聚酯纤维沥青混凝土动态模量与疲劳性能研究

1、第29卷 第9期2007年9月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.29 No.9 Sep.2007聚酯纤维沥青混凝土动态模量与疲劳性能研究叶群山,岳红波,李 力,吴少鹏(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,武汉430070)摘 要: 采用动态模量试验和间接拉伸疲劳试验研究了聚酯纤维沥青混凝土(纤维掺量为0.25%)的动态模量特性和疲劳性能,分析了聚酯纤维对沥青混凝土粘弹特性和疲劳性能的影响。结果表明,聚酯纤维掺入后能降低沥青混凝土低温时的脆性,提高其高温时的劲度。同时,聚酯纤维沥青混凝土的损耗模量降低,其抵抗疲劳

2、开裂的能力增强。间接拉伸疲劳试验也表明,聚酯纤维能提高沥青混凝土的疲劳寿命,且在低应力的情况下改善效果更加明显。关键词: 沥青混凝土; 聚酯纤维; 动态模量; 相位角; 疲劳寿命中图分类号: U416.21文献标志码: A文章编号:1671 4431(2007)09 0005 04DynamicModulusandFatiguePropertyofPolyesterFiberReinforcedAsphaltConcreteYEQun shan,YUEHong bo,LILi,WUShao peng(KeyLaboratoryofSilicateMaterialsScienceandEngin

3、eeringofMinistryofEducation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract: Thedynamiccharacteristicsandfatiguepropertyofpolyesterfibermodifiedasphaltconcreteareinvestigatedinthispaper,andtheeffectsofpolyesterfiberontheviscoelasticcharacteristicandfatigueperformanceareanalyzed.Testresultsind

4、icatethattheflexibilityofasphaltconcretecanbeincreasedatlowertemperatureswhenpolyesterfibersareused,andthestiffnessofasphaltconcreteisreinforcedathighertemperatures.Furthermore,thefatigueparametersofpolyesterfiberrein forcedasphaltconcretearedecreased,whichimplythatthefatiguecrackingresistanceofasph

5、altconcreteisimproved.Thecyclenumberstofatiguefailureofasphaltconcretecanbeincreasedgreatlybytheutilizationofpolyesterfiber,andthisenhancementispresentedmoresignificantlyatlowerstresslevels.Keywords: asphaltconcrete; polyesterfiber; dynamicmodulus; phaseangle; fatiguelife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

6、及沥青混合料的综合性能,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。因此,纤维改性沥青混凝土近年来得到了越来越多的重视和应用1,2。国内外的许多研究者也对纤维沥青混凝土的各项性能进行了研究,且主要集中在路用性能方面能的改善效果。收稿日期:2007 06 07.基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET 05 0656).:( ),.E mail:w3 5。作者研究了聚酯纤

7、维对沥青混凝土动态模量和相位角的影响,分析了聚酯纤维沥青混凝土粘弹特性的变化规律,并研究了聚酯纤维在不同的应力荷载作用下对沥青混凝土疲劳性6 武 汉 理 工 大 学 学 报 2007年9月1 实 验1.1 原材料试验中采用的沥青为湖北鄂州科氏沥青有限公司生产的SBSI D改性沥青,其各项物理技术性能见表1。聚酯纤维由武汉天汇纤维材料有限公司提供,直径为45 m,长度为1100 m,熔点为248 。沥青混合料采用Superpave12.5级配,级配组成见表2。粗集料为湖北京山生产的玄武岩,细集料为湖北宜昌生产的石灰岩,2种矿料的技术性能见表3。表1 沥青性能试验结果指标试验值技术要求针入度(25

8、 ,100g,5s)/(0.1mm)5730!60延度(5cm/min,5 )/cm3420表2 Superpave12.5级配组成筛孔尺寸/mm通过率/%19100软化点(环球法)/8060运动粘度(135 )/(Pa s)2 6#3表3 2种集料基本物理技术性能项目玄武岩石灰岩视密度/(g cm-3)磨耗值/%15.6-压碎值/%13.2-坚固性/%-3.6砂当量/%-84.51.2 方法与步骤动态模量试验和疲劳试验试件均采用旋转压实方法成型,首先成型出 150mm170mm试件,然后经过切割和打磨制备出2种标准尺寸的试验试件,动态模量试件尺寸为 100mm150mm,间接拉伸疲劳试验试件

9、尺寸为 150mm38mm。在研究中,聚酯纤维掺量为0.25%(质量百分比),基准样沥青混合料的最佳油石比为5.0%,聚酯纤维沥青混合料的最佳油石比为5.2%。62 结果与分析2.1 动态模量动态模量是用来描述沥青材料粘弹性性质的基本参数之一,其通常用在动态模量试验中以达到稳定状态时的应力幅值和应变幅值的比值来确定。图1为聚酯纤维沥青混凝土的动态模量试验结果,并将其与未掺纤维的沥青混凝土动态模量进行比较,图1中C代表基准样,PF代表聚酯纤维沥青混凝土。从图1中可以看出,温度和荷载对沥青混凝土动态模量的影响很大,随着温度的降低和频率的增加,沥青混凝土的动态模量显著增大。聚酯纤维沥青混凝土的动态模

10、量随温度和频率变化的规律与基准样沥青混凝土一致,聚酯纤维的掺入能降低沥青混凝土常温及低温时的动态模量,表明聚酯纤维沥青混凝土的劲度得到了降低,这主要是因为聚酯纤维能够分散沥青混凝土中的应力,而且可以降低宏观裂缝扩展时裂纹尖端产生的应力集中,使沥青混凝土的柔性得到提高。另一方面,高温时(40 )聚酯纤维沥青混凝土的动态模量大于基准样沥青混凝土,表明此时聚酯纤维在沥青混凝土中发挥了增强的效果,增加了沥青混凝土的劲度,使其抵抗高温流动变形的能力得到提高。第29卷 第9期 叶群山,等:聚酯纤维沥青混凝土动态模量与疲劳性能研究 72.2 相位角沥青混凝土的相位角可以用来描述材料粘性部分和弹性部分的相对大

11、小。对于完全弹性的材料,相位角为0,对于弯曲粘性的材料,相位角则为90%。随着相位角的增加,材料的粘性性质将会得到增加。图2为聚酯纤维沥青混凝土和基准样沥青混凝土的相位角随温度和频率的变化曲线。从图2中可以看出,当温度小于15 时,随着温度的增加或荷载作用频率的减少,沥青混凝土的相位角增加,意味着其粘性性质增加;而当温度达到40 时,沥青混凝土的相位角随着荷载作用频率的减小而减小,这是因为在低温高频荷载作用下,混凝土的性能受沥青胶结料性质的影响更大,但在高温低频作用时,沥青胶结料软化,矿料骨架的影响超过沥青材料粘性的影响,且由于矿料属于弹性材料,相位角几乎为0,所以沥青混凝土的相位角会下降7。

12、同时,聚酯纤维的掺入将会提高沥青混凝土低温时的相位角(-10 ),意味着此时沥青混凝土的粘性性质增加,有利于抵抗疲劳荷载作用下裂纹的产生和发展,而在较高温度时(40 ),聚酯纤维沥青混凝土的相位角则较基准样减小,表明此时沥青混凝土的粘弹性质中弹性成分增加,有利于提高沥青混凝土高温环境下抵抗永久变形的能力。2.3 疲劳因子表明聚酯纤维能有效提高沥青混凝土抵抗疲劳破坏的能力。2.4 疲劳寿命8 武 汉 理 工 大 学 学 报 2007年9月Nf=K(!)-n表4 聚酯纤维沥青混凝土的疲劳寿命及参数拟合结果项目基准样聚酯纤维0.3%Nf0.5P101119110.4P149142710.3P6711

13、24141疲劳方程参数式中,Nf为疲劳寿命;!为应力;K、n为疲劳方程常数。采用最小二乘法拟合可以得到聚酯纤维沥青混凝土疲劳方程的各个参数,参数拟合结果如表4所示。从表4中可以看出,聚酯纤维沥青混凝土疲劳方程的参数均增大,表明聚酯纤维沥青混凝土的疲劳寿命能得到有效改善,且改善效果在较低的应力水平下更加明显,这与疲劳试验所测得的疲劳寿命发展趋势基本一致。3 结 论a.聚酯纤维在较低温度时能降低沥青混凝土的动态模量,使其韧性得到增强,而在较高温度下则能使沥青混凝土的劲度增加;b.聚酯纤维沥青混凝土的相位角在常温和低温时会增加,表明聚酯纤维能提高沥青混凝土在该温度下的粘性性质,有利于提高其抵抗疲劳开

14、裂的能力;在较高温度时,聚酯纤维沥青混凝土的相位角降低从而使弹性性质增加,提高了沥青混凝土抵抗永久变形的能力;c.在使用聚酯纤维后,沥青混凝土在15 时的疲劳因子降低,其中10Hz时降低约15%;相同温度下聚酯纤维沥青混凝土的疲劳寿命得到大幅度增加,且增加的幅度在较低应力时表现的更加明显。参考文献1 PeltonenP.WearandDeformationCharacteristicsofFiberReinforcedAsphaltPavementsJ.ConstructionandBuildingMaterials,1991,5(1):18 22.2 SerfassJP,SamanousJ.

15、Fiber modifiedAsphaltConcreteCharacteristics,ApplicationandBehaviorJ.JournaloftheAssociationofAsphaltPavingTechnologists,1996,65:193 230.3 BaoshanH,XiangS,XingweiC.EffectsofMineralFillersonHot mixAsphaltLaboratory measuredPropertiesJ.InternationalJournalofPavementEngineering,2007,8(1):1 9.4 WuShaopeng.EffectsofFiberAdditiveontheHighTemperaturePropertyofAsphaltBinderJ.JournalofWuhanUniversityofTechnology!MaterSciEd,2006,21(1):28 31.5 PutmanBJ,AmirkhanianSN.UtilizationofWasteFibersinStoneMat