玄武巖纖維及高黏改性劑對(duì)瀝青性能影響研究

李紅波

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青路面是高等級(jí)公路的主要路面類型，具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為司機(jī)提供舒適的行車環(huán)境；但隨著行車荷載和環(huán)境因素的作用，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍、裂縫、坑槽等病害，嚴(yán)重降低了瀝青路面的服務(wù)功能和使用壽命。其中，瀝青材料性能的好壞對(duì)瀝青路面路用性能具有重要作用。瀝青作為瀝青混合料的原材料之一，具有黏彈性，溫度敏感性較大，高溫時(shí)具有明顯的流動(dòng)性且容易老化，低溫時(shí)脆性較大，對(duì)瀝青混合料復(fù)雜環(huán)境下使用具有一定的制約性，因此改善瀝青的路用性能愈顯重要。李曉燕等[1]通過(guò)橡膠改性瀝青，發(fā)現(xiàn)瀝青的感溫性降低、高溫黏度增大，導(dǎo)致混合料拌和壓實(shí)困難。孫璐等[2]采用納米Ⅰ改性基質(zhì)瀝青和納米Ⅰ與SBS復(fù)合改性基質(zhì)瀝青，發(fā)現(xiàn)改性后的瀝青溫度穩(wěn)定性顯著提高。楊光[3-4]分析了廢橡膠粉與SBS復(fù)合改性基質(zhì)瀝青，提出了生產(chǎn)季凍地區(qū)廢橡膠粉與SBS復(fù)合改性基質(zhì)瀝青的相關(guān)參數(shù)，并評(píng)價(jià)了其高溫與低溫性能。牛冬瑜等[5]研究了不同種類的SBS改性瀝青加工參數(shù)對(duì)其性能的影響。班孝義[6]通過(guò)聚氨酯改性瀝青，確定了其最佳摻量?？祼?ài)紅等[7]通過(guò)對(duì)不同類型SBS改性瀝青路用性能和微觀構(gòu)造進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)改性劑粒子面積率、形狀大小及均勻性影響SBS改性劑的改性效果。張校剛[8]通過(guò)剪切試驗(yàn)確定了橡膠粉及水泥改性瀝青的最佳摻量。

對(duì)此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)渠道化明顯、高溫多雨地區(qū)、長(zhǎng)陡上坡路段及重載交通、水泥路面加鋪瀝青路段，選用玄武巖纖維及高黏改性劑對(duì)瀝青進(jìn)行改性，并對(duì)其路用性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為新型改性瀝青的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 高黏瀝青及高黏玄武巖高黏瀝青

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 高黏改性劑

選用上海群康瀝青科技公司生產(chǎn)的高黏改性劑rps，顆粒大小均勻無(wú)黏結(jié)，主要成分為熱塑性橡膠、黏結(jié)性樹(shù)脂和增塑劑，可直接通過(guò)機(jī)械拌和的方式制得高黏瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 rps技術(shù)指標(biāo)

圖1 rps外觀示意圖

圖2 玄武巖纖維

1.1.2 玄武巖纖維

玄武巖纖維具有良好的耐堿性、高溫性能及黏聚性能等工程特性，選用山東聚源生產(chǎn)的，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 瀝青

選用克拉瑪依70號(hào)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表3和表4。

表3 克拉瑪依70號(hào)基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 高黏瀝青

采用高速剪切法制備高黏瀝青，rps摻量為16%，剪切完成后防止氣泡的產(chǎn)生。

表5 摻16%rps的剪切試驗(yàn)參數(shù)

1.3 玄武巖纖維高黏瀝青

采用高速剪切法制備高黏瀝青，以制得的高黏改性瀝青為基體，玄武巖摻量為0.5%，剪切試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表6。剪切完成后要防止氣泡的產(chǎn)生。

表6 摻0.5%玄武巖的剪切試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1 黏彈特性

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）分析瀝青的黏彈特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面達(dá)到的溫度，分別對(duì)克拉瑪依70號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、高黏瀝青和玄武巖纖維高黏瀝青進(jìn)行流變性質(zhì)試驗(yàn)，擬采用溫度區(qū)間為10℃～80℃。評(píng)價(jià)指標(biāo)采用動(dòng)態(tài)剪切模量G*、相位角δ。G*越大表示瀝青在荷載作用下可恢復(fù)變形的能力越大；δ越大表示瀝青黏性變形與彈性變形的比例越大，黏性成分占主要作用，抵抗變形能力較弱。

2.1.2 低溫性能

對(duì)比各瀝青在低溫條件下的延度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬延度儀水槽溫度為5℃。采用延度、峰值力、黏韌性及拉伸模量評(píng)價(jià)各瀝青低溫性能。

2.1.3 感溫特性

研究各瀝青的溫度敏感性，分析并評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)高黏瀝青高溫性能的影響效果，擬針入度試驗(yàn)溫度為15℃、25℃、30℃，旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)溫度為135℃、150℃、175℃。采用針入度指數(shù)PI和黏溫指數(shù)VTS評(píng)價(jià)各瀝青的感溫性能。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 黏彈特性

試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的動(dòng)態(tài)剪切流變儀法測(cè)定瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量和相位角。加載方式為應(yīng)力控制方式，應(yīng)力控制選擇0.1 kPa，試驗(yàn)時(shí)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 動(dòng)態(tài)剪切裂變?cè)囼?yàn)參數(shù)

2.2.2 低溫性能

參照J(rèn)TG E20—2011中的延度試驗(yàn)測(cè)試延度，拉伸速度為5 cm/min。

2.2.3 感溫特性

參照J(rèn)TG E20—2011中的針入度試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，按照公式計(jì)算法確定PI、VTS。

3 玄武巖纖維高黏瀝青技術(shù)性質(zhì)

3.1 黏彈特性

10℃～80℃內(nèi)各瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量與溫度變化關(guān)系

由圖3可知，隨著溫度的升高，各瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量逐漸減少，即抵抗變形能力隨溫度升高不斷減少。低溫范圍（小于20℃）內(nèi)，SBS改性瀝青抗變溫能力小于其他3種瀝青，這是由SBS的化學(xué)結(jié)構(gòu)成分決定的；另外，rps中主要成分有熱塑性橡膠導(dǎo)致高黏瀝青和玄武巖纖維高黏瀝青低溫變形能力較弱。中溫范圍（20℃～45℃）內(nèi)，高黏瀝青和玄武巖纖維高黏瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量相近，但瀝青的黏度隨著溫度逐漸升高逐漸降低，流動(dòng)性增加，而玄武巖纖維高溫性能良好和力學(xué)特性，最終致使高黏瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量小于玄武巖纖維高黏瀝青。

由圖4可知，70號(hào)基質(zhì)瀝青隨溫度升高相位角逐漸增大，80℃時(shí)相位角為90°，這是因?yàn)闉r青黏度增大，不可恢復(fù)變形增多。SBS改性瀝青在30℃左右時(shí)相位角達(dá)到峰值，大于40℃時(shí)，相位角隨溫度升高變化不明顯，基本處于恒值，這是因?yàn)镾BS具有良好的橡膠彈性，高溫作用下可以使改性瀝青保持良好的彈性?；|(zhì)瀝青中加入rps后，抵抗變形能力增強(qiáng)，但隨溫度升高，改性后的瀝青相位角具有增加的趨勢(shì)，這是rps中多種成分復(fù)合的原因，溫度升高后黏性成分使瀝青黏度增加致使相位角增大。高黏瀝青中摻入玄武巖纖維后，當(dāng)溫度高于40℃后，玄武巖纖維通過(guò)在瀝青中起加筋骨架作用，制約瀝青流動(dòng)，另外玄武巖纖維具有良好的彈性模量，所以相比高黏瀝青而言，玄武巖纖維高黏瀝青高溫相位角低于高黏瀝青變形能力低于高黏瀝青。

圖4 瀝青相位角與溫度變化關(guān)系

3.2 低溫特性

5℃時(shí)各瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，70號(hào)基質(zhì)瀝青低溫穩(wěn)定性最低，具有脆性破壞的特點(diǎn)，延度為2.1 cm出現(xiàn)斷裂。與SBS改性瀝青相比，高黏瀝青的峰值力是它的1.99倍，拉伸柔量減少了42%，說(shuō)明rps改性后的瀝青低溫條件下抵抗荷載能力增強(qiáng)，但變形能力不如SBS改性效果明顯，導(dǎo)致延度大小與SBS改性瀝青大致相同。高黏瀝青摻入玄武巖纖維后，纖維承擔(dān)了一部分拉應(yīng)力，使拉應(yīng)力達(dá)到峰值后維持在較高水平，直至玄武巖斷裂破壞，從而致使低溫環(huán)境下玄武巖纖維高黏瀝青拉力很大，但延度和拉伸柔量很小。

3.3 感溫性能

針入度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9，ALgPen為線性回歸系數(shù)。

表9 瀝青針入度試驗(yàn)結(jié)果

相比于SBS改性瀝青，rps改性后的瀝青針入度和溫度指數(shù)減少，30℃時(shí)針入度減少了55%，說(shuō)明高黏瀝青受溫度影響變化小。

旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 瀝青旋轉(zhuǎn)黏度

由表10可知，由rps改性的瀝青黏度明顯增大，135℃的黏度是3.836 Pa·s，是70號(hào)基質(zhì)瀝青的5.6倍；隨著溫度的升高，高黏瀝青黏度減少幅度明顯，這說(shuō)明高黏瀝青溫度敏感性大于70號(hào)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，有利于生產(chǎn)中攪拌和壓實(shí)瀝青混合料。玄武巖纖維高黏瀝青的黏度大于高黏瀝青，說(shuō)明玄武巖纖維的加入使高黏瀝青的增黏作用進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比克拉瑪依70號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、高黏瀝青和玄武巖纖維高黏瀝青的技術(shù)特性，得到以下結(jié)論：

a）各瀝青抵抗變形能力隨溫度升高不斷減少。高黏瀝青和玄武巖纖維高黏瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量相近，溫度大于45℃后黏度隨著溫度逐漸升高而逐漸降低，玄武巖纖維高溫性能因其良好的力學(xué)特性，致使高黏瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量小于玄武巖纖維高黏瀝青。

b）基質(zhì)瀝青中加入rps后，抵抗變形能力增強(qiáng)，隨溫度升高，改性后的瀝青相位角具有增加的趨勢(shì)。溫度高于40℃后，高黏瀝青中摻入玄武巖纖維后變形能力低于高黏瀝青。

c）rps改性后的瀝青低溫條件下抵抗荷載能力增強(qiáng)，但變形能力不如SBS改性效果明顯，高黏瀝青摻入玄武巖纖維后抗拉能力提高，延度和拉伸柔量很小，低溫變形能力不強(qiáng)。

d）rps改性的瀝青黏度明顯增大，是70號(hào)基質(zhì)瀝青的5.6倍，溫度敏感性大于70號(hào)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青；玄武巖纖維的加入使高黏瀝青的增黏作用進(jìn)一步加強(qiáng)。