聚酯纤维沥青混凝土动态参数与相位角研究

2016-11-15张慧斌

山西交通科技 2016年6期

张慧斌

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

交通荷载的逐年增大，对沥青路面的路用强度提出了更高的要求。为了提高沥青混凝土的路用性能，向其中加了各种加筋材料，大量国内外研究学者发现，聚酯纤维的加入不仅可以改良沥青胶浆的路用性能，而且对沥青混凝土的路用性能有所改善[1]。在沥青混凝土中加入纤维作为一种加筋材料，由于材料的连续性，纤维与纤维之间存在相互作用的力，以及纤维与沥青混凝土之间也存在复杂的相互作用，这种相互作用对沥青混凝土的物理指标、路用性能、动态性能甚至疲劳性能都有不同程度的影响。目前试验研究表明，聚酯纤维能阻止裂缝的进一步扩展，减小路面车辙的进一步流动变形以及延缓疲劳破坏[2]。此外，加筋材料改善沥青混凝土的动态性能以及其疲劳性能的机理研究也取得一定的成果，但是通过对动态参数和相位角的研究进而来研究纤维沥青混凝土的变形性能以及低温抗疲劳性能的研究较少，为了更好地让聚酯纤维充分发挥其加筋作用，本论文从动态参数以及其低温抗疲劳性能两个方面进行了试验研究。

1 试验材料

本试验中的沥青结合料采用了AH-90号沥青，其各项物理技术指标参见表1。由试验表明，聚酯纤维、木纤维、玻璃纤维都可以作为加筋材料加入沥青混凝土中，但力学性能最好的却是聚酯纤维[3]。进一步探究纤维对沥青混凝土的影响，本试验采用的聚酯纤维的物理参数长度为 1 100 μm，直径为45 μm，熔点为248℃。为了研究混凝土的性能与聚酯纤维掺量的相关性，设计了纤维掺量为0%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的5种纤维混凝土。沥青混凝土的集料级配采用AC-13级配中值。纤维沥青混凝土的最佳油石比利用马歇尔试验确定。

表1 沥青AH-90的物理参数

2 动态模量试验

2.1 试验原理与方法

动态模量用来描述沥青混凝土的黏弹性性质，它描述的范围比较广，无论是线性还是非线性材料的黏弹性性质，反映了蠕变和松弛特性。动态模量的大小和静态模量的大小计算方式相同，均等于应力幅值与应变幅值的比值。试验试件利用静压法成型，成型过程严格参照《公路工程沥青及沥青混合料试验》试验教程，其中成型试件的尺寸为直径和高100±2.0 mm的圆柱体。对试件进行荷载试验时，针对不同的纤维掺量均成型4个试件做平行试验，控制试验温度在20℃，动态模量的测试方法选择Superpave简单性能试验方法。试验加载的方式采用控制应力的方式，加载波形选择频率为10 Hz的半正弦进行连续加载。对试件先后施加0.7 MPa和0.5P，其中P为试件的极限抗压强度，荷载的加载时间取40 s，最后取0.5P对应的模量值为动态模量。试验加载时先施加0.7 MPa的荷载，然后在施加0.5P的轴向荷载，并做好相关的试验记录。

2.2 不同纤维掺量对马歇尔试验结果的影响

由于聚酯纤维这种材料本身会吸附沥青混凝土中的沥青，因此纤维的不同掺量对应的油石比也不尽相同。通过马歇尔试验，可以确定不同纤维掺量下的最佳油石比。马歇尔试验得到不同纤维掺量下的不同的物理指标试验结果，如表2与图1所示。

表2 纤维掺量对试验结果的影响

图1 不同纤维掺量的最佳沥青用量和稳定度

分析表2和图1可知，当聚酯纤维的掺量逐渐增加时，沥青混凝土对沥青的需求量逐渐增大，表现为最佳沥青量变大，由于空隙率增大，由此毛体积的密度会相应地减小，流值变大。而沥青混凝土的稳定度在纤维掺量为0.2%时，达到最大，这表明纤维的掺量存在一个最佳量值。纤维掺入沥青混凝土之后，由于纤维的比表面积大于集料，于是会吸附更多的沥青，因此纤维沥青混凝土的最佳沥青用量会增加。纤维的密度相比集料要轻得多，因此纤维的掺入降低了沥青混凝土的密实度，其毛细体积也会随着纤维掺量的增加而减小。但纤维的掺量也有量的限制，若纤维的掺量超过0.2%时，纤维混凝土的稳定度不仅不随纤维掺量的增加而增加反而还会减小。

2.3 动态试验结果分析

在不同的纤维掺量下，动态抗压试验下动、静态模量的试验结果如表3所示。

表3 不同纤维掺量沥青混凝土的动静态模量试验结果

图2 不同纤维掺量的动、静态模量

分析表3、图2发现，纤维沥青混凝土的密度随着纤维掺量的增加逐渐变小，抗压强度随着纤维掺量的增加先增大后减小，并且纤维沥青混凝土动静态模量都呈现类似变化。由表3可以发现当纤维掺量为0.2%时，混凝土的抗压强度达到最大值。而且纤维掺量对沥青混凝土的静态模量有优化的作用，当纤维的掺量较小时，静态模量随着纤维掺量的增大而增大，而当纤维掺量0.25%这个临界值时，纤维混凝土的静态模量此时取最大值，当超过这个临界值时，纤维混凝土的静态模量不但不增加反而减小。但是分析表3和图2可知，纤维混凝土的静态模量始终大于普通混凝土的静态模量，这表明纤维的加入提高了混凝土的静态模量。同理，纤维沥青混凝土的动态模量的变化规律与静态模量类似，当纤维掺量为0.2%时，纤维混凝土的动态模量值达到最大值。当聚酯纤维的掺量增加到0.3%时，动态模量值下降的幅度最大，此时动态模量值和普通混凝土的动态模量几乎相同，表明此时纤维的加筋效果不明显。

即使是在相同纤维掺量的条件下，动态模量与静态模量的值也并不相同，而且动态模量值大于静态模量，大约是其的1.5～2倍。这是由于在静载作用下，沥青混凝土不仅可以发生弹性范围的瞬时变形，还会发生流动性的黏性变形，材料的变形会更加的充分。而对于动态模量，由于试验中受到的是周期性的脉冲荷载，材料的变形来不及完全产生黏性变形，主要变形也是发生在弹性范围内的瞬间变形。材料的变形反应不充分，宏观反应出来的就是模量值增大。由动静态模量随纤维增加的变化规律可以发现，纤维的加入，不仅在某一个程度上对沥青混凝土的黏性有所减小，而且沥青混凝土的弹性得到增加，所以材料表现出来的就是动静态的模量得到加强。

纤维沥青混凝土的动态模量不仅与纤维掺量相关，还与试验的应力值相关，不同掺量的纤维混凝土的动态模量在应力幅值为0.7 MPa和0.5P下的动态模量值变化关系如图3所示。

图3 不同纤维掺量的混凝土动态模量与应力幅的关系

参考图3可知，在加载频率控制在10 Hz的前提条件下，不论是普通混凝土还是纤维混凝土的动态模量值都随着应力幅值的增大而相应地增大，应力幅值为0.5P的动态模量相对于应力幅值为0.7 MPa的动态模量增加了大约18%，这表明纤维沥青混凝土的动态模量对应力有一定的依赖性。试验过程中，首先向试验试件施加0.7 MPa的轴向荷载，此时相当于可以对试件进行一个压实的过程，接着再对试件施加0.5P的荷载，在这一前一后的加载过程中，试件的动态模量变化较大。这是由于先加的0.7 MPa荷载相当于对试件进行了一个压实作用，骨架结构相对密实，故动态模量增大。对于普通沥青混凝土，当荷载为0.5P时的动态模量是远远大于前荷载作用下的静态模量。而对于纤维沥青混凝土的动态模量在荷载为0.5P时是0.7 MPa的1.18倍，纤维的加入让沥青混凝土对应力幅值的相关性变小，相同的应力条件下，纤维沥青混凝土的动态模量增加小于普通沥青混凝土。

2.4 动态模量与纤维掺量的关系

由以上研究表明，纤维混凝土的动态模量与纤维的掺量有很大的关系，在频率相同的条件下，利用表3的数据可以大概得到动态模量与纤维掺量的关系，图4所示。

图4 动态模量与纤维掺量的关系

观察图4可得，动态模量与纤维的掺量呈非线形的相关性。根据国内外研究者通过对纤维沥青混凝土的路用性能的研究，从而确定出来纤维的掺量最佳范围是0.1%～0.4%[4],因此纤维的掺加量无论是过小还是过大都不会对沥青混凝土有加筋的作用。经过本研究发现，为了达到纤维对沥青混凝土最好的加筋作用，纤维的掺量为0.2%～0.3%为宜。

3 相位角对疲劳性能影响研究

前面研究了不同掺量的纤维对动态模量有很大的影响，除此之外，不同掺量的纤维对沥青混凝土的疲劳性能也有很大影响。由于相位角可以反映沥青的疲劳性能，故本论文从相位角的角度研究了在不同纤维掺量下，沥青疲劳性能的影响。在沥青混凝土的使用过程中，由于材料的力学性能以及外界荷载等各种因素会导致沥青混凝土内部的骨料以及在整个沥青胶结料中出现微小的裂纹和微小的孔洞疲劳损伤[5]，而一旦这些微裂纹与微孔洞扩展，沥青混凝土就容易出现疲劳破坏。

国内外许多学者研究表明，纤维的掺入可以阻止裂缝的扩展与延伸，进而对沥青混凝土的疲劳破坏以及抗老化有一定的改善作用。相位角是一个能够反映沥青混凝土疲劳性能的物理指标，相位角通过对混凝土材料的弹性与黏性的分析，反映了材料受到反复荷载时的疲劳性能。

间接拉伸疲劳试件采用旋转压实法成型，尺寸取φ150×38 mm，在间接疲劳试验研究中聚酯纤维的掺量为0%、0.25%。最佳油石比由表2可知，普通沥青混凝土为5.22%，0.25%纤维沥青混凝土为5.43%。通过相位角研究疲劳性能试验时采用不同频率的半正弦波加载（荷载的频率值可采用0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz等），应力比值分别采用0.3P、0.4P、0.5P。试验的温度可以分别设定在-10℃、5℃、15℃、40℃，为了保证试验的精确性，每个试件必须放在保温箱一段时间，以确保试件内部与外部的温度一致。

3.1 相位角研究

相位角是表征混凝土弹性与黏性的一个指标，通过相位角的大小可以判断混凝土材料弹性与黏性的大小。研究表明，当材料是完全弹性时，其相位角的大小是0，当材料是完全黏性材料时，相位角的大小为90°。图5是普通沥青混凝土与掺量为0.25%的纤维混凝土的相位角随着频率与温度的变化曲线。

图5 纤维对沥青相位角的影响

分析图5可知，不仅试验温度，而且加载频率对相位角的影响都很大。当试验温度控制在15℃以下，沥青混凝土的相位角与温度呈正相关，与加载频率负相关，即温度增加，加载频率减小而相位角增大，相位角增大，相应的黏性也增加。当试验温度达到40℃时，沥青混凝土的相位角随着频率的增加而增大，不同掺量的纤维混凝土以及普通混凝土的相位角都会随着频率的增加而减小。由于低温高频（-10℃）时，沥青混凝土的力学性能主要由沥青的胶结料发挥，骨料的作用相对较小；但在高温低频（40℃）时，由于高温的原因，沥青混凝土的胶结料逐渐软化，沥青混凝土的主要工程性能是由集料来决定的，而集料本身是一种弹性材料，由此相位角会降低。聚酯纤维的加入，只在试验温度较常温有比较大区别，比如-10℃、40℃时，相位角才有明显的变化；低温时（-10℃）聚酯纤维的加入让混凝土黏性增加，表现出来相位角增大，有利于阻止疲劳裂缝的产生与延展；高温时（40℃），纤维的加入相位角减小，表明材料的弹性能力增大，提高了纤维混凝土抵抗变形的能力。综述，纤维作为加筋材料加入沥青混凝土中也改善了沥青混凝土的疲劳性能。