竹纤维对沥青及沥青混合料性能的影响研究

杨胜远

摘要：纤维的加入可以提高沥青混合料的耐永久变形性和抗裂性。文章研究了竹纤维在不同荷载和温度条件下对沥青结合料和混合料力学性能的增强作用，通过弯曲梁流变仪试验和动态剪切流变仪频率扫描试验，评价了不同纤维含量的沥青结合料的高温和低温性能。开展沥青混合料动态模量试验，并绘制动态模量主曲线。结果表明：竹纤维的加入提高了沥青结合料的高温性能和低温性能；增大了沥青混合料的动态模量值，减小了其相位角；改善了沥青混合料的疲劳性能。研究可为竹纤维在沥青混合料中的工程应用提供参考。

关键词：道路工程；沥青混合料；竹纤维；动态模量；主曲线

中图分类号：TU535     文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0046-04

0 引言

沥青混合料是典型的黏弹性材料，在不同的载荷水平和温度下，其动态模量的衰减会导致疲劳损伤。沥青混合料疲劳就是由这种重复荷载引起的路面开裂现象。疲劳由3个阶段组成：微裂纹的形成、裂纹的扩展及沥青混合料在裂缝处断裂或承载能力失效。当交通荷载重复到一定次数时，沥青路面的损伤将超过混合料的损伤承载能力，导致沥青层出现裂缝。研究沥青混合料的抗裂性，对延长沥青路面的使用寿命具有重要意义。提高沥青混合料性能的常用方法之一就是添加纤维。许多研究人员研究了在沥青混合料中添加纤维对其力学性能的影响［1-2］，例如天然纤维和合成纤维。添加具有高抗拉强度的纤维，可以显著提高沥青混合料的疲劳性能和耐永久变形性，例如黄琪等［3］研究了不同纤维沥青混合料在高温下的动态模量，发现纤维的掺入可有效提升沥青混合料的动态模量和高温性能。张抒幻等［4］研究钢渣粉/聚酯纤维沥青混合料，发现聚酯纤维形成的纤维网状结构有利于提升钢渣粉/聚酯纤维沥青混合料的水稳定性能。上述研究表明，纤维的掺入能提高沥青混合料的性能，并能改善沥青混合料的韧性和强度模量。竹纤维资源分布于热带和亚热带地区，目前广泛应用于纺织品和复合材料中［5］。竹纤维属于植物纤维范畴，与木素纤维相似，但是木质素纤维基本没有力学强度。目前，对于竹纤维在沥青路面工程中的应用研究较少。SHENG等［6］发现，竹纤维可用于沥青混合料中，并表现出与聚酯纤维和木质素纤维相当或更好的力学性能。然而，为了更准确地评估竹纤维沥青混合料的性能，必须研究它们在不同载荷和温度条件下的力学性能。因此，本研究的主要目的是通过动态模量测试研究竹纤维沥青结合料和混合料在不同载荷条件和温度条件下的力学性能。研究结果可为竹纤维在沥青路面中的应用提供技术支持。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

本文采用90#沥青作为基质沥青，相关技术指标测试结果见表1。选用的竹纤维为通过人工剪切和机械剪切后加工所得，每条纤维的平均长度和直径分别为6 mm和20 μm。竹纤维的比重为1.37 g/cm3，在150 ℃下的拉伸强度为515 MPa。制备沥青混合料使用的矿料情况如下：粗集料为辉绿岩，表观密度为2.84 g/cm3；细集料为石灰岩；矿粉为石灰岩磨制而成。

纤维改性沥青胶结料制备过程：将90#基质沥青加热至150 ℃→分别掺加沥青质量为0.1%、0.3%和0.5%的纤维→在150 ℃的温度和1 000 rpm的转速下剪切30 min获得竹纤维改性沥青胶结料。

1.2 试验方法

（1）沥青弯曲蠕变劲度测定法（BBR）。BBR试验通常用于获得反映沥青路面低温抗裂性能的指标：蠕变劲度（S）和蠕变速率（m）。在本研究中，不同纤维含量的沥青结合料在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃ 4个试验温度下进行了试验。研究对90#沥青及0.1%、0.3%、0.5%的竹纤维改性沥青在不同温度下的3个重复试样进行了测试并取平均值，以获得准确的测试值。试验过程参考我国规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程（附条文说明）》（JTG E20—2011）［7］中的要求进行。

（2）频率扫描试验。采用动态剪切仪（DSR）开展频率扫描试验是研究沥青材料黏弹性的有效手段。通过在一定温度下对试样施加加载频率较低的应变水平，可以获得材料在线性黏弹性范围内的动态剪切模量响应。研究在温度为60 ℃的条件下测试了不同纤维含量的沥青胶结料，频率扫描范围为0.01～100 Hz。对90#沥青及0.1%、0.3%、0.5%的竹纤维改性沥青的3个重复试样进行了测试。通过试验获得的主要参数为沥青的复数模量（G*）和车辙因子（G*/sinδ），这2个指标均表征沥青胶结料的高温性能。试验过程参考我国规范JTG E 20—2011中的要求进行。

（3）动态模量测试。试验过程参考规范Standard Method of Test for Determining the Dynamic Modulus and Flow Number for Asphalt Mixtures Using the Asphalt Mixture Performance Tester （AMPT）（AASHTO T 378—2017）［8］中的要求进行，使用沥青混合料性能测试仪（AMPT）对沥青混合料进行动态模量测试。AASHTO T 378—2017规范的中文名称为《使用沥青混合料性能测试仪（AMPT）测定沥青混合料动态模量和流量的标准测试方法》，AMPT是一种常用沥青材料性能测试仪。在本研究中，试样直径为100 mm，高度为150 mm，加载频率设置为25 Hz、10 Hz、1 Hz和0.1 Hz，測试温度设置为5 ℃、20 ℃和40 ℃。在不同温度下，每种混合物使用2个重复品进行测试。应变水平设置为在50～75微应变范围内，确保沥青混合料处于线性黏弹区间，使用正弦加载模式。使用Sigmoidal函数和时间-温度偏移因子函数对动态模量主曲线进行绘制，函数的计算公式分别如公式（1）至公式（3）所示。

公式（1）至公式（3）中：E为动态模量；f为频率；fr为缩减频率；δ为动态模量最小值的对数；α是动态模量最大值的对数；β和γ为拟合系数；aT为给定温度下的位移因子；Tref为平移参考温度；T为试验温度；α1和α2为拟合参数。

2 结果及分析

2.1 纤维改性沥青胶结料性能测试结果及分析

2.1.1 BBR试验结果及分析

BBR试验结果如图1和图2所示。由图1可知，添加竹纤维后，沥青的蠕变劲度模量S值降低，表明竹纤维可以提高沥青的低温柔韧性及低温性能。当竹纤维掺量相同时，沥青的S值会随着试验温度的降低而逐渐增大，表明温度的降低不利于竹纤维沥青胶结料的低温性能；当增加竹纤维掺量时，沥青的S值在相同的试验温度会逐渐降低，当掺量为0.3%时，S值达到最小值。与90#沥青相比，0.3%竹纤维改性沥青在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃试验温度下的S值分别降低了10.8%、13.8%和16.5%。当竹纤维掺量增加到0.5%时，不同温度条件下S值均会增大，降低了沥青结合料的低温性能。由此可知，较高掺量的竹纤维可能难以均匀地分散在沥青结合料中，并可能对竹纤维沥青的低温性能产生负面影响。

由图2可知，在竹纤维掺量相同时，蠕变速率m值随着试验温度的降低而逐渐降低。随着竹纤维掺量的增加，m值在图2中没有表现出明显的变化趋势。如图2所示，添加竹纤维后，-18 ℃时掺量为0.5%的竹纤维改性沥青试样的m值增大了，但是-6 ℃时0.1%竹纤维改性沥青和-18 ℃时0.3%的竹纤维改性沥青的m值降低了。以上结果表明，竹纤维的添加并不一定能改善沥青试件在低温下的应力松弛能力，其变化规律较复杂，有待进一步研究。

总体而言，竹纤维掺入沥青后，能改善沥青胶结料的低温性能，但掺量过高时则不利于改善沥青胶结料的低温性能。从保证沥青胶结料的低温性能方面考虑，竹纤维掺量宜控制在3%左右。

2.1.2 DSR试验结果及分析

沥青结合料的流变特性会随着荷载频率的变化而变化，通过观察动态剪切模量G*和相位角δ可以分析沥青结合料在不同加载频率下的流变特性。G*包括弹性部分中存储模量和黏性部分的损耗模量。采用频率扫描试验研究了纤维改性沥青胶结料在动态加载频率下的抵抗高温剪切变形能力，试验结果如图3和图4所示。

从图3可知，试验温度为60 ℃时，不同竹纤维含量的沥青的动态剪切模量G*值随着加载频率的增大而增大。在相同加载频率下，G*值随着竹纤维掺量的增加而增加，竹纤维含量为0.1%和0.3%时的沥青胶结料的G*值相似。在60℃的温度条件下，添加竹纤维提高了沥青胶结料的G*，从而提高了沥青的抗高温剪切变形能力。如图4所示，60℃时，具有不同竹纤维掺量的沥青的车辙因子G*/sinδ随着加载频率的增大而增大。竹纤维的掺入增强了沥青的抗剪性能，这是由于竹纤维的抗剪强度高于沥青所致，当受到外部载荷时，竹纤维可以吸收部分剪切应力，从而提高沥青胶结料的高温抗剪性能，随着竹纤维掺量的增加，沥青的高温流变性能得到改善。

分析以上试验结果可知，竹纤维的掺入提高了沥青的高温剪切强度和低温柔韧性。沥青在高温下的抗剪强度随着纤维掺量的增加而增强，当纤维含量为0.3%时，在低温下获得了较佳的柔韧性。由于纤维含量高会导致其在沥青中分散不均匀，因此本文的沥青混合料试验中，将竹纤维的掺量设置为0.3%。

2.2 纤维改性沥青混合料性能测试结果及分析

2.2.1 动态模量试验结果及分析

为了使绘图简洁明了，竹纤维沥青混合料以A为代表，未掺竹纤维沥青混合料以B为代表，例如5 ℃ A代表竹纤维沥青混合料和5 ℃的试验温度。动态模量和相位角试验结果如图5和图6所示。

由图5可知，在相同温度下，未掺加竹纤维沥青混合料的动态模量值随着加载频率的降低而减小。在相同的加载频率下，动态模量值随温度的升高而减小。在任意相同的加载频率和试验温度下，未掺加竹纤维沥青混合料的动态模量低于竹纤维沥青混合料。试验温度为5 ℃时，2种沥青混合料类型之间的动态模量值在不同的加载频率下的差异非常明显，当试验温度为40 ℃时，其动态模量值接近。以上结果表明，在较低的温度下，竹纤维对沥青混合料的动态模量的影响大于在较高温度下对动态模量的影响。从图6可知，温度和加载频率的变化对相位角有很大的影响。在5 ℃和20 ℃时，随着加载频率的降低，相位角逐渐增大。然而在40 ℃时，相位角随着频率的降低而减小，表明随着温度升高，混合料中集料开始主导黏弹性响应。

2.2.2 动态模量主曲线分析

作为黏弹性材料，时间和温度的变化对沥青混合料力学性能的影响是相同的，高温对应低频，低温对应高频。使用Sigmoidal函数拟合动态模量试验数据，参考温度为20 ℃，将不同温度下的动态模曲线沿频率轴进行水平偏移，形成主曲线，然后获得这些温度下的位移因子。如表2所示，在获得每个温度下的位移因子后，可以计算出与不同温度和频率相对应的缩减频率。表3给出了Sigmoidal的拟合系数。图7给出了竹纤维沥青混合料与未掺竹纤维沥青混合料在20 ℃参考温度下的动态模量主曲线。

分析主曲线可知，动态模量主曲线均为“S”形，当加载频率较高或较低时，竹纤维沥青混合料的动态模量主曲线与未掺竹纤维沥青混合料基本相同。竹纤维对沥青混合料黏弹性的影响在10-3～103  Hz区间较为明显，对应中温区间。因此，从动态模量主曲线可以得出结论——添加竹纤维改善了沥青混合料的中温性能。

3 结论

综合试验结果，得出以下结论：①竹纤维的掺入改善了沥青结合料和混合料的力学性能。在沥青结合料中加入竹纤维，提高了沥青的高温抗剪强度和低温柔韧性。竹纤维掺量过高，会导致沥青结合料低温性能下降；当竹纤维含量为0.3%时，沥青结合料的高温和低温性能最佳。②相比未掺竹纤维的沥青混合料，掺入0.3%竹纤维的瀝青混合料在不同温度下的动态模量有所增强，不同温度下相位角减小，表明竹纤维沥青混合料的弹性特性增强，黏性特性减弱。③竹纤维改善了沥青混合料的中温疲劳性能。综上，在沥青混合料中掺竹纤维能显著改善沥青胶结料的高温性能、低温性能以及沥青混合料的黏弹性能和疲劳性能，但竹纤维的掺量应控制在0.3%左右，过高的竹纤维掺量将会降低竹纤维沥青胶结料的低温性能。

4 参考文献

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［3］黄琪，刘安，陈鹏飞.基于动态模量试验的不同纤维沥青混合料高温性能研究［J］.公路，2023，68（4）：36-44.

［4］张抒幻，吴金荣，张涛.钢渣粉/聚酯纤维沥青混合料水稳定性研究［J］.科学技术与工程，2023，23（2）：785-793.

［5］Fuli Wang，Zhuoping Shao.Study on the variation law of bamboo fibers’ tensile properties and the organization structure on the radial direction of bamboo stem［J］.Industrial Crops & Products，2020，152（C）.

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［7］JTG E20—2011.公路工程瀝青及沥青混合料试验规程（附条文说明）［S］.

［8］AASHTO T 378—2017.Standard Method of Test for Determining the Dynamic Modulus and Flow Number for Asphalt Mixtures Using the Asphalt Mixture Performance Tester（AMPT）［S］.