改性沥青弹性恢复原始记录(纤维沥青胶浆蠕变流变特性研究)

Posted 2023-05-27

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改性沥青弹性恢复原始记录(纤维沥青胶浆蠕变流变特性研究)

纤维沥青胶浆蠕变流变特性研究

刘奇韬

中国葛洲坝集团公司宜昌基地管理局湖北宜昌 443002

摘要：蠕变是当应力为一恒定值时，应变随时间逐渐增加的现象，本文针对改性沥青延迟弹性变形及其回复能力进行重复蠕变回复试验，试验结果表明：对于MiberⅠ纤维，随其掺量的增加，沥青胶浆的蠕变变形回复率不断提高；在较高温度下（64~76℃），MiberⅠ纤维的改善效果优于玄武岩纤维。

关键词：纤维沥青胶浆；蠕变流变；特性研究

沥青胶浆蠕变试验采用动态剪切流变仪(DSR)进行，首先对沥青胶浆在很短的时间内施加剪切应力至一个恒定值，在保持剪切应力一段时间后再卸载，记录沥青胶浆在整个试验阶段产生的剪切应变随时间的变化。沥青胶浆剪切蠕变试验的加、卸载过程（加载1s、卸载9s），以模拟实际路面的应力加载及变形发展过程。

1.试验内容

本文将试验温度设定为58℃、64℃、70℃和76℃，采用DSR进行重复蠕变回复试验，试验采用应力控制模式，应力水平为100Pa，并确保蠕变试验在粘弹性范围内进行。试验过程为：加载1s，卸载9s的重复加载方式对试样试验100个循环。对基质沥青及几种纤维沥青胶浆（纤维掺量为6%）的试验结果见表1。

表1 沥青胶浆加载总变形与永久变形

温度/℃	胶浆类型	加载总变形	永久变形	变形回复率/%
58	基质沥青	0.1444	0.1298	10.11
	2%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.1699	0.1489	12.36
	4%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.1496	0.1289	13.84
	6%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.1471	0.1286	13.58
	8%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.1302	0.1111	14.67
	6%聚酯纤维+基质沥青	0.0326	0.0013	96.01
	6%玄武岩纤维+基质沥青	0.0436	0.0268	38.53
64	基质沥青	0.3111	0.2860	8.07
	2%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.3008	0.2710	9.91
	4%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.2987	0.2689	9.98
	6%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.2780	0.2491	10.40
	8%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.2520	0.2192	13.02
	6%聚酯纤维+基质沥青	0.0443	0.0017	96.16
	6%玄武岩纤维+基质沥青	0.0758	0.0426	43.80
70	基质沥青	0.7205	0.6745	6.38
	2%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.6232	0.5715	7.30
	4%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.6117	0.5786	8.41
	6%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.5093	0.4656	8.58
	8%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.4840	0.4336	10.41
	6%聚酯纤维+基质沥青	0.0378	0.0007	98.15
	6%玄武岩纤维+基质沥青	0.1420	0.0801	43.59
76	基质沥青	1.3010	1.264	2.84
	2%MiberⅠ纤维+基质沥青	1.083	1.032	4.71
	4%MiberⅠ纤维+基质沥青	1.1150	1.0670	5.30
	6%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.9660	0.9008	6.75
	8%MiberⅠ纤维+基质沥青	0.8860	0.8012	9.57
	6%聚酯纤维+基质沥青	0.0982	0.0558	43.18
	6%玄武岩纤维+基质沥青	0.2180	0.1276	41.47

2.试验结果分析

由表1可以知：（1）对于各种温度条件下的沥青胶浆蠕变过程，荷载施加的初始瞬时，沥青胶浆会产生瞬时弹性变形，并且随着时间的推移粘弹性变形逐渐累积，直至卸载时达到总蠕变变形量，卸载之后，沥青胶浆的瞬时弹性变形消失，迟滞弹性变形则随时间逐渐恢复，直至最后剩下不可恢复的残余变形。（2）基质沥青和纤维沥青胶浆的蠕变变形发展趋势基本一致。各种纤维掺入后，均能在一定程度上改变沥青的粘弹性质，主要表现为加载阶段蠕变总变形减小和永久变形的减小。例如在64℃，100Pa剪切应力条件下，基质沥青的加载总变形和变形回复率为0.3111和8.07%；掺入6%MiberⅠ纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维后，沥青胶浆的加载总变形分别为0.2780、0.0443和0.0758，变形回复率分别为10.40%、96.16%和43.80%。可见，与基质沥青的蠕变变形相比，纤维沥青胶浆的蠕变变形大大减小。因此，纤维能够降低沥青胶浆的总蠕变变形，从而有效改善沥青胶浆的抗永久变形能力。（3）不同温度下各种沥青胶浆蠕变试验加载阶段的总变形与永久变形。在4种温度下，6%掺量的各种纤维对沥青胶浆的作用效果排序为聚酯纤维＞玄武岩纤维＞MiberⅠ纤维，表明聚酯纤维对沥青胶浆的蠕变性能的影响最大；且对于MiberⅠ纤维，随其掺量的增加，沥青胶浆的蠕变变形回复率不断提高。（4）随着温度的提高，基质沥青和纤维沥青胶浆的加载总变形不断增大，体现出纤维材料作为典型的粘弹性材料，具有明显的感温性。整体而言，纤维加入到沥青中后，不但有效降低了沥青的蠕变总变形，而且可以提高变形恢复率。降低沥青蠕变总变形和提高变形恢复率均能有效改善沥青混合料的抗永久变形的能力。

对于模型中粘弹性参数的确定，主要采用数学迭代的方法。根据蠕变试验结果，应用Origin软件提供的非线性拟合方法，使力学模型的理论结果与试验实测结果达到最佳拟合效果，得到力学模型中的各个参数值。由拟合结果可知：（1）模型参数拟合结果的相关性极好，表明采用修正Burgers模型来研究纤维对沥青胶浆粘弹性的影响是可行的。（2）基质沥青和几种纤维沥青胶浆的修正Burgers模型中的E1、E2和23个参数随温度的升高而减少，表明沥青和沥青胶浆具有显著的感温性，即其弹性和粘性随着温度的升高而降低，此与前述沥青和沥青胶浆的复数剪切模量随着温度的变化规律是一致的，但该模型中的A和B参数则无规律可循。（3）将各种纤维掺入到沥青中后，纤维沥青胶浆的修正Burgers参数均有不同程度的提高，表明纤维加入到沥青中后，提高了沥青的弹性性能和粘性性能，即改善了沥青的高温抗车辙性能。特别是当掺入聚酯纤维后，胶浆在58℃和64℃时的E1、E2和2值分别是基质沥青的2.61倍、37.30倍、4.43倍和2.55倍、73.43倍、5.11倍，可见其对沥青胶浆的流变特性的改善作用贡献巨大。同时，就MiberⅠ纤维而言，随着该纤维掺量的增加，模型的3个参数亦增加，表明掺量对沥青胶浆的流变特性具有重要影响，此与该纤维的在沥青中的增粘、增弹作用密切相关。（4）不同纤维对沥青胶浆流变特性的影响程度不同。就E2和2指标而言，在所测温域内，聚酯纤维和玄武岩纤维的改善效果明显优于MiberⅠ纤维；就E1指标而言，在较高温度下（64~76℃），MiberⅠ纤维的改善效果较好，这主要是因为MiberⅠ纤维作为一种碱性矿物纤维，与沥青具有良好的粘附性。

4.结论

对于MiberⅠ纤维，随其掺量的增加，沥青胶浆的蠕变变形回复率不断提高。纤维掺入后一定程度上影响了沥青胶浆的弹性和粘性部分；就E1指标而言，在较高温度下（64~76℃），MiberⅠ纤维的改善效果优于玄武岩纤维。