摘要：文章研究在瀝青中加入聚酯纖維和秸稈纖維，通過分子動力學(xué)模擬、基本性能測試、動態(tài)剪切流變試驗(yàn)和彎曲流變試驗(yàn)等方法，探究纖維改性瀝青各組分之間的相互作用模式及流變特性，以達(dá)到瀝青性能顯著提升的目的。結(jié)果表明：纖維與瀝青具有一定的熔融效果，秸稈纖維對瀝青高溫性能的提升不如聚酯纖維，而在低溫性能方面表現(xiàn)優(yōu)異；在高溫條件下，聚酯纖維和秸稈纖維最佳摻量均為3%，而在低溫條件下最佳摻量分別為2%和3%。

關(guān)鍵詞：改性瀝青；聚酯纖維；秸稈纖維；流變特性；作用機(jī)理

U414.1A050164

0 引言

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究，提高路面材料性能是一種高效的延長使用壽命的方法，其中纖維因具有很好的穩(wěn)定性和堅(jiān)韌性，在提升瀝青路面耐久性方面貢獻(xiàn)較大［1］。

目前聚酯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、木質(zhì)素纖維等不同性質(zhì)纖維被廣泛用于瀝青改性［2］。2020年，東北林業(yè)大學(xué)何東坡等采用玄武巖礦物纖維來改善巖瀝青低溫性能不足的問題，研究報(bào)告指出玄武巖纖維摻量為6%時(shí)巖瀝青高溫連續(xù)分級溫度僅提高1.96 ℃，而低溫連續(xù)分級溫度可提高4.87 ℃，即玄武巖纖維對瀝青高溫性能影響不大，而低溫性能提升效果明顯［3］；2021年河北工程大學(xué)的高穎等在探究玻璃纖維對聚乙二醇瀝青混合料增強(qiáng)效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，僅0.2%的玻璃纖維就能使動穩(wěn)定度提高51%，而對低溫性能和水穩(wěn)定性幾乎沒有影響，玻璃纖維不會破壞聚乙二醇對瀝青混合料的調(diào)溫效果［4］；2022年周海成等從瀝青基本性質(zhì)指標(biāo)得出，陶瓷纖維可降低瀝青的溫度敏感性，較小程度提升抗開裂性能，但不適宜用于低溫條件，混合料指標(biāo)顯示陶瓷纖維可使高溫變形能力和蠕變剛度得到顯著提升［5］；2023年呂鵬磊等認(rèn)為木質(zhì)素纖維分散性好、韌性優(yōu)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)可在瀝青改性中發(fā)揮重要作用，進(jìn)一步試驗(yàn)表明木質(zhì)素纖維改性SBS瀝青主要是物理共混過程，木質(zhì)素纖維針管狀中空結(jié)構(gòu)并未有瀝青流入，其脫黏和拔出效應(yīng)及SBS點(diǎn)+線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可共同提升瀝青高溫性能［6］；2023年駱俊暉等認(rèn)為聚丙烯腈纖維對排水瀝青混合料路用性能的改善效果最明顯，與不摻纖維的對照組相比，其動穩(wěn)定度增加超過50%、凍融劈裂強(qiáng)度比增加約6%、浸水飛散損失量減少近4%，木質(zhì)素纖維對排水瀝青混合料路用性能的改善效果相對較差［7］。

本研究根據(jù)不同纖維改性瀝青的性能差異，確定了不同適用條件的纖維類型和用量，有關(guān)成果對纖維改性瀝青路面的使用具有重要的理論和實(shí)踐意義［8］。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

本研究制備改性瀝青的原材料包括90#基質(zhì)瀝青、秸稈纖維、聚酯纖維，經(jīng)檢測性能指標(biāo)均滿足道路用材料相關(guān)要求。

1.2 試樣制備

為避免纖維在攪拌過程中損壞，試樣制備先用少量纖維與瀝青手動混合均勻，再按規(guī)定摻量機(jī)械攪拌。不同纖維摻量下改性瀝青類型見表1。

2 試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)

2.1 分子動力學(xué)模擬

2.1.1 相容性

瀝青和改性劑的相容性是改性瀝青能否耐久的關(guān)鍵指標(biāo)，通常采用溶解度參數(shù)（δ）來量化溶劑和溶質(zhì)之間的相互作用，能較好地評估混合物的相容性，溶解度參數(shù)（δ）采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

δ=（E/V）1/2=（Um/Vm）1/2（1）

式中：E——內(nèi)聚能密度（J/mol）；

V——體積（mL/mol）；

Um——摩爾蒸發(fā)能（J）；

Vm——重復(fù)單元的摩爾體積（ml）。

2.1.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能可以表征材料在外力作用下的抗變形能力，它會顯著影響材料的制備和使用效果。為了描述瀝青分子的應(yīng)力-應(yīng)變行為，本文使用楊氏模量（E）、體積模量（V）、剪切模量（G）等參數(shù)來模擬各向同性材料的拉伸或剪切應(yīng)力，參數(shù)計(jì)算見式（2）～式（4）。

E=μ（3λ+2μ）λ+μ（2）

K=λ+23μ（3）

G=μ（4）

2.2 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)

動態(tài)剪切流變試驗(yàn)包括溫度掃描試驗(yàn)和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)程條件和參數(shù)進(jìn)行。

2.3 彎曲流變試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用彎曲梁流變儀評估不同纖維改性瀝青在-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃溫度下的低溫性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 分子動力學(xué)模擬分析

纖維對瀝青流變性能的影響研究及作用機(jī)理分析/張永魁，左紹祥，方雪朋，湯彬彬

3.1.1 相容性分析

溶解度參數(shù)差越小表示纖維與瀝青的相容性越好，溶解度參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，B2的溶解度參數(shù)比A大約12.6（J/cm3）0.5，C3的溶解度參數(shù)比A大約6.1（J/cm3）0.5，所以聚酯纖維與瀝青的相容性比秸稈纖維更好，秸稈纖維和聚酯纖維分別在165 ℃和170 ℃時(shí)與瀝青相容性最好。由于聚酯纖維和秸稈纖維的分子尺寸和結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)聚能密度和溶解度參數(shù)隨溫度以不同的速率下降，這是溶解度參數(shù)不穩(wěn)定的主要原因。

3.1.2 力學(xué)性能分析

在力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算過程中，分別獲得了A、B2和C3在不同溫度下的楊氏模量（E）、體積模量（V）、剪切模量（G）等參數(shù)的模擬結(jié)果，如圖2所示。

隨著溫度升高，瀝青分子鏈運(yùn)動的限制被解除，鏈段之間滑移增加，導(dǎo)致模量降低，三種改性瀝青的基本性能指標(biāo)出現(xiàn)一定程度的下降。B2和C3的楊氏模量（V）、剪切模量（G）明顯高于A，即纖維的加入在不同程度上提高了瀝青的剛度和抗剪性能，另外B2和C3的楊氏模量和剪切模量基本一致，但C3體積模量（V）明顯高于B2體積模量。這是由于聚酯纖維的密度和體積模量均大于基質(zhì)瀝青和秸稈纖維，其增加了聚酯纖維改性瀝青的剛度，降低了可壓縮性。

3.2 基本性能指標(biāo)分析

本研究以A作為對比對象，分析纖維改性瀝青B2和C3在基本性能指標(biāo)方面表現(xiàn)出的優(yōu)勢，基本性能指標(biāo)見表2。

由表2可知，隨著纖維用量的增加，瀝青針入度逐漸降低，纖維在瀝青中起到剛性組分的作用，從而增加了瀝青的黏度。在延展性方面，纖維降低了瀝青的5 ℃延度，基質(zhì)瀝青在斷裂處呈針尖絲狀，在沒有拉力的情況下會自然斷裂，而纖維改性瀝青延度試驗(yàn)斷裂面呈相對齊平的梯形，這就表明纖維的加入使瀝青變得粘稠，抗變形能力提升。添加纖維后，瀝青粘附在相互交叉的纖維上，高溫下流動性得到抑制，所以纖維可顯著提升瀝青的軟化點(diǎn)和高溫穩(wěn)定性。在纖維對比方面，聚酯纖維改性瀝青表現(xiàn)出較小的針入度和延度、較高的軟化點(diǎn)，盡管聚酯纖維對瀝青的耐熱性優(yōu)于秸稈纖維，但在低溫方面表現(xiàn)不佳。

3.3 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)數(shù)剪切模量（G*）可表征瀝青材料抵抗連續(xù)剪切變形的能力，不同纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量如圖3所示。

由圖3的變化趨勢可知，各種瀝青復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的升高均呈下降趨勢，其中纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量均高于基質(zhì)瀝青，這是由于纖維吸收了部分應(yīng)力，增加了材料的整體承載力。纖維類型和用量不同，纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)隨溫度的變化速率不同。在82 ℃時(shí)，聚酯纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量隨纖維的增多而增大，最大值為基質(zhì)瀝青的3倍左右，而隨著秸稈纖維用量的增加，瀝青復(fù)合剪切模量先增大后減小，在52 ℃條件時(shí)可達(dá)瀝青基質(zhì)的2.9倍左右。當(dāng)溫度低于58 ℃時(shí)，秸稈纖維改性瀝青（B2）的復(fù)數(shù)剪切模量均大于聚酯纖維改性瀝青（C3），當(dāng)溫度超過58 ℃后結(jié)論相反，這時(shí)瀝青在反復(fù)剪切下變形最小。

瀝青粘彈性由相位角（δ）來表征，圖4為不同纖維改性瀝青相位角隨溫度的變化趨勢。由圖4可知，當(dāng)纖維用量較低時(shí)，相位角均隨溫度的升高而增大，這表明纖維加入后瀝青從粘彈性逐漸變?yōu)轲ば?。?dāng)纖維用量進(jìn)一步增加，大量瀝青被吸附在纖維上，瀝青流動性被抑制，這時(shí)纖維改性瀝青的彈性和相位角隨溫度的升高呈先減小后增大的趨勢。

本研究通過計(jì)算得到車轍因子（G*/sinδ）用于評價(jià)瀝青高溫性能，車轍因子越大，瀝青在高溫下對車轍的抵抗力更強(qiáng)。車轍因子試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著纖維的增加，車轍因子不斷增大，因此瀝青對高溫變形的抵抗力得到增強(qiáng)。70 ℃時(shí)纖維改性瀝青的車轍因子均gt;1.0 kPa，這滿足SHRP規(guī)范相關(guān)要求。B2和C3表現(xiàn)最佳的彈性、高溫抗車轍性能。

3.3.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

在64 ℃對瀝青進(jìn)行了多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，以確定其各自的不可逆柔性蠕變和變形恢復(fù)率，不可逆柔性蠕變越小表示抗高溫車轍能力越強(qiáng)，可以彈性恢復(fù)的瀝青成分越多。試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7。

由圖6可知，不同類型瀝青在0.1 kPa加載條件下的不可逆柔性蠕變lt;3.2 kPa加載條件，這表明由于輕交通引起的不可逆變形很小，此結(jié)論可為控制車輛超載提供依據(jù)。加入纖維后，瀝青的不可逆柔性蠕變迅速降低，即纖維可以顯著提高瀝青的耐高溫老化性能。在輕交通情況下，B2和C2不可逆柔性蠕變比A（0.1 kPa和3.2 kPa的不可逆柔性蠕變分別為8.4 kPa-1和6.8 kPa-1）分別降低28倍和27倍，而在重交通條件下分別降低24倍和18倍。

圖7顯示，64 ℃時(shí)基質(zhì)瀝青的變形恢復(fù)率幾乎為零，基本處于完全黏性狀態(tài)。添加聚酯纖維后，瀝青變形恢復(fù)率隨摻量呈正比例增加，表明瀝青彈性增強(qiáng)；添加秸稈纖維后，瀝青變形恢復(fù)率隨摻量增加先增大后減小。纖維用量過大使游離的瀝青大幅減小，這時(shí)纖維改性瀝青的變形在加載后較難恢復(fù)，C3的變形恢復(fù)率可達(dá)到42%左右。

3.4 彎曲梁流變試驗(yàn)結(jié)果分析

蠕變勁度模量（S）可表征瀝青在一定溫度和荷載下的剛度，其值越大，表明瀝青越硬，在承受荷載時(shí)更容易發(fā)生低溫開裂，不同纖維改性瀝青的S和m試驗(yàn)結(jié)果見圖8和圖9。

由圖8可知，不同瀝青彎曲勁度模量隨溫度的降低而增加，使瀝青更容易發(fā)生低溫開裂。當(dāng)纖維用量較低時(shí)，瀝青的彎曲勁度模量均小于基質(zhì)瀝青，隨著纖維用量的增加，纖維改性瀝青的低溫塑性和剛度得到增強(qiáng)。纖維對比方面，秸稈纖維顯示出更小的彎曲勁度模量，其中B2表現(xiàn)出最佳的低溫抗裂性。

由圖9可知，瀝青蠕變速率隨溫度的降低而逐漸減小，這表明瀝青類材料在較低溫度下不太可能發(fā)生變形，蠕變速率越小，就越有可能出現(xiàn)低溫開裂。除B1以外，纖維改性瀝青的蠕變速率均小于A，這表明添加纖維可顯著降低低溫下變形的可能性，特別是在纖維含量較高時(shí)更為突出。

本研究引入低溫系數(shù)k（k=S/m）來評估瀝青材料的低溫性能，k值越低表示低溫性能越好，圖10為不同改性瀝青的低溫系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。由圖10可知，纖維摻量較高時(shí)并不會顯著改善瀝青的低溫性能（例如在-6 ℃條件下，C3的低溫系數(shù)是A的2倍），所以纖維用量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，以確保有效的低溫性能。在實(shí)際使用過程中，纖維摻量超出最佳范圍可能導(dǎo)致混合不均和接團(tuán)現(xiàn)象，同時(shí)瀝青和纖維之間的界面層也有可能在低溫下變薄，導(dǎo)致瀝青和纖維在受到彎曲和拉伸應(yīng)力時(shí)缺乏摩阻力?？偟膩碚f，秸稈纖維改性瀝青在低溫下性能比聚酯纖維更好。

4 結(jié)語

（1）通過分子動力學(xué)模擬可以證明纖維與瀝青之間存在一定程度的相容性，纖維的加入可以改善瀝青的力學(xué)性能。

（2）高溫條件下進(jìn)行的溫度掃描試驗(yàn)和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)表明，纖維的加入可以改善瀝青的高溫流變特性和抗老化性能，當(dāng)聚酯纖維或秸稈纖維含量為3%時(shí)，改性效果最佳。

（3）中溫條件下，纖維的加入可顯著提高瀝青的抗應(yīng)力性能，增加失效循環(huán)荷載次數(shù)，提高了瀝青的抗疲勞性能。在低溫條件下，纖維的加入對蠕變性能測試結(jié)果沒有明顯影響，而引入的低溫系數(shù)表明，聚酯纖維和秸稈纖維的最佳摻量分別為2%和3%。

參考文獻(xiàn)：

［1］MAHMOUD E，ABOELKASIM D，XU Y.Short and long termproperties of glass fiber reinforced asphalt mixtures［J］.International Journal of Pavement Engineering，2021，22（1）：35-43.

［2］TRUONG G T，CHOI K K.Effect of short multi-walled carbon nanotubes on the mode I fracture toughness of woven carbon fiber reinforced polymer composites［J］.Construction and Building Materials，2020，23（3）：23-28.

［3］何東坡，左惠宇.基于流變學(xué)的玄武巖礦物纖維改性巖瀝青高低溫性能研究［J］.功能材料，2020，51（9）：10 081-10 088.

［4］高 穎，王偉赫，朱玉風(fēng)，等.玻璃纖維改性相變?yōu)r青混合料路用性能［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（27）：11 790-11 795.

［5］周海成，潘勤學(xué).陶瓷纖維的添加對瀝青流變性能的影響研究［J］.公路工程，2022，47（4）：166-171.

［6］呂鵬磊，王宏光，王子照，等.基于流變學(xué)的木質(zhì)素纖維復(fù)配SBS改性瀝青高低溫性能及微觀特性研究［J］.公路，2023，1（1）：23-29.

［7］駱俊暉，謝 成，任天锃，等.不同纖維對排水瀝青混合料路用性能的影響研究［J］.西部交通科技，2023（1）：1-3.

［8］HASAN ZIARI，YASHA SAGHAFI，ALI MONIRI，et al.The effect of polyolefin-aramid fibers on performance of hot mix asphalt［J］.Petroleum Science and Technology，2020，38（3）：112-118.