纖維瀝青膠漿動態(tài)剪切流變參數(shù)與溫度相關(guān)性研究

姚立陽，姚麗紅，馬 勤

(1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050;2.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467036;3.河南北方紅陽工業(yè)集團(tuán)有限公司，河南南陽 474678)

纖維瀝青膠漿動態(tài)剪切流變參數(shù)與溫度相關(guān)性研究

姚立陽1，2，姚麗紅3，馬 勤1

(1.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050;2.河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467036;3.河南北方紅陽工業(yè)集團(tuán)有限公司，河南南陽 474678)

采用動態(tài)剪切流變試驗，分析了纖維瀝青膠漿動態(tài)流變參數(shù)與溫度的相關(guān)性，以及不同動態(tài)剪切流變參數(shù)和不同纖維膠漿的溫度敏感性。結(jié)果表明:纖維瀝青膠漿的動態(tài)流變參數(shù)G*，G'，G″，δ和G*/sinδ等指標(biāo)與溫度具有很好的相關(guān)性;各指標(biāo)在低溫區(qū)的溫度敏感性要高于在高溫區(qū)的溫度敏感性;纖維瀝青膠漿的溫度敏感性與基質(zhì)瀝青相比明顯降低，其中聚丙烯腈纖維膠漿的熱穩(wěn)定性較好;添加纖維后的瀝青膠漿抗車轍因子G*/sinδ明顯提高，表明抗流動變形能力顯著增強(qiáng)。

纖維;瀝青膠漿;動態(tài)剪切流變參數(shù);溫度;相關(guān)性

在瀝青混合料中，雖然瀝青膠漿所占的比例相對較小，但根據(jù)膠漿理論，它在瀝青混合料這樣一個多級空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系統(tǒng)中最為重要，是影響瀝青混合料黏彈特性的根本因素［1-2］。纖維改性瀝青膠漿是一種通過摻入纖維材料，改善瀝青膠漿性能，從而提高瀝青路面使用品質(zhì)的一種復(fù)合材料。目前國內(nèi)外學(xué)者對纖維瀝青膠漿及其混合料的路用性能和工程應(yīng)用研究較多［3-6］，但對纖維瀝青膠漿的動態(tài)流變特性研究相對較少［7-8］，對動態(tài)流變參數(shù)與溫度關(guān)系的研究更是極少涉及。筆者采用動態(tài)剪切流變試驗研究了纖維瀝青膠漿的動態(tài)流變特性及其與溫度的相關(guān)性，并分析了不同纖維對膠漿抗永久變形能力的改善效果。

1 試驗

1.1 原材料

瀝青選用了70#殼牌路用石油瀝青，具體的技術(shù)參數(shù)見表1。所選纖維的主要參數(shù)指標(biāo)見表2。

表1 70#瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Main performance index of 70#asphalt

表2 纖維主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main performance index of fiber

1.2 試驗條件

瀝青與纖維按照質(zhì)量比20∶1配成纖維瀝青膠漿，并制成Ф25 mm×1 mm的試樣。試驗頻率ω =10 rad/s，溫度分別為 45，50，55，65，70，75，80℃。采用動態(tài)剪切流變儀測量纖維瀝青膠漿的G*(復(fù)數(shù)剪切模量)和δ(相位角)來表征其黏彈特性。

1.3 試驗結(jié)果

試驗測得復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ見表3。計算可得貯存剪切模量G'(G'=G*·cosδ)，損失剪切模量 G″(G″=G*·sinδ)及車轍因子 G*/sinδ的結(jié)果見表4。

表3 各纖維瀝青膠漿的G*值和δ值Table 3 G*and δ of different fiber asphalt binder

表 4 各纖維膠漿的 G'，G″，G*/sin δ 值Table 4 G'，G″，G*/sin δ of different fiber asphalt binder

2 試驗結(jié)果分析

2.1 各參數(shù)與溫度的相關(guān)性

2.1.1 G*、G'、G″、G*/sinδ與溫度的相關(guān)性

從試驗結(jié)果可知，基質(zhì)瀝青膠漿和纖維瀝青膠漿的這4個參數(shù)與溫度T都密切相關(guān)，而且均可用統(tǒng)一公式表示為:

式中:G 分別代表 G*，G'，G″和 G*/sinδ;a，b 為回歸系數(shù)。

b的大小表征當(dāng)溫度變化時對G的影響程度，即，表征了G值的溫度敏感性大小，b越小其感溫性越弱，相反則感溫性越強(qiáng)。4種纖維瀝青膠漿的b值和相關(guān)系數(shù)R2見表5。

表5 lnG=a－blnT回歸系數(shù)Table 5 Regression coefficients of lnG=a－blnT

從表5中任一纖維膠漿的4個b值可以看出，bG'的值最大，bG″的值最小，表明膠漿的彈性部分比黏性部分的溫度敏感性強(qiáng)。從表3、表4可知，當(dāng)溫度在相對較低的情況下，G*，G'，G″及 G*/sinδ的值隨著溫度的降低而增大，而且增大的速度很快;當(dāng)溫度升高到55℃的時候，各參數(shù)值的變化已經(jīng)不是很明顯。特別是當(dāng)溫度升高到70℃以上時，各參數(shù)值的變化更是微小，有的甚至沒變化有。說明G*、G'、G″和抗車轍因子G*/sinδ在高溫時的感溫性要低于其在低溫時的感溫性。

從表5還可看出，沒有添加纖維膠漿的bG*值和bG*/sinδ值顯著高于添加了纖維的膠漿的 bG*值和bG*/sinδ值，表明沒有添加纖維的基質(zhì)瀝青膠漿與添加了纖維的瀝青膠漿相比，沒有添加纖維的瀝青膠漿其溫度敏感性更強(qiáng)。當(dāng)溫度從低一等級升高到高一等級時，沒有添加纖維的瀝青膠漿其動態(tài)流變參數(shù)衰減幅度要高于添加了纖維的瀝青膠漿的衰減幅度。而且不同纖維膠漿的bG*和bG*/sinδ也不同，礦物纖維膠漿的最大，聚丙烯腈纖維膠漿的最小，bG*和bG*/sinδ的值越大，就說明各參數(shù)指標(biāo)隨著溫度的升高遞減較快，即越容易受到溫度的影響，溫度穩(wěn)定性也就越差。

2.1.2 相位角δ與溫度T的相關(guān)性

由表4可以看出，δ也受到溫度的顯著影響，兩者之間的關(guān)系可用公式(2)表述:

式中:c，d為回歸系數(shù)。

d值的大小表征了δ對溫度的敏感程度的大小，d值越小，則δ對溫度的敏感程度就越小。δ隨溫度的升高而逐漸變大，表明隨著溫度的升高，基質(zhì)瀝青膠漿和纖維瀝青膠漿的黏性成分所占比例逐漸增大;且隨溫度的升高，相同的溫度變化對應(yīng)的Δδ值逐漸減小。δ與溫度的相關(guān)性分析結(jié)果列入表6中。

表6 δ=－c+dlnT回歸系數(shù)Table 6 Regression coefficients of δ= －c+dlnT

由表6可知，沒有添加纖維的瀝青膠漿d值小于添加了纖維的瀝青膠漿的d值，表明沒有添加纖維的瀝青膠漿δ值隨T變化不明顯。由表4知，無纖維瀝青膠漿在45℃時，δ已經(jīng)達(dá)到了85.18°，因此當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，δ已經(jīng)幾乎沒有繼續(xù)增大的空間，所以δ隨溫度的變化不顯著。而添加了纖維的膠漿，δ隨溫度的逐漸升高而逐步變大，變大的程度也要稍高于沒有添加纖維的瀝青膠漿。相位角的增大說明膠漿的黏性成分所占比例隨溫度升高增大;而在相同溫度下，纖維膠漿的相位角明顯小于基質(zhì)瀝青，說明此時纖維膠漿的彈性成分要高于基質(zhì)瀝青。對于不同的纖維膠漿，從表4及表6看到，聚丙烯腈纖維瀝青膠漿的d值最小，礦物纖維膠漿的d值最大，說明聚丙烯腈纖維膠漿的相位角溫度敏感性最小，即隨溫度的升高，相位角增大的幅度較小，即隨溫度升高膠漿向黏性成分轉(zhuǎn)化的比例較小，高溫性能就越穩(wěn)定。

2.2 纖維膠漿高溫抗變形性能分析

在動態(tài)剪切流變試驗中，車轍因子G*/sinδ反映了瀝青膠漿的抗永久變形能力的大小，即車轍因子G*/sinδ越大，在高溫時的流動變形性能就越小，抵抗高溫變形能力就越強(qiáng)，這樣的瀝青膠漿拌制的瀝青混合料高溫抗車轍性能也就越好。

從表4可以看出:在同一溫度下，纖維瀝青膠漿的G*/sinδ遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青膠漿的G*/sinδ，表明纖維添加之后，纖維膠漿抵抗瀝青流動變形的能力增強(qiáng)，因此其抗車轍的能力要高于基質(zhì)瀝青膠漿?？梢?，纖維的加入有利于提高瀝青膠漿的車轍因子G*/sinδ，從而改善膠漿的高溫性能。還可看到，聚丙烯腈纖維瀝青膠漿的G*/sinδ最大，其次是木質(zhì)素纖維瀝青膠漿，礦物纖維瀝青膠漿的G*/sinδ最小，說明在相同溫度下，聚丙烯腈纖維對瀝青膠漿的高溫抗永久變形能力的貢獻(xiàn)最大，因此其高溫抗車轍性能最優(yōu)。

隨著溫度升高，各纖維瀝青膠漿的G*/sinδ迅速降低，因此，纖維膠漿的抗永久變形能力隨著溫度的升高逐漸降低。而且隨著溫度的升高，纖維對瀝青膠漿抗永久變形能力的影響程度也在逐步減小，這主要是因為隨著溫度的升高纖維瀝青膠漿中自由瀝青量也逐漸增多，使得纖維與瀝青之間的黏附性能減弱所引起。

3 結(jié)論

1)無論是否添加纖維，各膠漿的 G*、G'、G″及G*/sinδ參數(shù)與溫度之間關(guān)系都密切。而且各纖維膠漿的彈性部分比黏性部分的溫度敏感性強(qiáng)。

2)基質(zhì)瀝青膠漿的溫度敏感性高于纖維瀝青膠漿的溫度敏感性。聚丙烯腈纖維膠漿bG*和bG*/sinδ值最小，表明其熱穩(wěn)定性最好。

3)相位角δ和溫度之間也有較好的相關(guān)性，與纖維瀝青膠漿比較，基質(zhì)瀝青δ值隨溫度變化不明顯。添加纖維的膠漿，δ隨溫度的升高逐步變大，說明膠漿的黏性成分所占比例隨溫度升高增大，而在相同溫度下，纖維膠漿的相位角明顯小于基質(zhì)瀝青，說明此時纖維膠漿的彈性成分要高于基質(zhì)瀝青膠漿。

4)纖維對膠漿抗車轍因子G*/sinδ影響顯著。添加纖維后瀝青膠漿G*/sinδ明顯提高，抗流動變形能力顯著增強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性明顯提高。但隨溫度升高，G*/sinδ逐漸降低，膠漿高溫抗車轍能力也逐漸降低穩(wěn)定性下降。

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Relevance of Dynamic Shear Rheometry Parameter of Fiber Asphalt Binder and Temperature

Yao Liyang1，2，Yao Lihong3，Ma Qin1
(1.Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China;2.Henan University of Urban Construction，Pingdingshan 467036，Henan，China;3.Henan North Hongyang Industrial Group Co.，Ltd.，Nanyang 474678，Henan，China)

Dynamic shear rheometry test was used to analyze relevance of dynamic shear rheometry parameter of fiber asphalt binder and temperature，and temperature sensitivity of different parameter and different fiber asphalt binder.The result shows that the parameters including G*，G'，G″，G*/sin δ and δ，have close connection with temperature.Temperature sensitivity of all parameters in lower temperature areas is higher than that in higher temperature areas.Temperature sensitivity of fiber asphalt binder is significantly decreased in comparison with normal asphalt;the heating stability of polyacrylonitrile fiber binder is better.Rut-resistance factor G*/sin δ of fiber asphalt binder increases greatly.This shows that anti-deforming capability of fiber asphalt binder is significantly enhanced.

fiber;asphalt binder;dynamic shear rheometry parameter;temperature;relevance

U414.75

A

1674-0696(2012)04-0781-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.11

2011-12-07;

2012-03-15

國家自然科學(xué)基金項目(50778087)

姚立陽(1976—)，男，河南南陽人，博士研究生，主要從事道路結(jié)構(gòu)與材料的研究。E-mail:yaoly@hncj.edu.cn。