玄武岩纤维沥青混合料动态蠕变试验

卢佩霞，肖 鹏，吕 阳

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127;2.扬州工业职业技术学院建筑工程学院，江苏扬州 225127)

玄武岩纤维是近年来出现的新型高性能沥青改性材料.与其他纤维相比，玄武岩纤维在沥青路面的应用中表现出显著优势［1-3］.彭广银等［4］、郭德栋等［5］、刘克非［6］以聚酯纤维为对比对象，通过马歇尔试验、浸水马歇尔试验以及高温车辙试验，研究表明:短切玄武岩纤维沥青混合料的高温抗车辙能力和水稳定性能均优于聚酯纤维沥青混合料，但沥青混合料作为一种黏弹性材料［7-9］，其物理、力学性能与温度、荷载及作用时间密切相关，受环境影响极大［10-12］，常规的车辙试验、马歇尔试验等没有考虑交通设计水平和环境因素，用来评价沥青混合料的高温抗车辙性能具有一定局限性.动态蠕变试验可以模拟路面在不同的荷载、环境条件下的动态响应，动态蠕变值是评价沥青混合料高温性能的一个有效指标［13］.李雪莲等［14］对普通重交沥青和聚酯纤维改性沥青混合料进行动态蠕变试验，结果表明:纤维改性沥青混合料抗永久变形能力更优越;纤维改性沥青混合料对温度敏感性明显小于普通重交沥青混合料.目前对玄武岩纤维沥青混合料采用动态蠕变试验指标评价高温抗车辙性能的研究还不多见.为此，本研究采用动态蠕变试验，对比AC-13，SMA-13等不同级配类型的玄武岩纤维沥青混合料，研究玄武岩纤维对不同级配类型的沥青混合料高温抗车辙性能影响，以及温度变化对玄武岩纤维改性沥青混合料高温流变特性的影响.

1 材料

1.1 纤维

玄武岩纤维购自江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司.玄武岩纤维性能参数指标满足JT/T776—2010《公路工程玄武岩纤维及其制品》的要求，试验结果与规范要求的比较见表1.

表1 玄武岩纤维性能参数的规范要求与试验结果比较

1.2 集料及沥青

集料选用镇江茅迪玄武岩粗、细集料，填料选用镇江高资石灰石矿粉，各矿料的技术性质均满足规范要求.基质沥青采用南京金陵70#道路石油沥青，其性能满足A级70#道路石油沥青各项技术指标要求，SBS沥青采用成品改性沥青，其性能试验满足JTG E20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》要求.

2 混合料配合比设计

选取AC-13C和SMA-13两种常用级配来成型沥青混合料，级配组成如表2所示.共选用6种沥青混合料类型，沥青混合料中的纤维掺量与最佳油石质量比如表3所示，其中的木质素纤维采用德国瑞登梅父子公司生产的ARBOCEL ZZ8/1型絮状木质素纤维.

表2 不同筛孔级配矿料的质量分数 %

表3 沥青混合料组成材料

3 动态蠕变试验

3.1 方法

采用UTM-25伺服式材料动态测试系统，参照NCHRP 9-29《美国公路合作研究组织试验设备规范》规定的方法进行动态蠕变试验.对掺加与不掺加玄武岩纤维的2种级配沥青混合料在3种温度环境下进行全面试验.方法如下:①根据NCHRP 9-29中的规定，动态蠕变试验试件尺寸为φ100 mm×150 mm(高)，试验试件的制备过程同动态模量试验的试件制备过程;② 根据JTGD50—2006《公路沥青路面设计规范》，本试验选取轴向压力大小为0.7 MPa，接触压力为0.02 MPa;③ 沥青混合料的永久变形主要发生在夏季高温时，本试验分别选取在40，50和60℃温度条件下进行沥青混合料的动态蠕变试验;④本试验采用半正弦波进行加载，加载时间为0.1 s，间歇时间为0.9 s，进行动态重复加载，加载方式如图1所示.

图1 动态蠕变试验加载方式和数据采集

3.2 结果与分析

成型动态蠕变所用尺寸为φ100 mm×150 mm试件，对成型后的试件测量其孔隙率，保证孔隙率偏差不超过±0.5%.试验前，将试件放置于试验温度±0.5℃的温控箱中，恒温4～5 h使其达到进行试验所要求的温度.试验中，在试件两端各垫一张四氟乙烯薄膜，以消除试件端部约束效应对试验结果和精度的影响.试件动态蠕变试验前后对比如图2所示.

图2 试件动态蠕变试验前后对比

本研究主要考虑温度对沥青混合料蠕变试验结果的影响，对6种不同类型的沥青混合料在40，50和60℃温度条件下进行动态蠕变试验.动态蠕变试验已累计永久应变达到0.1或累计加载次数达到10 000次为终止条件.动态蠕变曲线分别如图3-5所示.沥青混合料流变次数试验结果见表4.沥青混合料流变次数变化趋势、蠕变速率变化趋势分别如图6-7所示.

由图3-5可见:对于基质沥青AC-13C、SBS沥青AC-13C和SBS沥青SMA-13混合料，在相同作用次数下，掺加纤维后混合料的永久应变要小于不掺加纤维混合料，且掺加玄武岩纤维后，沥青混合料达到蠕变破坏阶段的累计作用次数大于不掺加纤维混合料.由表4可见:掺加玄武岩纤维后，沥青混合料的流变次数都有不同程度的提高，40℃下流变次数分别提高了18.0%，29.0%和1.4%;50℃下分别提高了25.0%，56.0%和26.0%;60℃下分别提高了33.0%，137.0%和40.0%.表明掺加玄武岩纤维可以有效改善沥青混合料抗车辙能力.

沥青混合料力学性能与温度密切相关，特别是其强度和劲度模量可随温度升高而显著降低.由图6可知，6种沥青混合料的流变次数随着温度的变化有着同样的变化规律，都随着温度的升高而减小.6种混合料60℃时的流变次数分别为40℃时的9.6% ，12.0% ，3.0% ，5.6% ，4.9% 和 6.7%.

图3 40℃累计永久应变与加载次数关系

图4 50℃累计永久应变与加载次数关系

图5 60℃累计永久应变与加载次数关系

表4 沥青混合料流变次数试验结果

图6 流变次数变化趋势

图7 蠕变速率变化趋势

由图7可知，所有沥青混合料在流变次数对应点的蠕变速率均随着温度的升高而增大，60℃的蠕变速率相对于40℃增大了6.5～44.0倍.使用SBS改性沥青后，AC-13C沥青混合料流变次数大幅增大，蠕变次数大幅降低.由表4可知，累计应变量随温度变化没有明显的变化.美国公路合作研究组织NCHRP报告也指出，将累计应变量作为评价沥青混合料高温重载下变形性能的指标是不合适的.虽然各种混合料流变次数都随温度增大而降低，但分析表4可知，掺加玄武岩纤维后，降低趋势变缓，在较高温度下改善效果明显.

4 结论

1)掺加玄武岩纤维后，在相同的作用次数下，混合料的永久应变减小，且达到蠕变破坏阶段的累计作用次数大于不掺加纤维的沥青混合料.表明掺加玄武岩纤维后，沥青混合料的抗车辙能力有所提高.

2)沥青混合料的流变次数随温度升高而减小，掺加纤维后混合料的流变次数明显增大.可见，掺加玄武岩纤维可以有效改善沥青混合料抗车辙能力，且温度越高改善效果越明显.

References)

［1］王 宁.玄武岩纤维及其改性沥青的性能研究［D］.武汉:中国地质大学材料与化学学院，2013.

［2］Liu T，Yu F，Yu X，et al.Basalt fiber reinforced and elastomer toughened polylactide composites:mechanical properties，rheology， crystallization， and morphology［J］.Journal of Applied Polymer Science，2012，125(2):1292-1301.

［3］Fan W X，Kang H G，Zheng Y X.Experimental study of pavement performance of basalt fiber-modified asphalt mixture［J］.Journal of Southeast University:English Edition，2010，26(4):614-617.

［4］彭广银，钱振东，傅栋梁.短切玄武岩纤维沥青混合料路用性能研究［J］.石油沥青，2009，23(1):8-11.

Peng Guangyin，Qian Zhendong，Fu Dongliang.Research on pavement performance of the short-cut basalt fiber-reinforced asphalt mixture［J］.Petroleum Asphalt，2009，23(1):8-11.(in Chinese)

［5］郭德栋，许宏妹，李小刚，等.级配类型对纤维沥青混合料路用性能影响［J］.广西大学学报:自然科学版，2010，35(1):116-119.

Guo Dedong，Xu Hongmei，Li Xiaogang，et al.Influence of graduation types on pavement performance of fiber-reinforced［J］.Journal of Guangxi University:Natural Science Edition，2010，35(1):116-119.(in Chinese)

［6］刘克非.纤维沥青胶浆及沥青混合料路用性能研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30(3):407-410.

Liu Kefei.Study on pavement performance of fiber asphalt mortar and its mixtures［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(3):407-410.(in Chinese)

［7］黄晓明，张久鹏，刘伟民.用黏弹性理论预测沥青混合料的劈裂疲劳寿命［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2008，36(6):56-61.

Huang Xiaoming，Zhang Jiupeng，Liu Weimin.Prediction of indirect tensile fatigue life of asphalt mixture by means of viscoelastic theory［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2008，36(6):56-61.(in Chinese)

［8］Zhang Jiupeng，Pei Jianzhong，Zhang Zengping.Development and validation of viscoelastic-damage model for three-phase permanent deformation of dense asphalt mixture［J］Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24:842-850.

［9］Liu Yu，Dai Qingli，You Zhanping.Viscoelastic model for discrete element simulation of asphalt mixtures［J］.Journal of Engineering Mechanics，2009，135:324-333.

［10］Zhao Yanjing，Ni Fujian，Zhou Lan.Viscoelastic response of asphalt concrete pavement under ambient temperature periodic variation［C］∥ICCTP:Towards Sustainable Transportation Systems，2011:3298-3313.

［11］侯曙光.基于动态蠕变试验的沥青混合料的黏弹性分析［J］.南京工业大学学报:自然科学版，2010，32(1):33-36.

Hou Shuguang.Viscoelastic analysis of asphalt mixture based on dynamic creep test［J］.Nanjing University of Technology:Natural Science Edition，2010，32(1):33-36.(in Chinese)

［12］郭咏梅，倪富健，肖 鹏.基于线黏弹范围的改性沥青动态流变性能［J］.江苏大学学报:自然科学版，2011，32(4):460-463.

Guo Yongmei，Ni Fujian，Xiao Peng.Dynamic rheological properties of modified asphalt based on linear viscoelastic range［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2011，32(4):460-463.(in Chinese)

［13］许云山.动态蠕变试验的沥青混合料高温性能评价［J］.交通世界，2010(11):272-273.

Xu Yunshan.High temperature performance of asphalt mixture dynamic creep test evaluation ［J］.Transpo World，2010(11):272-273.(in Chinese)

［14］李雪莲，陈宇亮，周志刚，等.基于动态蠕变试验的沥青混合料永久变形研究［J］.交通科学与工程，2011，27(1):37-40.

Li Xuelian，Chen Yuliang，Zhou Zhigang，et al.Evaluation of permanent deformation of asphalt mixtures using dynamic creep test［J］.Journal of Transport Science and Engineering，2011，27(1):37-40.(in Chinese)