趙 陽， 賈曉東， 梁乃興， 陳思雨

(1.重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074； 2.重慶工商職業(yè)學院城市工程建設學院， 重慶 400052)

在中國公路的路面結構中，瀝青路面占有相當重要的位置，約85%的高速公路采用瀝青路面。瀝青作為鋪路材料其最顯著的優(yōu)點是具有良好的黏附性，但其缺點是高溫下易變形、流淌，多次反復荷載作用下瀝青疲勞性能差[1-2]。隨著合成纖維工業(yè)的發(fā)展，不同種類的人工合成纖維被應用于筑路瀝青材料當中，用于改善瀝青的高溫易流淌變形，提高瀝青材料的疲勞性能。

纖維指由連續(xù)或不連續(xù)的細絲組成的物質。纖維的摻入[3]，對瀝青起到了很好的橋接作用，阻止了自由瀝青的流動，從而增加瀝青的疲勞性能。但由于單絲纖維與單絲纖維之間的表面吸附，其短切纖維在自然狀態(tài)下呈束狀。這種狀態(tài)致使纖維在傳統(tǒng)攪拌拌和的方式下，會在攪拌軸上形成“纖維球”，這種纖維球不僅限制了攪拌軸的轉動[4-7]，同時無法均勻分散聚乙烯醇(poly vinyle alcohol, PVA)纖維，進而無法達到復合加強提高疲勞性能的目的。

選取PVA纖維是以高聚合度的優(yōu)質聚乙烯醇為原料，采用特定的先進技術加工而成的一種合成纖維。按照出廠形式長度分為3、6、12 mm，直徑12～15 μm。當前，PVA纖維廣泛應用在高延性水泥基復合材料(engineered cementitious composite, ECC)中，即超高韌性水泥基復合材料PVA-ECC[8]。對于瀝青疲勞開裂一般認為是瀝青承受反復荷載后，瀝青中出現(xiàn)了微裂縫擴大而來。隨著動態(tài)剪切流變儀的引進，學者們在不同溫度、不同加載方式對瀝青的疲勞性能進行了大量研究[9]。Bonnetti等[10]提出了失效周期數(shù)Np20的評價指標用于評價瀝青的疲勞性能，作為基礎前沿研究，為提出科學的評價指標擴寬了思路，基于此，許多學者評價了瀝青疲勞性能。但研究主要集中在疲勞性能預估與重構上，而針對疲勞變化規(guī)律以及疲勞評價的合理指標研究較少。PVA纖維與常用筑路纖維聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯纖維相比，其模量更大、抗拉強度優(yōu)異、最大拉伸率適中，推測是更好地瀝青復合加強材料，其對瀝青膠漿疲勞性能的改善更為突出。然后，PVA纖維運用于瀝青以及瀝青混合料的研究幾乎為空白，這是由于PVA纖維160～170 ℃以上會脫水醚化，常規(guī)的瀝青混合料拌和溫度下會致使PVA纖維失去加筋作用。故，采取130 ℃下拌和，探索溫拌技術與PVA瀝青結合的可行性。

綜上，提高PVA纖維瀝青混合料的疲勞性能關鍵在于PVA纖維的有效分散以及提出疲勞評價的合理指標。因此，選擇PVA纖維為研究對象，對其微觀結構進行探究，分析其與瀝青結合的有效性的同時探索性地采用旋轉活塞式拌和法對PVA纖維瀝青進行拌和分散，采用動態(tài)剪切儀(dynamic shear rheometer, DSR)試驗對其疲勞性能進行時間掃描測試，選擇復數(shù)模量衰減Nf50和累積耗散能比Nder進行疲勞評價，探究PVA纖維對瀝青疲勞壽命的影響規(guī)律及疲勞性能增加原因。為溫拌技術與PVA瀝青結合的做前期基礎研究。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 瀝青

選用瀝青A級70號石油瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)對瀝青基本性能進行測試，其主要指標如表1所示。

1.2 PVA纖維

實驗用PVA纖維選自上海鍇源化工科技有限公司生產的短切PVA纖維，如圖1所示，其根據長度分為3、6、12 mm，樣品為白色，豎直長條形分布，呈束狀，一束由上千萬根PVA纖維組成。按照《瀝青路面用纖維》(JT/T 533—2020)試驗規(guī)程，對其進行性能測試，其結果如表2所示。

表1 70#基質瀝青基本性能

圖1 原狀PVA纖維Fig.1 Original PVA fiber

表2 PVA纖維基本性能Table 2 Basic performance of PVA fiber

1.3 掃描電鏡試驗

使用美國FEI公司的Quanta FEG250型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，對12 mm的PVA纖維樣品進行微觀結構掃描分析。

1.4 PVA纖維膠漿制備

由于PVA纖維呈束狀，在傳統(tǒng)攪拌方式下高速切結會導致纖維材料易爬桿繞軸，發(fā)生纖維包軸現(xiàn)象，在攪拌軸上易形成“纖維球”，完全無法均勻分散纖維。提出旋轉活塞式拌和法，對PVA纖維與瀝青進行拌和。其作用原理為采用不銹鋼制作成一個整體平滑的水滴狀拌合頭，表面涂上聚四氟乙烯后，人工通過拌合頭沿縱向對130 ℃下的瀝青試樣進行活塞式上下拌和，按照PVA纖維摻量在此過程中不停地添加PVA纖維，從而制作完成PVA纖維摻量分別為1%、2%、3%的PVA纖維瀝青。其作用原理如圖2所示。

圖2 旋轉活塞式拌和過程Fig.2 Rotary piston mixing process

1.5 流變性能測試

按照《使用動態(tài)剪切流變儀測定瀝青黏合劑流變特性的標準試驗方法》(T315-12)標準，采用美國TA動態(tài)剪切流變儀對PVA纖維含量1%、2%、3%以及70#的瀝青膠漿在25 ℃下進行時間掃描，試驗頻率10 Hz，應力控制下選擇0.1、0.15、0.2 MPa，試驗平行板選擇直徑為8 mm，加載間隙2 mm，測定PVA纖維瀝青的復數(shù)模量、震蕩應力、震蕩應變、相位角等參數(shù)。

2 試驗結果和討論

2.1 PVA纖維瀝青分散原理及效果

提出旋轉活塞式拌和法，其原理在于混合PVA纖維與瀝青時，將分散的纖維投入盛料筒內加熱的瀝青表面后，利用人工往復帶動拌合頭伸入盛料筒內，如圖2(a)所示，拌合頭將瀝青表面的纖維向下壓入瀝青，同時，拌合頭正下方的瀝青在拌合頭的擠壓下向周圍流動，使周圍瀝青的高度增加，盛料筒內瀝青的表面形成中間低四周高的凹陷狀，此時，纖維完成了在豎直方向的分布，如圖2(b)所示。隨著拌合頭在往復活塞式時向上抽出，由于瀝青具有黏性，使得中部的瀝青會隨拌合頭向上拉起，一旦拌合頭抽出速度超過瀝青的流動速度，拌合頭與瀝青脫離，此時，中部的高度仍然低于周圍高度，周圍的瀝青帶動纖維繼續(xù)向低處和中部流動，從而實現(xiàn)中部瀝青下壓，周圍瀝青升高后向中部流動的翻拌，此種翻拌完成了纖維在水平方向的流動，如圖2(c)所示。隨著盛料筒不停地旋轉，拌合頭不斷地往復運動，并且在拌合的過程中補充加入分散的纖維，最終完成纖維和瀝青的混合。

按照本研究提出的旋轉活塞式拌和法，有效解決了纖維與瀝青在傳統(tǒng)拌和中的繞桿和“纖維球”現(xiàn)象。按照此方法分散后的瀝青斷面如圖3、圖4所示。圖3中，纖維在瀝青中呈豎直狀態(tài)，其與瀝青的斷面為拉拔斷面，從此斷面可以看出PVA纖維有效地在瀝青中得以分散。圖4表明，與為摻入纖維的瀝青光滑表面而言，PVA纖維在瀝青表面形成了相當多的紋路，此紋路這是分布均勻的纖維在瀝青表面分布的一種形態(tài)。通過該形態(tài)以及圖3可推斷，在瀝青內部也完成了纖維的有效均勻分布。

圖3 PVA纖維瀝青斷面Fig.3 Cross-section of PVA fiber asphalt

圖4 PVA纖維瀝青表面Fig.4 Surface view of PVA fiber asphalt

2.2 PVA纖維瀝青疲勞性能評價

瀝青的復數(shù)模量G*常用來表征瀝青抵抗疲勞破壞的大小，其在反復作用小衰減越小，瀝青的疲勞性能越好。而通常瀝青的疲勞壽命采用Nf50來表征，它表示動態(tài)剪切儀對瀝青反復作用下，其復數(shù)模量G*下降到50%時，動態(tài)剪切儀對瀝青作用的次數(shù)。朱洪洲等[11]提出了累積耗散能比Nder來表征瀝青的疲勞壽命。選擇Nf50和Nder這兩種指標，探究PVA纖維瀝青的疲勞壽命，同時對比兩種指標的可行性。

2.2.1 復數(shù)模量G*衰減規(guī)律

按照《使用動態(tài)剪切流變儀測定瀝青黏合劑流變特性的標準試驗方法》(T315-12)，在0.1、0.15、0.2 MPa下對樣品分別為70號基質瀝青、1%PVA摻量、2%PVA摻量、3%PVA摻量的瀝青進行時間掃描，其變化規(guī)律如圖5、圖6所示。

圖5 不同摻量PVA瀝青在0.1 MPa作用下復數(shù)模量 變化規(guī)律Fig.5 Change of complex modulus of PVA asphalt under 0.1 MPa with different doping amount

圖6 不同應力控制下2%PVA瀝青復數(shù)模量變化規(guī)律Fig.6 Change of complex modulus of 2% PVA asphalt under different stress control

由圖5所示，在應力控制下，瀝青復數(shù)模量呈現(xiàn)衰變模式，其衰變速率先變大后變小隨后又變大。將這種規(guī)律總結成3個階段：①階段：為瀝青在荷載作用下的適應期，在該階段處于剛加載時期，瀝青復數(shù)模量會急劇下降以適應荷載，此階段時間較短；②階段：為瀝青的適應期，隨著荷載不停地增加，瀝青適應荷載，其黏彈性性能開始發(fā)揮作用，復數(shù)模量下降速率穩(wěn)定，但是此階段不停地積累荷載的疲勞損傷；③階段：按照材料損傷力學觀點，此階段不停積累疲勞的破壞，累積損壞能量達到極限，瀝青遭到破壞，體現(xiàn)在于復數(shù)模量急劇下降，瀝青性能失效。體現(xiàn)在數(shù)值上，學術界常將復數(shù)模量下降到50%的作用次數(shù)Nf50定義為疲勞破壞的極限點。

從圖5中還可以看出，復數(shù)模量隨著PVA纖維摻量的增加也相應提高，PVA纖維提高了膠漿的復數(shù)模量，增加了瀝青的黏度。其各種測試樣品的Nf50指標中，1%PVA、2%PVA、3%PVA分別比基質瀝青增加了34%、74%、94%，可見PVA纖維對瀝青疲勞性能的改善明顯。同時由于PVA纖維分散在瀝青中存在一定的飽和度和經濟性，再考慮到增加纖維摻量對Nf50提高效益的因素，本文摻量沒有繼續(xù)往4%以上試驗。

圖6中表示2%PVA摻量的瀝青在不同應力控制下的復數(shù)模量衰減情況，Nf50隨著應力的增大，成幾何倍數(shù)地迅速減小。這也同瀝青混合料的變形的基本規(guī)律一致，即作用荷載越大，其變形約嚴重。此外，應力控制越大，其復數(shù)模量曲線震蕩也越來越強，說明纖維的加入對瀝青疲勞恢復起到了一定的作用，側面應證了纖維的加入提高了瀝青的抗疲勞性能。

2.2.2Nder變化規(guī)律

在動態(tài)剪切儀荷載加載的過程中，每一個加載周期內應力與應變將會出現(xiàn)一定的滯后現(xiàn)象，測試數(shù)據中利用相位角來表示，而這種滯后導致應力與應變不再是呈線性關系，從而形成一種穩(wěn)定的滯后圓[12]。這種能量的損失在反復周期性的加載過程中以熱能散失掉，其耗散能計算公式為

(1)

式(1)中：t為時間；Wi為耗散能；σ為應力；ε為應變。

積分后得

Wi=πεσsinδ

(2)

式(2)中：δ為相位角。

累積耗散能比Nder定義為

(3)

式(3)中：Wn為第n次循環(huán)消耗的耗散能。

圖7、圖8為不同摻量、不同應力作用下的Nder，可以看出，Nder隨著加載次數(shù)的增大，其變化趨勢一致，呈現(xiàn)先增大后減小的變化。加載初期，由于疲勞累積破壞小，Nder與加載次數(shù)近似線性關系，隨著作用次數(shù)的增加Nder的增加幅度降低，越來越偏離Nder=N的直線，當疲勞損傷累積到一定程度，瀝青加速破壞，其Nder值達到最大，隨后Nder開始減小，此時這個最高點Nder被認定為累積耗散能比下的疲勞壽命[13]。70號基質瀝青的疲勞壽命最低，隨著摻量的增加，1%PVA、2%PVA、3%PVA疲勞壽命Nder分別提高了30%、55%、100%，說明PVA纖維的加入有效提高了瀝青的疲勞壽命。同時，不同應力下2%PVA瀝青其Nder隨著應力的增加疲勞壽命急劇下降，說明了重型交通對瀝青路面疲勞破壞影響巨大。

圖7 不同摻量PVA瀝青在0.1 MPa作用下Nder變化規(guī)律Fig.7 Nder change of PVA asphalt with different dosing at 0.1 MPa

綜上，將不同摻量下Nf50和Nder結果進行了對比，其結果如表3所示?？梢钥闯?，兩種方式確定的疲勞壽命在數(shù)量級上比較統(tǒng)一，且Nder普遍比Nf50低一些，不同摻量下降低幅度為10%～20%。Nder相較Nf50疲勞意義更加清晰，物理意義更加顯著，其原因有：①Nf50下降至1/2，由于階段1復合模量特別大隨后急速下降，初始模量的定義為數(shù)據測得的第一個值，其物理意義不明確，不能真正代表材料的初始模量，進而無法判定何時衰變至1/2；而Nder在圖像中會明顯出現(xiàn)峰值，應用此峰值作為疲勞壽命，物理意義清晰，且便于確定；②Nf50單純從指標下降1/2作為界定，只是一個定義，并沒有從材料損傷力學觀點出發(fā)，考慮累積作用次數(shù)小能量耗散的變化；③從路面結構設計安全角度，該指標更加嚴格，其對瀝青的性能要求更高。

圖8 不同應力控制下2%PVA瀝青Nder變化規(guī)律Fig.8 Nder change of 2% PVA asphalt under different stress control

表3 不同摻量下PVA瀝青Nf50和Nder結果對比Table 3 Comparison of Nf50 and Nder results for PVA asphalt at different content

圖9 PVA纖維SEM圖Fig.9 SEM image of PVA fiber

2.3 PVA纖維微觀形態(tài)及復合加強原理分析

如圖9(a)所示，PVA纖維在掃描電子顯微鏡下呈圓柱體狀，單絲纖維和單絲纖維之間相互吸附，這就解釋了為什么采用傳統(tǒng)的攪拌方式不能把PVA纖維均勻瀝青中，而是纏繞在攪拌桿上的原因。圖9(b)中，可見PVA纖維并非完全的光滑，而是在表面有顆粒狀的凸起物，此種凸起物呈不均勻隨機分布，為纖維與瀝青的物理吸附提供了有效的阻力，增加了瀝青與纖維的摩擦力，從而阻止了瀝青的流動性。圖9(c)中，更進一步表明了PVA纖維表面并非完全的光滑，其截面凹凸不平，錯亂無章，并且形貌并非完全標準的圓形，這為提高纖維與瀝青的物理吸附，增加瀝青的抗疲勞性能奠定了前提。

PVA纖維的微觀形貌，決定了它與瀝青的物理吸附，此種吸附帶給了瀝青延展性和自愈能力，從而從根本上提高了瀝青的抗疲勞性能。究其原因，可概括為：①穩(wěn)定作用，PVA纖維在瀝青中呈隨機分布，其在三維空間內與瀝青形成網狀效應，與瀝青形成統(tǒng)一整體的同時在一定程度上組織了微裂縫和塑性變形，提升了疲勞性能；②吸持增黏作用，PVA纖維與瀝青的吸附為物理吸附，其細觀層面上的顆粒狀凸起物有效增加了與瀝青吸附結合的吸持力，阻止了瀝青的自由流動，從而增加瀝青黏度，降低瀝青的溫度敏感性；③自愈恢復作用，纖維與瀝青之間的相互吸附，阻止了應力的擴張，增加了瀝青彈性成分。當外界應力消失后，收到拉伸變形的纖維發(fā)生彈性恢復，促使瀝青恢復原來的狀態(tài)，從而改善了瀝青的自愈恢復能力，增加瀝青抵抗疲勞破壞的性能。

3 結論

(1)PVA纖維與瀝青有很好的適配性，其細觀結構中的細小凸起顆粒以及不光滑的表面穩(wěn)定了瀝青，增加了瀝青相互吸持能力，從而改善黏度，此外，PVA纖維的加入還增加了瀝青的自愈恢復作用，綜合提升了瀝青抗疲勞性能。

(2)旋轉活塞式拌和法克服了傳統(tǒng)攪拌拌和法致使“纖維球”的缺點，能有效將PVA纖維在瀝青中分散，宏觀上其分散效果良好。

(3)隨著PVA纖維摻量的增加，復數(shù)模量增加，纖維的加入提高了瀝青的高溫性能。同時，隨著應力的增加，瀝青的復數(shù)模量也急劇下降，說明高應力下對瀝青路面疲勞的破壞較大。

(4)PVA纖維的加入有效地提高了瀝青疲勞壽命，從Nf50和Nder兩個指標中表現(xiàn)一致的規(guī)律，即疲勞壽命隨著纖維的加入相應增加，但出于纖維瀝青飽和度以及經濟角度出來，PVA纖維的摻入量不宜大于3%。同時，從物理意義清晰、易于確定疲勞壽命、結構設計安全3個角度，推薦采用Nder作為PVA纖維瀝青的疲勞評價指標。