玄武巖纖維瀝青膠漿優(yōu)化設(shè)計(jì)及機(jī)理分析

郭寅川， 李震南， 申愛琴， 覃 瀟， 魏自玉(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安， 710064)

內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市屬于季節(jié)性重冰凍區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，年平均溫差較大，氣候條件十分惡劣.在已建成公路中，溫度裂縫、車轍、坑槽為重冰凍區(qū)路面的主要病害，約占路面病害總量的80%[1].在路面材料中摻加纖維是防治重冰凍區(qū)路面病害行之有效的方法[2].然而，有機(jī)纖維存在強(qiáng)度低、易老化、與瀝青相容性差等缺點(diǎn)，不能滿足重冰凍區(qū)路面耐久性的要求，玄武巖纖維作為天然礦物纖維，具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，更適合在重冰凍區(qū)道路中使用[3].

目前，國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者對(duì)玄武巖纖維改性路面材料進(jìn)行了研究.Artemenko等[4]研究表明由于玄武巖纖維和瀝青之間的物理化學(xué)反應(yīng)，瀝青路面的耐熱性和使用壽命顯著提高；Morova[5]認(rèn)為當(dāng)玄武巖纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.5%時(shí)，瀝青混合料路用性能最佳；Lee等[6]和Sim等[7]認(rèn)為玄武巖纖維瀝青混合料具有較強(qiáng)的抗裂性能；張華等[8]評(píng)價(jià)了玄武巖纖維瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性，并對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料機(jī)理進(jìn)行了初步探索；宋云祥等[9]和覃瀟等[3]在玄武巖纖維瀝青膠漿的軟化點(diǎn)、延度、表觀黏度和高溫流變性等方面進(jìn)行了深入研究.玄武巖纖維、瀝青和填料形成的纖維瀝青膠漿是瀝青混合料的重要組成部分，對(duì)混合料路用性能影響顯著[10-11].以上研究多圍繞玄武巖纖維瀝青混合料和纖維瀝青膠漿高溫性能，對(duì)重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿低溫性能的研究較少，更缺乏對(duì)其改善機(jī)理的研究.

針對(duì)多指標(biāo)正交試驗(yàn)最佳方案的決策問題，蘇宏華等[12]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)分析方法，建立隸屬函數(shù)和指標(biāo)滿意度等概念，把試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為指標(biāo)滿意度，并對(duì)各指標(biāo)和綜合指標(biāo)滿意度進(jìn)行分析，從而優(yōu)選出最佳方案.

基于上述分析，本文將通過三因素三水平正交試驗(yàn)，以玄武巖纖維的吸附能力、玄武巖纖維瀝青膠漿的低溫極限拉力和低溫拉伸斷裂能、凍融抗剪強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究纖維長(zhǎng)度、纖維摻量和瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿的影響規(guī)律，并基于模糊分析確定重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿的最佳組成；同時(shí)借助掃描電鏡(SEM)揭示玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿的改善機(jī)理，以期為重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿設(shè)計(jì)提供理論及技術(shù)依據(jù).

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青選用盤錦70#，90#，110#基質(zhì)瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1；纖維采用海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維集束狀短切絲，長(zhǎng)度為6，9，15mm，技術(shù)指標(biāo)見表2；礦粉采用石灰?guī)r礦粉，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specification of asphalts

表2 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specification of basalt fibers

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響玄武巖纖維瀝青膠漿性能的因素較多，結(jié)合重冰凍區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn)及本文研究重點(diǎn)，認(rèn)為纖維長(zhǎng)度、纖維摻量1)和瀝青標(biāo)號(hào)是重冰凍區(qū)纖維瀝青膠漿性能的主要影響因素.每種因素選擇3個(gè)水平，正交試驗(yàn)表頭見表3，選擇L9(33)正交設(shè)計(jì)來安排試驗(yàn).

1)文中涉及的摻量、粉膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.

1.3 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1網(wǎng)籃析出試驗(yàn)

取粉膠比為1∶2，將礦粉分次加入(165±5) ℃瀝青中，并攪拌均勻.取不同摻量的纖維加入瀝青膠漿中，攪拌至纖維無明顯結(jié)團(tuán)、纏繞狀態(tài).待纖維瀝青膠漿冷卻后放入0.6mm網(wǎng)籃中，在130℃下保溫，每隔0.5h測(cè)量1次網(wǎng)籃上纖維膠漿剩余量，以網(wǎng)上剩余率r(%)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同規(guī)格玄武巖纖維對(duì)瀝青的吸附能力.

表3 玄武巖纖維瀝青膠漿正交試驗(yàn)表頭Table 3 Orthogonal test header of basalt fiber reinforced asphalt mastics

1.3.2低溫拉伸試驗(yàn)

在玻璃板上成型纖維瀝青膠漿板狀試件，試件尺寸為15cm×12cm.結(jié)合依托工程所在地冬季氣溫條件，試件在-20℃下保溫6h后，使用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率選擇10mm/min. 試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)采集試件受力和變形情況，當(dāng)達(dá)到試件極限拉力Fu時(shí)停止試驗(yàn)，測(cè)得的荷載-位移(F-δ)曲線如圖1所示.

圖1 低溫拉伸試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.1 Load-displacement curve of tensile test in low temperature

由圖1知，僅用極限拉力評(píng)價(jià)纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性并不全面.為綜合考慮玄武巖纖維瀝青膠漿在低溫拉伸時(shí)的強(qiáng)度和變形，引入纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能(即達(dá)到低溫極限拉力前荷載-位移曲線的面積)的概念，用來綜合評(píng)價(jià)重冰凍區(qū)纖維瀝青膠漿的低溫性能，按式(1)計(jì)算纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能W.

(1)

式中：F為試件所受拉力，N；δ為試件某一時(shí)刻位移，m；δ0為試件最大位移，m.

1.3.3凍融抗剪試驗(yàn)

制備纖維瀝青膠漿并倒入試模中，常溫冷卻.根據(jù)依托工程所在地冬季平均溫度及全年凍融循環(huán)條件，將試模在-20℃下保溫3h后，再在25℃水浴箱中保溫1h，記為1次凍融循環(huán).每組試件凍融循環(huán)4次后進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)示意圖見圖2.記錄試錘在纖維瀝青膠漿內(nèi)10s時(shí)的沉入深度h，根據(jù)式(2)計(jì)算凍融抗剪強(qiáng)度τ.

圖2 凍融抗剪試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of freeze-thaw shear test

(2)

式中：G為試錘總重，kN；h為沉入深度，m；α為試錘角度，(°).

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

玄武巖纖維瀝青膠漿正交試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 玄武巖纖維瀝青膠漿正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal test results of basalt fiber reinforced asphalt mastics

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，考核纖維長(zhǎng)度、纖維摻量與瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)膠漿各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響顯著性程度，計(jì)算結(jié)果見表5.

表5 玄武巖纖維瀝青膠漿極差及方差分析結(jié)果Table 5 Analysis results of range and variance of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由表5可知，玄武巖纖維對(duì)瀝青的吸附能力主要受纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的影響，瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)纖維吸附能力的影響不顯著；纖維長(zhǎng)度是影響纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的主要因素，纖維摻量次之；但纖維摻量對(duì)膠漿低溫拉伸斷裂能的影響最為顯著，其次是纖維長(zhǎng)度；瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)膠漿低溫極限拉力和低溫拉伸斷裂能的影響最小.影響膠漿凍融抗剪強(qiáng)度的因素顯著性順序依次為：瀝青標(biāo)號(hào)>纖維摻量>纖維長(zhǎng)度.由上述分析可知，一定條件下纖維摻量仍然是影響膠漿性能的主要因素，其次為纖維長(zhǎng)度.因此，在設(shè)計(jì)重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮纖維摻量和纖維長(zhǎng)度.

2.2 各因素對(duì)纖維吸附瀝青能力的影響

圖3為各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿網(wǎng)上剩余率的影響規(guī)律.由圖3可知，隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加，膠漿的網(wǎng)上剩余率減小，即纖維長(zhǎng)度與纖維吸附瀝青能力呈反比關(guān)系.當(dāng)纖維長(zhǎng)度從6mm增大到9，15mm時(shí)，1.0h網(wǎng)上剩余率分別減小了8.1%，14.5%.當(dāng)纖維直徑相同時(shí)，纖維長(zhǎng)徑比越大，集束狀纖維越容易纏繞、連接，而不能分散成均勻纖維絲，導(dǎo)致纖維與瀝青有效接觸面積減小，且單根纖維絲與瀝青裹附不均勻，不能完全發(fā)揮其對(duì)瀝青的吸附作用.

圖3 各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿網(wǎng)上剩余率的影響Fig.3 Influence of factors on net surplus ratio of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖3還可知，玄武巖纖維吸附瀝青能力與纖維摻量成正比，膠漿網(wǎng)上剩余率隨纖維摻量增加而增大.當(dāng)纖維摻量從4%增大到7%，10%時(shí)，1.0h膠漿網(wǎng)上剩余率增加了27%，32.1%.增加纖維用量，纖維吸附瀝青能力并不能無限增大，其增幅緩慢.隨著瀝青標(biāo)號(hào)的提高，膠漿網(wǎng)上剩余率呈降低趨勢(shì)，但降幅較小，可以認(rèn)為瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)纖維吸附瀝青能力無顯著影響.

2.3 各因素對(duì)低溫極限拉力的影響

各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的影響規(guī)律見圖4.

圖4 各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的影響Fig.4 Influence of factors on ultimate tension in low temperature of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖4可知，各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的影響規(guī)律相似，即隨著纖維長(zhǎng)度、纖維摻量的增加與瀝青標(biāo)號(hào)的提高，玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力均出現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律.由上述極差與方差分析結(jié)果(表5)可知，纖維長(zhǎng)度對(duì)纖維膠漿低溫極限拉力的影響最為顯著，纖維摻量次之，瀝青標(biāo)號(hào)的影響最小.

當(dāng)纖維瀝青膠漿受拉時(shí)，纖維之間形成網(wǎng)狀搭接結(jié)構(gòu)，在膠漿內(nèi)起加筋、阻裂作用，可顯著提高纖維膠漿低溫極限拉力.當(dāng)纖維長(zhǎng)度由6mm增大到9mm時(shí)，纖維膠漿低溫極限拉力提高了84.5%，其抗裂性極大提高；但隨著纖維長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，纖維膠漿低溫極限拉力減小.在纖維膠漿中，玄武巖纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在有效搭接長(zhǎng)度，當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度超過有效搭接長(zhǎng)度時(shí)，過長(zhǎng)的纖維則形成滑動(dòng)面，從而降低了纖維膠漿的抗裂性.

當(dāng)纖維摻量由4%增大至7%時(shí)，纖維膠漿低溫極限拉力提高了56.2%，但隨著纖維摻量的進(jìn)一步增加，纖維膠漿低溫極限拉力減小.當(dāng)纖維摻量過大時(shí)，會(huì)在一定范圍內(nèi)造成纖維堆積成團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維分布、取向不均勻，形成受拉薄弱面.從前文的極差與方差分析可知，與增大纖維摻量相比，增加纖維長(zhǎng)度是提高纖維膠漿低溫極限拉力更為有效的途徑.瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)纖維膠漿低溫極限拉力的影響較小，但通過纖維與瀝青的物化反應(yīng)[13]，90#瀝青制備的纖維膠漿低溫極限拉力最大.

2.4 各因素對(duì)低溫拉伸斷裂能的影響

各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能的影響規(guī)律見圖5.

圖5 各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能的影響Fig.5 Influence of factors on tensile crack energy in low temperature of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖5可知，隨著纖維長(zhǎng)度的增大，纖維膠漿低溫拉伸斷裂能增大；隨著纖維摻量的增加，低溫拉伸斷裂能先增大后減??；提高瀝青標(biāo)號(hào)，低溫拉伸斷裂能先減小后增大，但變化幅度不大.總的來說，纖維摻量對(duì)纖維膠漿低溫拉伸斷裂能的影響較顯著，其次是纖維長(zhǎng)度，瀝青標(biāo)號(hào)的影響較小.

由圖5還可知，當(dāng)纖維長(zhǎng)度由6mm增大至9，15mm時(shí)，纖維膠漿低溫拉伸斷裂能提高了59.2%，69.6%.增大纖維長(zhǎng)度雖降低了纖維膠漿的低溫極限拉力(見圖4)，但增加了纖維膠漿的韌性，提高了其變形能力，因此其低溫拉伸斷裂能變大.提高纖維摻量會(huì)增加纖維膠漿的低溫拉伸斷裂能；但纖維過多時(shí)，纖維膠漿低溫拉伸斷裂能減小，這與纖維摻量對(duì)纖維膠漿低溫極限拉力的影響相同，因此在設(shè)計(jì)重冰凍區(qū)纖維瀝青膠漿時(shí)，為提高膠漿抗裂性，應(yīng)合理選擇纖維摻量.

2.5 各因素對(duì)凍融抗剪強(qiáng)度的影響

圖6為各因素對(duì)玄武巖纖維瀝青膠漿凍融抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律.由圖6可知，隨著瀝青標(biāo)號(hào)的提高，纖維膠漿凍融抗剪強(qiáng)度急劇降低，當(dāng)瀝青標(biāo)號(hào)由70#提高到90#，110#時(shí)，纖維膠漿凍融抗剪強(qiáng)度降低了31.2%，63.1%；纖維膠漿的凍融抗剪強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度增大而增加，當(dāng)纖維長(zhǎng)度由6mm增大到9，15mm時(shí)，纖維膠漿凍融抗剪強(qiáng)度增加了14.4%，59.5%；隨著纖維摻量的增加，纖維膠漿凍融抗剪強(qiáng)度先增大后減小.總的來說，瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)纖維膠漿凍融抗剪強(qiáng)度的影響最為顯著，而纖維摻量和纖維長(zhǎng)度有相似的顯著性水平.

圖6 各因素對(duì)纖維膠漿凍融抗剪強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of factors on freeze-thaw shear strength of fiber mastics

瀝青作為纖維膠漿復(fù)合材料中的基體，對(duì)纖維膠漿的凍融抗剪強(qiáng)度起決定性作用.因此，在重冰凍區(qū)為避免凍融循環(huán)后瀝青混合料抗剪強(qiáng)度不足，應(yīng)合理選擇瀝青標(biāo)號(hào)；同時(shí)，摻加玄武巖纖維能提高纖維膠漿凍融抗剪性.

3 基于模糊理論優(yōu)選纖維瀝青膠漿組成

根據(jù)模糊理論[12]，采用熵權(quán)法修正權(quán)重[8]，并結(jié)合重冰凍區(qū)纖維膠漿性能要求[1]，確定0.5h網(wǎng)上剩余率與1.0h網(wǎng)上剩余率權(quán)重均為0.1，凍融抗剪強(qiáng)度權(quán)重為0.2，低溫極限拉力與低溫拉伸斷裂能權(quán)重均為0.3.根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的計(jì)算步驟，確定每個(gè)影響因素的多指標(biāo)綜合滿意度向量，并計(jì)算各水平的平均值與方差，結(jié)果見表6.

表6 多指標(biāo)性能綜合滿意度分析結(jié)果Table 6 Analysis results of multi index performance comprehensive satisfaction

由表6中的方差分析結(jié)果可知，纖維摻量對(duì)重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿性能的綜合影響最為顯著，其次是纖維長(zhǎng)度，瀝青標(biāo)號(hào)的影響最不顯著.本試驗(yàn)所選評(píng)價(jià)指標(biāo)均為正向指標(biāo)，當(dāng)各因素綜合滿意度平均值最大時(shí)為最優(yōu)組合，因此推薦重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿組成為A2B2C2，即采用9mm玄武巖纖維、纖維摻量為7%、選用90#瀝青.

4 基于SEM的玄武巖纖維作用機(jī)理研究

圖7為玄武巖纖維和玄武巖纖維-瀝青界面的微觀形貌.

由圖7(a)可見，玄武巖纖維呈圓柱狀，但其表面并非完全光滑，而是分布有不規(guī)則形狀的凸起和凹陷，這可以擴(kuò)大纖維比表面積，增大纖維表面的摩擦力，從而增加纖維與瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度，有益于玄武巖纖維的增強(qiáng)效應(yīng).

界面浸潤(rùn)理論認(rèn)為，各相之間結(jié)合的主要模式是機(jī)械連結(jié)和潤(rùn)濕吸附，而浸潤(rùn)是纖維復(fù)合材料間形成界面最基本的條件.由圖7(b)可知，玄武巖纖維與瀝青相容性較好，瀝青充分裹附纖維，玄武巖纖維的表面缺陷增加了其與瀝青的界面浸潤(rùn)效果.玄武巖纖維與瀝青的充分浸潤(rùn)，使纖維-瀝青界面產(chǎn)生了較強(qiáng)的物理吸附，甚至超過瀝青材料的內(nèi)聚能，宏觀表現(xiàn)為纖維與瀝青有較大的黏結(jié)強(qiáng)度.

圖8為玄武巖纖維瀝青膠漿拉伸損傷斷裂面的微觀形貌.

圖7 玄武巖纖維和玄武巖纖維-瀝青界面的微觀形貌Fig.7 Micrographs of basalt fiber and basalt fiber-asphalt interface

圖8 玄武巖纖維瀝青膠漿拉伸損傷斷面的微觀形貌Fig.8 Micrographs for tensile damage fracture of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖8可見，玄武巖纖維在玄武巖纖維瀝青膠漿拉伸損傷斷面上均勻分布，在各個(gè)方向均有受力纖維，無明顯薄弱面.玄武巖纖維在瀝青中形成網(wǎng)狀搭接結(jié)構(gòu)，在受力時(shí)可以更好地傳遞和消散應(yīng)力，同時(shí)還能克服彼此之間的滑動(dòng)，減慢裂縫擴(kuò)展速度.玄武巖纖維取向與斷裂面垂直，纖維受拉利用率較高，充分發(fā)揮了阻裂作用.

在玄武巖纖維瀝青膠漿低溫受拉損傷時(shí)，纖維橫跨膠漿微裂縫.當(dāng)纖維膠漿再次受拉時(shí)，首先是纖維受力，且由于纖維與瀝青界面充分浸潤(rùn)，具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度，因此能避免發(fā)生纖維脫膠等界面損傷，有效約束內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展.

5 結(jié)論

(1)玄武巖纖維長(zhǎng)度和纖維摻量對(duì)纖維吸附瀝青能力、纖維膠漿低溫極限拉力和低溫拉伸斷裂能的影響較為顯著；瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)纖維膠漿凍融抗剪強(qiáng)度的影響最為顯著.

(2)基于模糊理論分析得出，纖維摻量對(duì)重冰凍區(qū)纖維膠漿綜合性能的影響最為顯著，纖維長(zhǎng)度次之，瀝青標(biāo)號(hào)的影響最??；推薦重冰凍區(qū)玄武巖纖維瀝青膠漿的最佳組成為90#瀝青中加入纖維摻量為7%的9mm玄武巖纖維.

(3)玄武巖纖維微觀表面較粗糙，與瀝青浸潤(rùn)充分，玄武巖纖維形成的網(wǎng)狀搭接結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)纖維膠漿的抗裂性，并能延緩內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展.

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