不同纤维沥青胶浆抗剪切性能试验研究

章汪琛， 扈惠敏*， 熊 亮， 黄 欢

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院， 合肥 2300092； 2.安徽省交通控股集团有限公司， 合肥 230009)

在交通荷载及环境的作用下,即使是道路使用的初期,沥青路面也可能出现裂缝、车辙等病害。在沥青路面中掺入纤维增强材料,对沥青路面的路用性能影响显著,尤其是改善高温性能的作用明显,使其满足环境变化和重载交通的要求[1-2]。目前应用于实际工程中的纤维以玻璃纤维、木质素纤维、聚合物纤维、矿物纤维为主。对于纤维材料的路用性能研究主要体现于两个方面:纤维沥青胶浆的性能及纤维沥青混合料的性能。中国的纤维沥青混合料于21世纪初开始研究,研究内容以纤维沥青混合料的抗疲劳特性、高温及低温性能为主。掺入的纤维以聚合物纤维(聚酯纤维等)为主,近几年也开展了矿物纤维的研究,如玄武岩纤维[3]。通过研究，沥青路面中掺入纤维能够提高路面模量、提升低温性能及改善高温抗车辙性能[3-7]。对于沥青混合料性能的研究中沥青胶浆尤为重要,但是对于纤维沥青胶浆的研究内容相对较少。对纤维沥青胶浆的研究多采用简支梁弯曲蠕变试验(BBR)测定车辙因子及劲度和动态剪切流变试验(DSR),探究掺入纤维对胶浆材料高温及低温性能的影响[7-8]。也有研究者通过测力延度试验探究沥青胶浆的低温性能[9].虽然纤维可提升沥青路面各方面的路用性能,但在路面工程中,应用最多的还是提高沥青混合料的高温抗车辙性能,故多用于城市道路的交叉口或公路的长大纵坡路段[10-11]。纤维沥青胶浆的抗剪切性能对沥青混合料的高温抗车辙性能影响较大。对沥青胶浆性能的研究,提出采用直剪试验,探究不同纤维沥青胶浆的抗剪切力学性能,进而深入认知纤维沥青混合料的高温性能,并对比不同纤维及纤维的掺加方式对沥青胶浆高温性能的改进效果。依据纤维胶浆剪切试验,探究胶浆力学参数黏聚力C和内摩阻角φ的变化规律,结合微观试验,分析纤维对胶浆及混合料的改性效果及机理。

1 纤维性质

1.1 纤维基本物理力学性质

为对比研究,试验采用的纤维有三种:碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维。聚酯纤维横截面为圆形,多呈乳白色,表面光滑,有珠光,具有低吸湿性，是一种高聚物纤维,其大分子链通过脂基使各链节相互连接。玄武岩纤维通过高温熔融(1 450～1 500 ℃)天然玄武岩石料得到,纤维整体呈现褐色,部分呈现为金色。玄武岩纤维强度较高,抗腐蚀好、耐高温性能强,具有电绝缘性能。碳纤维(carbon fiber,CF),强度高、模量高，含碳量95%以上,是新一代的增强纤维材料。碳纤维由有机纤维(片状石墨微晶等)沿纤维轴向方向堆砌,并经过碳化及石墨化处理后得到的微晶石墨材料,模量高、耐腐蚀好。纤维主要技术指标如表1所示。

表1 纤维主要技术指标Table 1 Main technical index of fiber

三种纤维中抗拉强度：碳纤维抗拉强度最高，其次为玄武岩纤维，聚酯纤维抗拉强度最低，且碳纤维、玄武岩纤维的抗拉强度是聚酯纤维的4～5倍。

1.2 纤维耐热性试验

沥青混合料在拌合及摊铺的过程中的温度是很高的，通常在160～190 ℃,这就对纤维的耐热稳定性提出了很高的要求。在纤维的选用时，应可考虑高温对纤维化学及物理性能扰动情况。对纤维在高温受热时的形态变化进行观测。为降低拌和过程沥青的当量高温老化条件与试验条件偏差，试验条件设为163 ℃下持续5 h，将纤维在163 ℃恒温烘箱中放置5 h。5 h后从烘箱中取出，观察其表面形态变化(图1～图3)，再称量其质量变化(表2)。

图1 聚酯纤维加热前后对比Fig.1 Polyester fibers before and after heating

图2 玄武岩纤维加热前后对比Fig.2 Basalt fibers before and after heating

图3 碳纤维加热前后对比Fig.3 Carbon fibers before and after heating

表2 纤维耐热性质量变化Table 2 Quality changes in the test of heat-resistant properties

聚酯纤维在经过5 h的高温后，颜色发生明显变化，加热前呈乳白色光泽，加热后色泽较深，呈现焦红色，端口出现明显焦糊状。玄武岩纤维和碳纤维在加热前后形态、颜色体积等指标基本不发生变化。

三种纤维在加热前后质量基本未发生改变。玄武岩纤维及碳纤维耐热性能较好，且在沥青混合料的拌和过程中性质不会出现变化，而取样聚酯纤维的耐热性能相对较弱，使用时根据耐热性试验结果合理确定纤维类型或拌和温度。

1.3 纤维吸湿性试验

吸湿性对沥青混合料水稳性能其影响较大。具有高吸湿性的纤维，混合料内部易侵入外界水分，从而造成混合料中沥青与纤维交界面造成湿胀和侵蚀，导致矿料与沥青直接发生界面剥离，削弱混合料水稳性。试验方法：分别称取干燥的碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维若干质量，将其放入洁净的搪瓷盘中，再将其置于养护室中调整规定温度和湿度，温度20 ℃，相对湿度90%。7 d后取出纤维，称取其质量，再与养护前的质量进行比较，计算其吸湿率(表3)。

表3 纤维吸湿性试验Table 3 Results of fiber hygroscopicity test

吸湿率试验结果显示，碳纤维的吸湿率最大,玄武岩的吸湿率最小，玄武岩的吸湿率小于聚酯纤维。

1.4 纤维吸湿性与沥青混合料水稳定性相关性

为探究纤维吸水性与沥青混合料水稳定性的相关性，采用冻融劈裂试验。试件双面击实50次，试验方法依据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)。

混掺纤维沥青混合料(玄武岩纤维+聚酯纤维)的残留强度比提高19.3%，玄武岩纤维提高15.5%，聚酯纤维增幅最小，提高了4.0%。

冻融试件中掺入纤维后测定的劈裂强度比均有所提高(表4),说明纤维的掺加可提高沥青混合料的水稳定性,但不同纤维的提升效果不同。玄武岩纤维沥青混合料水稳定好于聚酯纤维，与其吸湿性小、强度高有关，与纤维的性质具有一致性。

表4 冻融试验劈裂强度比Table 4 Splitting intensity ratio of freeze-thaw test

2 纤维沥青胶浆性能

2.1 试验方法与方案

2.1.1 试验方法

沥青胶浆作为沥青混合料的重要组成部分，能够直接影响混合料性能，提高胶浆性能能够有效改善混合料性能。沥青混合料、沥青胶浆作为重要的土工材料，属于颗粒性材料范畴，其剪切强度符合摩尔库伦定律。

τf=C+σtanφ

(1)

式(1)中：τf为剪切强度，MPa；C为黏聚力，MPa；φ为内摩阻角。

沥青混合料的车辙病害属于剪切破坏。沥青胶浆的抗剪强度的高低，直接影响沥青混合料的抗剪切性能的优劣，即高温抵抗车辙的能力。采用直剪实验探究不同纤维胶浆的抗剪强度，并分析其抗剪性能中黏聚力C、内摩阻角φ。试验采用应变控制式直剪仪，试验方法参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2017)。试验时采用的垂直压力σ分别为50、100、150、200 kPa。试验温度25 ℃。采用内径为70 mm的环刀制作沥青胶浆试件。由于沥青胶浆易变形，且剪切强度不高，如果采用土体的剪切速率会导致实验数据过小，影响试验精度，故采用8 mm/min的剪切速率。试验过程中搅拌纤维沥青胶浆状态如图4所示，试验成型的试件如图5所示。

图4 搅拌状态下纤维沥青Fig.4 Fiber asphalt mastic under mixing condition

图5 纤维沥青胶浆试件Fig.5 Fiber asphalt mastic specimens

2.1.2 试验方案

沥青胶浆中加入的纤维分别有碳纤维、玄武岩纤维及聚酯纤维，采用单掺和混掺两种方式，纤维沥青胶浆的具体技术参数如表5所示。

表5 纤维沥青胶浆技术参数Table 5 Technical parameters of fiber asphalt mastic

2.2 试验结果

2.2.1 剪切强度

试验过程中，采集不同纤维沥青胶浆的剪切位移与剪应力数值，得到不同纤维沥青胶浆的剪应力与剪切位移关系曲线(图6～图8)。

图6 聚酯纤维胶浆剪应力与剪切位移关系曲线Fig.6 Curves of the shear stress and the shear displacement of polyester fiber mastic

图7 玄武岩纤维胶浆剪应力与剪切位移关系曲线Fig.7 Curves of the shear stress and the shear displacement of basalt fiber mastic

图8 聚酯纤维+玄武岩纤维沥青胶浆剪应力与剪切位移关系曲线Fig.8 Curves of the shear stress and the shear displacement of polyester fiber and basalt fiber asphalt mastic

掺入纤维后沥青胶浆测定的抗剪强度显著提高(表6)，三种单掺的纤维沥青胶浆测定的抗剪强度比不掺纤维的普通沥青胶浆提高1.81～2.83倍。对比三种测定结果，不同纤维的提升强度不同，聚酯纤维提升最高，其次是碳纤维，玄武岩纤维提升最低，聚酯纤维、碳纤维胶浆的抗剪强度比较接近。

表6 不同纤维沥青胶浆的抗剪强度Table 6 Shear strength of fibers asphalt mastic

玄武岩纤维+聚酯纤维混掺的效果明显优于所有单独掺加纤维的胶浆，与不掺纤维的胶浆相比,其抗剪强度提升3.83倍。

2.2.2 黏聚力C和内摩阻角φ

按照库伦公式τf=C+σtanφ，绘制τf-σ曲线(图9)，计算抗剪强度参数黏聚力C和内摩阻角φ。

图9 纤维沥青胶浆τf-σ曲线Fig.9 τf-σ curve of fiber asphalt mastic

在τf-σ曲线中，直线的截距为C，直线斜率为内摩阻角φ。不同纤维沥青胶浆的C、φ如表7所示。

表7 纤维沥青胶浆内摩擦角及黏聚力Table 7 Internal friction angle and cohesive force of fiber asphalt mastic

纤维沥青胶浆的内摩擦角、黏聚力均大于未掺加纤维的沥青胶浆。内摩擦角增大0.4～0.8倍，黏聚力增大0.8～3.5倍。三种单掺纤维胶浆内摩擦角增大程度相差不大。碳纤维和聚酯纤维沥青胶浆黏聚力增加明显，大于玄武岩纤维。

聚酯纤维和玄武岩纤维混掺在一起的纤维沥青胶浆的内摩擦角和黏聚力为三个试验组中最大的，聚酯纤维和玄武岩纤维混掺对改善沥青胶浆的抗剪性能效果最好。

纤维沥青胶浆抗剪强度的提升原因是黏聚力C和内摩阻角φ的增大,但主要是黏聚力C的增大,其对抗剪强度的贡献率约为78%。

2.3 机理分析

沥青胶浆中掺入单种纤维时，聚酯纤维的抗剪强度最强，测定的结果中C、φ都明显增大，尤其是C提高明显，从而提高了沥青胶浆的高温性能。

当纤维用量相同时，聚酯纤维+玄武岩纤维混掺的沥青胶浆在所有掺加方式中(包括单掺与混掺)，其内摩擦角及黏聚力都是最大的，剪切强度也是最高的。这与两种纤维与沥青的黏附方式有关。由图10可知，聚酯纤维的优点是更容易黏附沥青胶浆；玄武岩纤维的沥青黏附量较少，但玄武岩纤维强度高，其加劲效果明显。两种纤维混掺，很好地发挥了各自优势，效果最佳。

图10 纤维与沥青的黏结状态Fig.10 Bond state of fibers and asphalt

3 纤维沥青混合料的高温性能

根据沥青胶浆的试验结果，选用聚酯纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维+玄武岩纤维混掺三种形式开展纤维沥青混合料的路用性能研究，重点是与抗剪强度相关的高温稳定性。

沥青路面的高温稳定性指的是沥青混合料在荷载的作用下抵抗永久变形的能力，评定沥青混合料高温稳定性采用车辙试验的结果，测定混合料中不同纤维及混掺形式的动稳定度。试验仪器采用车辙仪，温度控制为60 ℃。方法依据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，结果如表8所示。

表8 车辙试验结果Table 8 Results of of rutting test

沥青混合料中纤维的掺入对动稳定度提高显著，掺入聚酯纤维、玄武岩纤维测定的动稳定度比不掺纤维分别提高了8.2%、20.6%，两种混掺纤维，即聚酯纤维+玄武岩纤维测定的动稳定度最高，比不掺纤维提高了103%。这和沥青胶浆抗剪强度试验的规律是一致的。

4 结论

(1)掺入纤维后沥青胶浆测定的抗剪强度显著提高，三种单掺的纤维沥青胶浆测定的抗剪强度比不掺纤维的普通沥青胶浆提高1.81～2.83倍。对比三种测定结果，不同纤维的提升强度不同，聚酯纤维提升最高，其次是碳纤维，玄武岩纤维提升最低，聚酯纤维、碳纤维胶浆的抗剪强度值比较接近。玄武岩纤维+聚酯纤维混掺的效果明显优于所有单独掺加纤维的胶浆，与不掺纤维的胶浆相比,其抗剪强度提升3.83倍。

(2)纤维沥青胶浆的内摩擦角、黏聚力均大于未掺加纤维的沥青胶浆。内摩擦角增大0.4～0.8倍，黏聚力增大0.8～3.5倍。聚酯纤维和玄武岩纤维混掺胶浆的内摩擦角和黏聚力都是最大。纤维沥青胶浆抗剪强度的提升原因是黏聚力C和内摩阻角φ的增大,但主要是黏聚力C的增大,其对抗剪强度的贡献率约为78%。

(3)沥青混合料中纤维的掺入对动稳定度提高显著，掺入聚酯纤维、玄武岩纤维测定的动稳定度比不掺纤维分别提高了8.2%、20.6%，两种混掺纤维，即聚酯纤维+玄武岩纤维测定的动稳定度最高，比不掺纤维提高了103%。这和沥青胶浆抗剪强度试验的规律是一致的。

(4)冻融试件中掺入纤维后测定的劈裂强度比均有所提高,说明纤维的掺加可提高沥青混合料的水稳定性,但不同纤维的提升效果不同。玄武岩纤维沥青混合料水稳定好于聚酯纤维，与其吸湿性小、强度高有关，与纤维的性质具有一致性。