纤维沥青胶浆动态剪切流变参数与温度相关性研究

姚立阳，姚丽红，马 勤

(1.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050;2.河南城建学院，河南 平顶山 467036;3.河南北方红阳工业集团有限公司，河南南阳 474678)

纤维沥青胶浆动态剪切流变参数与温度相关性研究

姚立阳1，2，姚丽红3，马 勤1

(1.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050;2.河南城建学院，河南 平顶山 467036;3.河南北方红阳工业集团有限公司，河南南阳 474678)

采用动态剪切流变试验，分析了纤维沥青胶浆动态流变参数与温度的相关性，以及不同动态剪切流变参数和不同纤维胶浆的温度敏感性。结果表明:纤维沥青胶浆的动态流变参数G*，G'，G″，δ和G*/sinδ等指标与温度具有很好的相关性;各指标在低温区的温度敏感性要高于在高温区的温度敏感性;纤维沥青胶浆的温度敏感性与基质沥青相比明显降低，其中聚丙烯腈纤维胶浆的热稳定性较好;添加纤维后的沥青胶浆抗车辙因子G*/sinδ明显提高，表明抗流动变形能力显著增强。

纤维;沥青胶浆;动态剪切流变参数;温度;相关性

在沥青混合料中，虽然沥青胶浆所占的比例相对较小，但根据胶浆理论，它在沥青混合料这样一个多级空间网状结构的分散系统中最为重要，是影响沥青混合料黏弹特性的根本因素［1-2］。纤维改性沥青胶浆是一种通过掺入纤维材料，改善沥青胶浆性能，从而提高沥青路面使用品质的一种复合材料。目前国内外学者对纤维沥青胶浆及其混合料的路用性能和工程应用研究较多［3-6］，但对纤维沥青胶浆的动态流变特性研究相对较少［7-8］，对动态流变参数与温度关系的研究更是极少涉及。笔者采用动态剪切流变试验研究了纤维沥青胶浆的动态流变特性及其与温度的相关性，并分析了不同纤维对胶浆抗永久变形能力的改善效果。

1 试验

1.1 原材料

沥青选用了70#壳牌路用石油沥青，具体的技术参数见表1。所选纤维的主要参数指标见表2。

表1 70#沥青的技术性能指标Table 1 Main performance index of 70#asphalt

表2 纤维主要技术指标Table 2 Main performance index of fiber

1.2 试验条件

沥青与纤维按照质量比20∶1配成纤维沥青胶浆，并制成Ф25 mm×1 mm的试样。试验频率ω =10 rad/s，温度分别为 45，50，55，65，70，75，80℃。采用动态剪切流变仪测量纤维沥青胶浆的G*(复数剪切模量)和δ(相位角)来表征其黏弹特性。

1.3 试验结果

试验测得复数剪切模量G*和相位角δ见表3。计算可得贮存剪切模量G'(G'=G*·cosδ)，损失剪切模量 G″(G″=G*·sinδ)及车辙因子 G*/sinδ的结果见表4。

表3 各纤维沥青胶浆的G*值和δ值Table 3 G*and δ of different fiber asphalt binder

表 4 各纤维胶浆的 G'，G″，G*/sin δ 值Table 4 G'，G″，G*/sin δ of different fiber asphalt binder

2 试验结果分析

2.1 各参数与温度的相关性

2.1.1 G*、G'、G″、G*/sinδ与温度的相关性

从试验结果可知，基质沥青胶浆和纤维沥青胶浆的这4个参数与温度T都密切相关，而且均可用统一公式表示为:

式中:G 分别代表 G*，G'，G″和 G*/sinδ;a，b 为回归系数。

b的大小表征当温度变化时对G的影响程度，即，表征了G值的温度敏感性大小，b越小其感温性越弱，相反则感温性越强。4种纤维沥青胶浆的b值和相关系数R2见表5。

表5 lnG=a－blnT回归系数Table 5 Regression coefficients of lnG=a－blnT

从表5中任一纤维胶浆的4个b值可以看出，bG'的值最大，bG″的值最小，表明胶浆的弹性部分比黏性部分的温度敏感性强。从表3、表4可知，当温度在相对较低的情况下，G*，G'，G″及 G*/sinδ的值随着温度的降低而增大，而且增大的速度很快;当温度升高到55℃的时候，各参数值的变化已经不是很明显。特别是当温度升高到70℃以上时，各参数值的变化更是微小，有的甚至没变化有。说明G*、G'、G″和抗车辙因子G*/sinδ在高温时的感温性要低于其在低温时的感温性。

从表5还可看出，没有添加纤维胶浆的bG*值和bG*/sinδ值显著高于添加了纤维的胶浆的 bG*值和bG*/sinδ值，表明没有添加纤维的基质沥青胶浆与添加了纤维的沥青胶浆相比，没有添加纤维的沥青胶浆其温度敏感性更强。当温度从低一等级升高到高一等级时，没有添加纤维的沥青胶浆其动态流变参数衰减幅度要高于添加了纤维的沥青胶浆的衰减幅度。而且不同纤维胶浆的bG*和bG*/sinδ也不同，矿物纤维胶浆的最大，聚丙烯腈纤维胶浆的最小，bG*和bG*/sinδ的值越大，就说明各参数指标随着温度的升高递减较快，即越容易受到温度的影响，温度稳定性也就越差。

2.1.2 相位角δ与温度T的相关性

由表4可以看出，δ也受到温度的显著影响，两者之间的关系可用公式(2)表述:

式中:c，d为回归系数。

d值的大小表征了δ对温度的敏感程度的大小，d值越小，则δ对温度的敏感程度就越小。δ随温度的升高而逐渐变大，表明随着温度的升高，基质沥青胶浆和纤维沥青胶浆的黏性成分所占比例逐渐增大;且随温度的升高，相同的温度变化对应的Δδ值逐渐减小。δ与温度的相关性分析结果列入表6中。

表6 δ=－c+dlnT回归系数Table 6 Regression coefficients of δ= －c+dlnT

由表6可知，没有添加纤维的沥青胶浆d值小于添加了纤维的沥青胶浆的d值，表明没有添加纤维的沥青胶浆δ值随T变化不明显。由表4知，无纤维沥青胶浆在45℃时，δ已经达到了85.18°，因此当温度继续升高时，δ已经几乎没有继续增大的空间，所以δ随温度的变化不显著。而添加了纤维的胶浆，δ随温度的逐渐升高而逐步变大，变大的程度也要稍高于没有添加纤维的沥青胶浆。相位角的增大说明胶浆的黏性成分所占比例随温度升高增大;而在相同温度下，纤维胶浆的相位角明显小于基质沥青，说明此时纤维胶浆的弹性成分要高于基质沥青。对于不同的纤维胶浆，从表4及表6看到，聚丙烯腈纤维沥青胶浆的d值最小，矿物纤维胶浆的d值最大，说明聚丙烯腈纤维胶浆的相位角温度敏感性最小，即随温度的升高，相位角增大的幅度较小，即随温度升高胶浆向黏性成分转化的比例较小，高温性能就越稳定。

2.2 纤维胶浆高温抗变形性能分析

在动态剪切流变试验中，车辙因子G*/sinδ反映了沥青胶浆的抗永久变形能力的大小，即车辙因子G*/sinδ越大，在高温时的流动变形性能就越小，抵抗高温变形能力就越强，这样的沥青胶浆拌制的沥青混合料高温抗车辙性能也就越好。

从表4可以看出:在同一温度下，纤维沥青胶浆的G*/sinδ远大于基质沥青胶浆的G*/sinδ，表明纤维添加之后，纤维胶浆抵抗沥青流动变形的能力增强，因此其抗车辙的能力要高于基质沥青胶浆。可见，纤维的加入有利于提高沥青胶浆的车辙因子G*/sinδ，从而改善胶浆的高温性能。还可看到，聚丙烯腈纤维沥青胶浆的G*/sinδ最大，其次是木质素纤维沥青胶浆，矿物纤维沥青胶浆的G*/sinδ最小，说明在相同温度下，聚丙烯腈纤维对沥青胶浆的高温抗永久变形能力的贡献最大，因此其高温抗车辙性能最优。

随着温度升高，各纤维沥青胶浆的G*/sinδ迅速降低，因此，纤维胶浆的抗永久变形能力随着温度的升高逐渐降低。而且随着温度的升高，纤维对沥青胶浆抗永久变形能力的影响程度也在逐步减小，这主要是因为随着温度的升高纤维沥青胶浆中自由沥青量也逐渐增多，使得纤维与沥青之间的黏附性能减弱所引起。

3 结论

1)无论是否添加纤维，各胶浆的 G*、G'、G″及G*/sinδ参数与温度之间关系都密切。而且各纤维胶浆的弹性部分比黏性部分的温度敏感性强。

2)基质沥青胶浆的温度敏感性高于纤维沥青胶浆的温度敏感性。聚丙烯腈纤维胶浆bG*和bG*/sinδ值最小，表明其热稳定性最好。

3)相位角δ和温度之间也有较好的相关性，与纤维沥青胶浆比较，基质沥青δ值随温度变化不明显。添加纤维的胶浆，δ随温度的升高逐步变大，说明胶浆的黏性成分所占比例随温度升高增大，而在相同温度下，纤维胶浆的相位角明显小于基质沥青，说明此时纤维胶浆的弹性成分要高于基质沥青胶浆。

4)纤维对胶浆抗车辙因子G*/sinδ影响显著。添加纤维后沥青胶浆G*/sinδ明显提高，抗流动变形能力显著增强，高温稳定性明显提高。但随温度升高，G*/sinδ逐渐降低，胶浆高温抗车辙能力也逐渐降低稳定性下降。

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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

国家自然科学基金项目(50778087)

姚立阳(1976—)，男，河南南阳人，博士研究生，主要从事道路结构与材料的研究。E-mail:yaoly@hncj.edu.cn。