纤维增强沥青混凝土流变特性研究进展与展望

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1、纤维增强沥青混凝土流变特性 研究进展与展望郑 卫(湖北省恩施州华泰交通建设有限公司)摘要：纤维改性沥青混凝土是一种通过掺入纤维材料，改善沥青胶浆以及沥青混合料的综合性 能， 从而提高沥青路面使用品质的复合材料， 而纤维沥青胶浆及其混合料的流变特性对沥青混凝土的 抗永久变形能力具有决定性的影响。 本文概述了纤维改性沥青胶浆及其混凝土流变特性的研究进展， 并讨论了今后该领域研究中应该注意的问题。 关键词：纤维胶浆； 沥青混凝土； 流变模型1 前言国内外几十年的高等级公路建设的实践表明， 由于 交通量、汽车载重量的不断增加和自然因素的影响， 按 现行路面设计体系和标准设计的沥青路面常常在远未 达到设

2、计使用年限时， 就会出现沥青路面的早期破坏甚 至是结构性破坏1。因此， 为了延长道路的使用寿命， 减 少维修养护费用， 必须采用有效的改性增强方法和手段 提高沥青路面的使用品质。 纤维改性沥青混凝土是一种通过掺入纤维材料， 改 善沥青胶浆以及沥青混合料的综合性能， 从而提高沥青 路面使用品质的复合材料。相比于其它改性方法 （如聚 合物改性） ，纤维改性沥青混凝土的突出特点是能阻止 混凝土结构中裂缝的扩展 （包括温缩裂缝和反射裂缝） 并减少车辙流动变形和疲劳破坏的出现， 对于延长沥青 路面的使用寿命具有显著作用， 从而达到提高公路建设 投资效益的目的。 国外对纤维改性沥青基复合材料的研 究可追溯

3、至 20 世纪 50 年代后期， 且其最初的使用目的 是为了预防沥青路面的反射裂缝的产生与发展， 目前欧 美等国已经采用纤维加强沥青混凝土修筑了高速公路、 机场及其它大交通量的等级公路。 国内对纤维改性沥青 基复合材料的研究起步较晚， 到二十世纪九十年代随着 SMA 路面结构的引入和纤维添加剂的出现， 才慢慢引起 了人们对纤维改性沥青基复合材料的关注， 且取得了一 定的研究成果。然而， 目前在纤维改性沥青混凝土应用 中主要依赖经验或半经验的方法， 导致纤维改性的作用 未能得到充分发挥， 在公路的早期运营过程中仍然会出 现车辙、 疲劳开裂等病害， 未能从真正意义上改善我国 高等级公路的路面的使用

4、品质和提高公路建设的投资 效益。流变学是力学的一个新分支， 其主要研究内容包括 各种材料的蠕变和应力松弛的现象、 屈服值以及材料的 流变模型和本构方程。因此， 通过对纤维改性沥青混凝 土流变特性的研究， 有助于我们更加深入地了解其流动 变形本质和纤维的改性增强的工作原理， 具有重要的实 践指导意义。 本论文概述了纤维改性沥青胶浆及其混合 料的流变特性研究进展， 针对该领域目前研究中存在的 问题进行了讨论， 并展望了纤维改性沥青混凝土的发展 前景。2 纤维改性沥青胶浆流变特性的研究虽然沥青胶浆在整个体系中所占的比例相对较小， 但它在沥青混合料这样一个多级空间网状结构的分散 系中最为重要，是影响沥

5、青混凝土粘弹性的根本因素。 同时， 沥青胶浆或混合料的流变特性对沥青混凝土的抗 永久变形能力具有决定性的影响， 根据美国 “战略公路 研 究 计 划 ” （Strategic Highway Research Program, SHRP） 的研究成果， 沥青胶浆对于高温车辙的贡献率为 29%，对疲劳的贡献率为 52%，对温度裂缝的贡献率为 87%。 沥青材料流变性能一直是道路材料领域研究的热 点。 各种纤维掺入后会对沥青胶浆基本技术性能产生影 响， 沥青粘度会随着纤维掺量的增加缓慢增长， 同时， 纤 维的掺入会使沥青胶浆的软化点升高而针入度降低。 通 过借用 SHRP 评价沥青的方法，采用动态

6、剪切流变仪 （Dynamic Shear Rheology, DSR） 也可以评价纤维改性 沥青胶浆的流变特性， 其结果可以用复数剪切模量表示 为 G*=G +iG” ，其中， G* 是复数剪切模量， G 为贮存剪切 模量， G”为损失剪切模量， 为相位角，车辙因子- 10 -广东建材 2008 年第 9 期研究与探讨G*/sin(或与 60动粘度结合)可以用来研究胶浆抵 抗流动变形的能力， 粘度与车辙因子 G*/sin 越大， 则 说明沥青胶浆抵抗高温车辙的能力越强；而 G*sin 越小， 则代表较好的疲劳抵抗能力。吴少鹏1等人的研 究结果表明， 温度一定时， 随着纤维掺量的增加， 沥青胶

7、浆的车辙因子 G*/sin 值不断增加， 其中 60时， 掺加 0.3%聚酯纤维的沥青胶浆车辙因子提高近 8 倍， 表明加 入纤维后沥青胶浆的高温稳定性得到了很大的提高， 且 聚酯纤维对高温稳定性的改善作用强于木质素纤维； 车 辙因子随着温度的升高急剧下降， 表明纤维改性沥青胶 浆具有显著的温度敏感性。这与邹桂莲等人2的研究结 果一致， 在其研究中， 掺加 0.06%(占沥青用量)的聚丙 烯腈纤维的沥青胶浆的车辙因子较原样沥青提高 2.5 倍。此外，还可结合 DSR 和小梁弯曲流变仪 （Beam Bending Rheology, BBR） 评价纤维、 矿粉、 水泥等填料 加入后对沥青胶浆的性

8、能变化， 结果表明在沥青混合料 中加入纤维后能增强沥青混合料的弹性和劲度模量， 且 纤维对沥青混合料低温性能和抗疲劳性能的影响强于 水泥和矿粉3。4 问题分析与讨论以上分析表明， 纤维改性沥青胶浆及其混凝土流变 特性的研究已经取得了一定的研究成果， 但笔者认为目 前该领域的研究尚有以下问题亟待解决： 纤维对沥青 的加筋与稳定作用将极大地改变沥青胶浆的流变性能， 因此， 简单或单一的流变性能指标 （如软化点、 针入度、 模量和相位角等） 难以有效表征纤维改性沥青胶浆的流 变特性， 需用建立更加适宜的性能体系来实现纤维改性 沥青胶浆流变性能的正确评价； 目前常用的沥青及其 混凝土粘弹理论尚未能解释

9、纤维改性沥青胶浆及其混 凝土的粘 - 弹 - 塑特性。在正常工作温度或频率下， 沥 青呈粘弹性而符合由粘、 弹力学元件组合而成的流变模 型。纤维的掺入赋予了沥青很大的塑性， 与普通沥青或 聚合物改性沥青相比较， 纤维改性沥青因弹性和粘性部 分被纤维的局部冻结而具有显著的屈服应力 - 应变特 征。因此， 关于建立带有塑性元件的复杂流变模型将是 分析纤维改性沥青胶浆及其混凝土的蠕变和松弛等流 变特性的关键问题。5 结语与展望我国高速公路网规划总里程为 8.5 万公里， 预计到 2010 年底高速公路总里程将达到 5.05.5 万公里。为 实现国家高速公路网建设目标，“十一五” 期间高速公路 建设年

10、均投资约 14001600 亿元。 因此， 如何延长路面 的使用寿命和提高公路建设的投资效益一直以来都是 我国交通部门和道路研究工作者迫切需要解决的问题。 使用纤维改性沥青混凝土铺筑的沥青路面， 虽然会在一 定程度上提高高速公路建设的初期工程成本， 但能显著 提高沥青路面的使用寿命， 并大大减少高速公路运营工 程中的养护费用。 普通沥青混凝土造价约为 750 元 /m3， 纤维以 0.3%的用量掺入后，每 m3 纤维改性沥青混凝土 增加成本约 72 元 （2.4t0.3%10000 元 /t） ， 成本增 加幅度约为 8.6%，但纤维改性沥青混凝土能保证高速 公路使用寿命达 1015 年， 即

11、可延长寿命 40%或更长。 假设普通沥青混凝土成本与服务寿命比值为 1， 则纤维 改性沥青混凝土成本与服务寿命比为 108.6%/140% =77.6%， 成本效果分析表明纤维改性沥青混凝土明显优 于普通沥青混凝土。同时， 纤维改性沥青混凝土铺筑的 路面除了延长服务寿命外， 还能大大降低路面的日常养 护费用和工作量。因此， 通过对纤维改性沥青混凝土流 变性能的研究， 并对我国高速公路的新建和改造工程中3 纤维改性沥青混凝土流变特性研究目前关于纤维改性沥青混凝土流变特性的研究尚 未见具体报导， 但沥青与沥青混合料通常都属于典型的 粘弹性材料， 其流变特性通常采用 Burgers 流变模型进 行描

12、述。 沥青材料在各种改性剂 （聚合物、 纤维等） 的作用 下， 其流变模型和流变方程会发生很大的变化。在较高 的变形和应力水平下， 聚合物改性沥青的微观结构会产 生时间依赖性， 在这样的应力模式下， 聚合物改性沥青 的力学行为不再遵循线性粘弹性的规律。Szydlo4分析 了沥青混合料流变参数对永久变形的影响， 发现流变模 型中的粘性系数 1 和延迟弹性模量 E2 对沥青混凝土 的车辙深度具有显著影响， 其中沥青胶浆的流变性能参 数 （尤其是粘性系数） 是导致沥青路面发生车辙流动变 形的主要因素， 而延迟弹性模量则能决定沥青表面磨耗 层的变形。国内的研究学者中， 延西利5通过三轴实验 研究了沥青

13、混合料的流变特性， 明确了沥青混合料的流 变模型， 并采用计算机对实验数据进行模拟， 得出了沥 青混合料 Burgers 模型的流变参数， 其结果表明温度并 不影响沥青混合料的弹性性质， 但会影响瞬时弹性与粘 弹性中弹性成分的比例。- 11 -研究与探讨广东建材 2008 年第 9 期矿渣水硬活性的复合激发试验研究丁 铸张 鸣邢 锋 王淑平（深圳大学、 深圳市土木工程耐久性重点实验室） （哈尔滨工业大学深圳研究生院）摘要：采用石膏、 三乙醇胺、 硫酸钠以及熟石灰等复合激发磨细矿渣在普通硅酸盐水泥中的水硬 活性， 研究了混合水泥在水化 7 天到 60 天的强度发展。 石膏与三乙醇胺复合激发时，

14、激发效果总体上 与石膏单独使用时的效果相当。硫酸钠与三乙醇胺复合使用时， 与单独使用石膏相比， 抗折强度和抗 压强度都降低了。 硫酸钠、 三乙醇胺与熟石灰复合激发有较好的激发效果， 不论在早期还是后期， 抗折 强度和抗压强度都提高了； 抗折强度的提高幅度大于抗压强度。 磨细矿渣与碱性条件和硫酸盐共同存 在的条件下， 激发效果最好。 关键词：矿渣； 水泥； 强度； 激发粒化矿渣高炉矿渣是钢铁冶炼过程中形成的副产 物， 其化学成分和硅酸盐水泥熟料相似， 在水淬作用下 形成一种玻璃体结构, 因而使得矿渣具有潜在水化活性1。 掺入矿渣后水泥混凝土的结构更加密实， 强度和耐久性 得以改善， 水泥水化物和

15、矿渣水化反应的产物逐渐填充 界面断裂处并形成连续的空间结构，界面的孔隙率降 低， 界面过渡区趋于致密， 改善了混凝土的性能2。因此 高炉矿渣用来作为水泥混凝土的辅助材料是其提高其 效用的一条重要途径， 对于改善环境、 节约资源有着重 大的生态和经济意义。 矿渣在利用过程中通常要进行激 发， 以便提高其利用价值。矿渣的激发手段主要有化学 激发和机械活化， 化学激发有碱激发和硫酸盐激发方法3-5， 机械活化主要是将矿渣粉磨成超细粉 （比表面积大于 400m2/kg） 加以使用6。本文研究了矿渣超细粉在硫酸 盐、 三乙醇胺等激发剂复合作用下对水泥强度发展的影 响。 1 试验1.1 原材料采用的水泥为

16、深圳海星小野田 P O42.5R 级普通硅 酸盐水泥， 山东潍坊大元实业公司生产的矿渣， 其比表 面积 450m2/kg。激发剂为硫酸钠 （Na2SO4） 、 和二水石膏 （CaSO4 2H2O） 、 三乙醇胺和熟石灰。 水泥的化学组成和矿 物组成见表 1， 矿渣的化学组成见表 2。 1.2 试验方法本试验研究按 GB17671-1999 水泥胶砂强度检验 法 规定的方法进行水泥胶砂强度试验, 矿渣 30%取代 水泥， 按灰 / 砂 =1/3， W/B=0.5。按矿渣混合水泥的胶砂 强度考察对矿渣受激发作用的大小程度。 试件成型后在 温度 202，湿度大于 90%的标准情况下养护一天表 1 水泥化学成分与矿物组成 /