维沥青胶浆的高温性能，DSR可以在特定温度和加载频率下采用平行板对试样进行加载，以测定纤维沥青胶浆的流变性能。在进行高温性能测试时，采用的沥青胶浆试件厚度为1mm，同时选用直径为25mm的平行板夹具，对试件施加由空气驱动的动态交变正弦剪切荷载或剪切应变，由于纤维沥青胶浆的粘弹性材料性质，应变响应与应力响应之间存在一个滞后的相位角，如图1所示。

表1 I-C型SBS改性沥青技术指标及技术要求

表2 短切玻璃纤维技术性能和技术要求

在具体应用时，需要首先采用DSR测定纤维沥青胶浆在特定应力或应变条件下的应变或应力，以及应变相对于应力的延迟时间，并据此求出复数剪切模量和相位角，从而最终确定出纤维沥青胶浆的粘弹性能，复数剪切模量和相位角的计算公式如下：

(1)

δ=2πf·Δt

(2)

在此，定义G*/sinδ为沥青胶浆的抗车辙因子，抗车辙因子可表征纤维沥青胶浆的抗剪切性能，抗车辙因子越大说明纤维沥青胶浆就越接近弹性材料，此时沥青混合料的高温性能就越好、抗车辙能力就越强。

2.2 结果分析

根据工程经验，动态剪切流变试验选取4.8%的固定油石比，玻璃纤维掺量分别设置为0%、1%、2%、3%和4%五个等级，试验温度设置为70℃，试验测得的复数剪切模量和抗车辙因子如表3所示。

表3 玻璃纤维沥青胶浆动态剪切流变试验结果

由试验结果可知，随着玻璃纤维掺量的增加，纤维沥青胶浆的复数模量和车辙因子均呈增加趋势变化，高温稳定性显著增强，究其原因在于玻璃纤维对沥青胶浆的多向加筋功能，同时，玻璃纤维还具有吸附、稳定游离态沥青、增加沥青胶浆黏结力和提高沥青胶浆稠度的作用。

另外，由图2、图3可知，当玻璃纤维掺量大于3%时，纤维沥青胶浆的复数剪切模量和车辙因子的增幅均显著降低，此时继续增加纤维掺量对纤维沥青胶浆高温稳定性的提高将不再显著。

3 玻璃纤维沥青胶浆低温性能研究

3.1 试验方法介绍

采用弯曲蠕变劲度试验(BBR)来表征纤维沥青胶浆的低温性能，美国SHRP计划研究开发了沥青胶浆弯曲梁流变仪，用以测量纤维沥青胶浆在低温下的蠕变速率(m)和极限劲度模量(S)。该试验试验原理是借鉴工程上梁的变形理论，测量纤维沥青胶浆小梁在蠕变荷载作用下的劲度模量。SHRP计划研究人员认为当纤维沥青胶浆极限劲度模量(S)太大时，此时材料更多呈脆性，沥青混合料易出现开裂病害；而当表征纤维沥青劲度随时间变化的蠕变速率(m)越大，则表明当温度降低、路面沥青材料产生收缩变形时，沥青混合料中的粘结材料会更快地适应温度的变化，使得沥青混合料中的温度应力降低，由低温导致的开裂的可能性也随之减小。

因此，为使得沥青混合料具有良好的低温抗裂性能，SHRP计划研究成果规定60s时的蠕变速率(m)和劲度模量(S)值分别不大于0.30和300MPa。SHRP研究计划中的蠕变速率(m)和劲度模量(S)分别采用以下公式求得：

m=dlog10S(t)/dlog10(t)

(3)

(4)

式中：b为梁的宽度，mm；p为恒定荷载，N；h为梁的高度，mm；l为梁的跨距，mm；v(t)为梁中点的变形，mm。

3.2 结果分析

已有研究成果表明，在沥青混合料中掺入玻璃纤维时对沥青混合料的影响是可以忽略不计的，为此，与动态剪切流变试验相似，同样选取4.8%的固定油石比，再分别以0%、1%、2%、3%和4%五个等级的玻璃纤维掺量进行纤维沥青胶浆的弯曲蠕变劲度试验，试验温度设置为-12℃，试验结果如表4所示。

表4 玻璃纤维沥青胶浆弯曲蠕变劲度试验结果

由试验结果可知，随着玻璃纤维掺量的增加，纤维沥青胶浆劲度模量S呈增加趋势变化，而蠕变速率呈降低趋势变化，变化速率总体较缓慢，尤其是在玻璃纤维掺量为2%和3%时，沥青胶浆劲度模量S和蠕变速率m几乎保持不变；当玻璃纤维掺量为3%和4%时，劲度模量S和蠕变速率m均有较大幅度的变化，说明4%的纤维掺量相较3%的纤维掺量，纤维沥青胶浆的低温性能有较大的降低。虽然玻璃纤维的掺加在一定程度上降低了沥青胶浆的低温性能，但在玻璃纤维掺量不高于3%时，沥青胶浆的低温性能总体降幅较小。另外，玻璃纤维具有很强的延伸性能，可以改善沥青胶浆内部的应力分布，同时还具有良好的阻裂效果，这样就使得低温下纤维沥青胶浆仍具有很强的增韧效果，当路面产生裂缝时可以延缓裂缝的扩展速度。

4 结论

(1)玻璃纤维可在一定程度上改善沥青胶浆的高温性能，同时对沥青胶浆的低温性能有一定的削弱作用，但在增强沥青胶浆韧性、延缓路面开裂方面具有显著的效果；

(2)当玻璃纤维掺量大于3%时，玻璃纤维对沥青胶浆高温性能的改善作用趋于减缓，同时对沥青胶浆低温性能的削弱作用显著增强，因此，综合高温性能和低温性能的考虑，认为3%的玻璃纤维掺量是沥青胶浆的最佳掺量。

[1] 叶群山.纤维改性沥青胶浆与混合料流变特性研究[D].武汉：武汉理工大学,2007.

[2] 刘丽,郝培文,肖庆一,等.沥青胶浆高温性能及评价方法[J].长安大学学报(自然科学版),2007,27(5):30-34.

[3] 彭波,丁智勇,戴经梁.不同类型沥青胶浆路用性能对比[J].交通运输工程学报,2007,7(3):61-65.

[4] 宋云祥,韦佑坡,李玉梅,等.玄武岩纤维沥青胶浆的路用性能[J].公路交通科技,2012,29(8):15-19.

[5] 邵显智,谭忆秋,邵敏华,等.沥青胶浆微观界面的研究[J].公路,2003(12):105-109.

[6] 邹桂莲,张肖宁,韩传代.应用DSR评价沥青胶浆路用性能的研究[J].哈尔滨建筑大学学报,2001,34(3):112-115.

[7] 马慧莉.无机填料对沥青胶浆力学性能影响的细观力学分析[D].长春：吉林大学,2013.

Study on High and Low Temperature Performance of Glass Fiber Asphalt Mortar

YANGLong-fei

(Highway Engineering Department One of Handan Traffic and Transportation Bureau, Handan 056001，China)

In the light of high and low temperature performance of glass fiber asphalt mortar, the dynamic shear rheological test (DSR) and flexural creep stiffness test (BBR) researched in the United States SHAP plan were used to test high and low temperature performance of glass fiber asphalt mortar, to determine the optimal amount of fiber. The results showed that the high temperature properties of asphalt mortar can be improved to a certain extent by the glass fiber, while the low-temperature performance of asphalt mortar is weakened, but in the reinforced asphalt mortar toughness, having a significant effect on delaying pavement cracking; Comprehensive performance of high temperature and low temperature performance considerations, the content of 3% is the best content of asphalt mortar of glass fiber.

Glass fiber；Asphalt mortar; High temperature performance; Low temperature performance

1673-6052(2016)11-0068-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.019

U414.01

A