纤维对沥青流变性能的影响研究及作用机理分析

摘要：文章研究在沥青中加入聚酯纤维和秸秆纤维，通过分子动力学模拟、基本性能测试、动态剪切流变试验和弯曲流变试验等方法，探究纤维改性沥青各组分之间的相互作用模式及流变特性，以达到沥青性能显著提升的目的。结果表明：纤维与沥青具有一定的熔融效果，秸秆纤维对沥青高温性能的提升不如聚酯纤维，而在低温性能方面表现优异；在高温条件下，聚酯纤维和秸秆纤维最佳掺量均为3%，而在低温条件下最佳掺量分别为2%和3%。

关键词：改性沥青；聚酯纤维；秸秆纤维；流变特性；作用机理

U414.1A050164

0 引言

经过国内外学者的广泛研究，提高路面材料性能是一种高效的延长使用寿命的方法，其中纤维因具有很好的稳定性和坚韧性，在提升沥青路面耐久性方面贡献较大［1］。

目前聚酯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、木质素纤维等不同性质纤维被广泛用于沥青改性［2］。2020年，东北林业大学何东坡等采用玄武岩矿物纤维来改善岩沥青低温性能不足的问题，研究报告指出玄武岩纤维掺量为6%时岩沥青高温连续分级温度仅提高1.96 ℃，而低温连续分级温度可提高4.87 ℃，即玄武岩纤维对沥青高温性能影响不大，而低温性能提升效果明显［3］；2021年河北工程大学的高颖等在探究玻璃纤维对聚乙二醇沥青混合料增强效果时发现，仅0.2%的玻璃纤维就能使动稳定度提高51%，而对低温性能和水稳定性几乎没有影响，玻璃纤维不会破坏聚乙二醇对沥青混合料的调温效果［4］；2022年周海成等从沥青基本性质指标得出，陶瓷纤维可降低沥青的温度敏感性，较小程度提升抗开裂性能，但不适宜用于低温条件，混合料指标显示陶瓷纤维可使高温变形能力和蠕变刚度得到显著提升［5］；2023年吕鹏磊等认为木质素纤维分散性好、韧性优、经济环保等优点可在沥青改性中发挥重要作用，进一步试验表明木质素纤维改性SBS沥青主要是物理共混过程，木质素纤维针管状中空结构并未有沥青流入，其脱黏和拔出效应及SBS点+线式网络结构可共同提升沥青高温性能［6］；2023年骆俊晖等认为聚丙烯腈纤维对排水沥青混合料路用性能的改善效果最明显，与不掺纤维的对照组相比，其动稳定度增加超过50%、冻融劈裂强度比增加约6%、浸水飞散损失量减少近4%，木质素纤维对排水沥青混合料路用性能的改善效果相对较差［7］。

本研究根据不同纤维改性沥青的性能差异，确定了不同适用条件的纤维类型和用量，有关成果对纤维改性沥青路面的使用具有重要的理论和实践意义［8］。

1 原材料及试样制备

1.1 原材料

本研究制备改性沥青的原材料包括90#基质沥青、秸秆纤维、聚酯纤维，经检测性能指标均满足道路用材料相关要求。

1.2 试样制备

为避免纤维在搅拌过程中损坏，试样制备先用少量纤维与沥青手动混合均匀，再按规定掺量机械搅拌。不同纤维掺量下改性沥青类型见表1。

2 试验方法及评价指标

2.1 分子动力学模拟

2.1.1 相容性

沥青和改性剂的相容性是改性沥青能否耐久的关键指标，通常采用溶解度参数（δ）来量化溶剂和溶质之间的相互作用，能较好地评估混合物的相容性，溶解度参数（δ）采用式（1）进行计算。

δ=（E/V）1/2=（Um/Vm）1/2（1）

式中：E——内聚能密度（J/mol）；

V——体积（mL/mol）；

Um——摩尔蒸发能（J）；

Vm——重复单元的摩尔体积（ml）。

2.1.2 力学性能

力学性能可以表征材料在外力作用下的抗变形能力，它会显著影响材料的制备和使用效果。为了描述沥青分子的应力-应变行为，本文使用杨氏模量（E）、体积模量（V）、剪切模量（G）等参数来模拟各向同性材料的拉伸或剪切应力，参数计算见式（2）～式（4）。

E=μ（3λ+2μ）λ+μ（2）

K=λ+23μ（3）

G=μ（4）

2.2 动态剪切流变试验

动态剪切流变试验包括温度扫描试验和多重应力蠕变恢复试验，严格按照试验规程条件和参数进行。

2.3 弯曲流变试验

本试验使用弯曲梁流变仪评估不同纤维改性沥青在-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃温度下的低温性能。

3 试验结果与讨论

3.1 分子动力学模拟分析

纤维对沥青流变性能的影响研究及作用机理分析/张永魁，左绍祥，方雪朋，汤彬彬

3.1.1 相容性分析

溶解度参数差越小表示纤维与沥青的相容性越好，溶解度参数试验结果见图1。

由图1可知，B2的溶解度参数比A大约12.6（J/cm3）0.5，C3的溶解度参数比A大约6.1（J/cm3）0.5，所以聚酯纤维与沥青的相容性比秸秆纤维更好，秸秆纤维和聚酯纤维分别在165 ℃和170 ℃时与沥青相容性最好。由于聚酯纤维和秸秆纤维的分子尺寸和结构不同，内聚能密度和溶解度参数随温度以不同的速率下降，这是溶解度参数不稳定的主要原因。

3.1.2 力学性能分析

在力学性能参数计算过程中，分别获得了A、B2和C3在不同温度下的杨氏模量（E）、体积模量（V）、剪切模量（G）等参数的模拟结果，如图2所示。

随着温度升高，沥青分子链运动的限制被解除，链段之间滑移增加，导致模量降低，三种改性沥青的基本性能指标出现一定程度的下降。B2和C3的杨氏模量（V）、剪切模量（G）明显高于A，即纤维的加入在不同程度上提高了沥青的刚度和抗剪性能，另外B2和C3的杨氏模量和剪切模量基本一致，但C3体积模量（V）明显高于B2体积模量。这是由于聚酯纤维的密度和体积模量均大于基质沥青和秸秆纤维，其增加了聚酯纤维改性沥青的刚度，降低了可压缩性。

3.2 基本性能指标分析

本研究以A作为对比对象，分析纤维改性沥青B2和C3在基本性能指标方面表现出的优势，基本性能指标见表2。

由表2可知，随着纤维用量的增加，沥青针入度逐渐降低，纤维在沥青中起到刚性组分的作用，从而增加了沥青的黏度。在延展性方面，纤维降低了沥青的5 ℃延度，基质沥青在断裂处呈针尖丝状，在没有拉力的情况下会自然断裂，而纤维改性沥青延度试验断裂面呈相对齐平的梯形，这就表明纤维的加入使沥青变得粘稠，抗变形能力提升。添加纤维后，沥青粘附在相互交叉的纤维上，高温下流动性得到抑制，所以纤维可显著提升沥青的软化点和高温稳定性。在纤维对比方面，聚酯纤维改性沥青表现出较小的针入度和延度、较高的软化点，尽管聚酯纤维对沥青的耐热性优于秸秆纤维，但在低温方面表现不佳。

3.3 动态剪切流变试验结果分析

3.3.1 温度扫描试验结果

复数剪切模量（G*）可表征沥青材料抵抗连续剪切变形的能力，不同纤维改性沥青的复数剪切模量如图3所示。

由图3的变化趋势可知，各种沥青复数剪切模量随温度的升高均呈下降趋势，其中纤维改性沥青的复数剪切模量均高于基质沥青，这是由于纤维吸收了部分应力，增加了材料的整体承载力。纤维类型和用量不同，纤维改性沥青的复数随温度的变化速率不同。在82 ℃时，聚酯纤维改性沥青的复数剪切模量随纤维的增多而增大，最大值为基质沥青的3倍左右，而随着秸秆纤维用量的增加，沥青复合剪切模量先增大后减小，在52 ℃条件时可达沥青基质的2.9倍左右。当温度低于58 ℃时，秸秆纤维改性沥青（B2）的复数剪切模量均大于聚酯纤维改性沥青（C3），当温度超过58 ℃后结论相反，这时沥青在反复剪切下变形最小。

沥青粘弹性由相位角（δ）来表征，图4为不同纤维改性沥青相位角随温度的变化趋势。由图4可知，当纤维用量较低时，相位角均随温度的升高而增大，这表明纤维加入后沥青从粘弹性逐渐变为黏性。当纤维用量进一步增加，大量沥青被吸附在纤维上，沥青流动性被抑制，这时纤维改性沥青的弹性和相位角随温度的升高呈先减小后增大的趋势。

本研究通过计算得到车辙因子（G*/sinδ）用于评价沥青高温性能，车辙因子越大，沥青在高温下对车辙的抵抗力更强。车辙因子试验结果见图5。由图5可知，随着纤维的增加，车辙因子不断增大，因此沥青对高温变形的抵抗力得到增强。70 ℃时纤维改性沥青的车辙因子均gt;1.0 kPa，这满足SHRP规范相关要求。B2和C3表现最佳的弹性、高温抗车辙性能。

3.3.2 多重应力蠕变恢复试验结果

在64 ℃对沥青进行了多重应力蠕变恢复试验，以确定其各自的不可逆柔性蠕变和变形恢复率，不可逆柔性蠕变越小表示抗高温车辙能力越强，可以弹性恢复的沥青成分越多。试验结果见图6和图7。

由图6可知，不同类型沥青在0.1 kPa加载条件下的不可逆柔性蠕变lt;3.2 kPa加载条件，这表明由于轻交通引起的不可逆变形很小，此结论可为控制车辆超载提供依据。加入纤维后，沥青的不可逆柔性蠕变迅速降低，即纤维可以显著提高沥青的耐高温老化性能。在轻交通情况下，B2和C2不可逆柔性蠕变比A（0.1 kPa和3.2 kPa的不可逆柔性蠕变分别为8.4 kPa-1和6.8 kPa-1）分别降低28倍和27倍，而在重交通条件下分别降低24倍和18倍。

图7显示，64 ℃时基质沥青的变形恢复率几乎为零，基本处于完全黏性状态。添加聚酯纤维后，沥青变形恢复率随掺量呈正比例增加，表明沥青弹性增强；添加秸秆纤维后，沥青变形恢复率随掺量增加先增大后减小。纤维用量过大使游离的沥青大幅减小，这时纤维改性沥青的变形在加载后较难恢复，C3的变形恢复率可达到42%左右。

3.4 弯曲梁流变试验结果分析

蠕变劲度模量（S）可表征沥青在一定温度和荷载下的刚度，其值越大，表明沥青越硬，在承受荷载时更容易发生低温开裂，不同纤维改性沥青的S和m试验结果见图8和图9。

由图8可知，不同沥青弯曲劲度模量随温度的降低而增加，使沥青更容易发生低温开裂。当纤维用量较低时，沥青的弯曲劲度模量均小于基质沥青，随着纤维用量的增加，纤维改性沥青的低温塑性和刚度得到增强。纤维对比方面，秸秆纤维显示出更小的弯曲劲度模量，其中B2表现出最佳的低温抗裂性。

由图9可知，沥青蠕变速率随温度的降低而逐渐减小，这表明沥青类材料在较低温度下不太可能发生变形，蠕变速率越小，就越有可能出现低温开裂。除B1以外，纤维改性沥青的蠕变速率均小于A，这表明添加纤维可显著降低低温下变形的可能性，特别是在纤维含量较高时更为突出。

本研究引入低温系数k（k=S/m）来评估沥青材料的低温性能，k值越低表示低温性能越好，图10为不同改性沥青的低温系数试验结果。由图10可知，纤维掺量较高时并不会显著改善沥青的低温性能（例如在-6 ℃条件下，C3的低温系数是A的2倍），所以纤维用量应控制在合理范围内，以确保有效的低温性能。在实际使用过程中，纤维掺量超出最佳范围可能导致混合不均和接团现象，同时沥青和纤维之间的界面层也有可能在低温下变薄，导致沥青和纤维在受到弯曲和拉伸应力时缺乏摩阻力。总的来说，秸秆纤维改性沥青在低温下性能比聚酯纤维更好。

4 结语

（1）通过分子动力学模拟可以证明纤维与沥青之间存在一定程度的相容性，纤维的加入可以改善沥青的力学性能。

（2）高温条件下进行的温度扫描试验和多重应力蠕变恢复试验表明，纤维的加入可以改善沥青的高温流变特性和抗老化性能，当聚酯纤维或秸秆纤维含量为3%时，改性效果最佳。

（3）中温条件下，纤维的加入可显著提高沥青的抗应力性能，增加失效循环荷载次数，提高了沥青的抗疲劳性能。在低温条件下，纤维的加入对蠕变性能测试结果没有明显影响，而引入的低温系数表明，聚酯纤维和秸秆纤维的最佳掺量分别为2%和3%。

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［3］何东坡，左惠宇.基于流变学的玄武岩矿物纤维改性岩沥青高低温性能研究［J］.功能材料，2020，51（9）：10 081-10 088.

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