玄武巖纖維/橡膠復(fù)合改性瀝青膠漿路用性能研究

展宏圖，柳力

(1.廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510550； 2.廣東華路交通科技有限公司； 3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

目前中國(guó)公路建設(shè)已進(jìn)入提質(zhì)改造和養(yǎng)護(hù)的新時(shí)期，很多早期修建的公路經(jīng)過(guò)多年的車(chē)輛荷載和雨水作用，已出現(xiàn)不同程度的病害，嚴(yán)重影響路面的使用性能。近年來(lái)，在原有路面加鋪2～3 cm的SAC-10、SMA-10和OGFC-10等薄層罩面和超薄磨耗層等技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，由于該層較薄，因而要求其瀝青膠結(jié)料擁有良好的高、低溫性能和疲勞性能。

在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究中，對(duì)薄層罩面的瀝青混合料研究較多，而對(duì)其中重要組成部分膠結(jié)料研究較少，尤其是玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿鮮有涉及。廢舊輪胎作為一種固體廢棄物，曾是社會(huì)的黑色污染，而將其加工成廢舊輪胎橡膠粉(CRM)，不僅可以將廢舊輪胎“一站式”無(wú)害化處理，而且可成為一種優(yōu)良的瀝青改性劑。玄武巖纖維(BF)作為一種新材料，較常用的纖維具有比表面積大、表面浸潤(rùn)性好、力學(xué)性能優(yōu)異、水穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可有效提高瀝青路面高溫抗車(chē)轍、低溫抗裂、抗疲勞、抗凍融及抗水損害性，對(duì)大幅提高路面承載能力和使用壽命可起到顯著的作用。

該文采用不同摻量的CRM和BF進(jìn)行復(fù)合，對(duì)橡膠瀝青和玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的制備過(guò)程進(jìn)行研究，采用美國(guó)Superpave評(píng)價(jià)方法對(duì)其流變性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)CRM和BF在瀝青材料中的增強(qiáng)機(jī)理和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究分析。

2 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿制備過(guò)程

2.1 原材料

2.1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用70#道路石油瀝青，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

2.1.2 膠粉和玄武巖纖維

膠粉采用40目廢舊輪胎橡膠粉，玄武巖纖維采用GBF玄武巖纖維，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 GBF玄武巖纖維性能指標(biāo)

2.2 玄武巖纖維橡膠瀝青制備

2.2.1 橡膠瀝青制備過(guò)程

(1) 將基質(zhì)瀝青在烘箱加熱至170～180 ℃，并恒溫1 h左右。

(2) 將稱(chēng)量好的橡膠粉加入基質(zhì)瀝青中，采用高速剪切儀剪切30 min，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，剪切完成后將其放入170～180 ℃烘箱中發(fā)育30 min。

(3) 將發(fā)育后的混合物繼續(xù)高速剪切15～20 min，轉(zhuǎn)速為5 000 r，剪切完成后放入烘箱溶脹1 h，得到橡膠瀝青。

2.2.2 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿制備過(guò)程

(1) 稱(chēng)量試驗(yàn)所需玄武巖纖維，并將其均勻分成3份。

(2) 將制備好的橡膠瀝青加熱至170～180 ℃，分3次加入玄武巖纖維，每次時(shí)間間隔15 min左右，并采用玻璃棒勻速攪拌，試驗(yàn)過(guò)程中溫度控制在170～180 ℃。

制備完成的玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿應(yīng)盡快進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)，以防因離析造成試驗(yàn)誤差。

3 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿流變性能研究

由于CRM和BF都具有難溶于基質(zhì)瀝青的特點(diǎn)，采用中國(guó)傳統(tǒng)的瀝青指標(biāo)難以客觀全面反映玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的路用性能，由于該文主要研究玄武巖纖維橡膠瀝青性能，在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，選定CRM摻量為20%，BF摻量為0.3%。采用美國(guó)Superpave瀝青測(cè)試方法對(duì)20%CRM和20%CRM+0.3%BF的瀝青材料(復(fù)合改性瀝青)進(jìn)行路用性能評(píng)價(jià)。

3.1 高溫性能

瀝青材料路用性能與瀝青在溫度和荷載作用下的流變性能直接相關(guān)，玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的高溫性能采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)模擬膠漿材料在溫度和荷載作用下的動(dòng)態(tài)剪切，以抗車(chē)轍因子G*/sinδ值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于原樣瀝青材料抗車(chē)轍因子G*/sinδ應(yīng)不小于1.0 kPa。為了試驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，分別對(duì)20%CRM瀝青和復(fù)合改性瀝青膠漿進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 高溫動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：

(1) 在試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)，20%CRM 橡膠瀝青的G*/sinδ為基質(zhì)瀝青的3.7倍、復(fù)合改性瀝青膠漿材料的G*/sinδ為基質(zhì)瀝青的14.7倍，說(shuō)明CRM和BF加入基質(zhì)瀝青中能顯著提升瀝青的高溫穩(wěn)定性。

(2) 在試驗(yàn)溫度為70～82 ℃時(shí)，復(fù)合改性瀝青膠漿材料的G*/sinδ為20%CRM 橡膠瀝青的3.9倍，因?yàn)锽F能吸附和穩(wěn)定瀝青，且具有多方向的加筋功能，可有效吸收瀝青材料中多余的油分，降低高溫流動(dòng)性，提高瀝青材料的稠度，增強(qiáng)黏結(jié)力，BF能顯著提升橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性。

(3) 基質(zhì)瀝青的失效溫度為66.5 ℃，20%CRM橡膠瀝青的失效溫度為78.4 ℃，復(fù)合改性瀝青膠漿的失效溫度為90.4 ℃。增加20%的CRM，基質(zhì)瀝青失效溫度提高了17.9%；在20%的橡膠瀝青中增加0.3%的BF，瀝青膠漿失效溫度提高了15.3%，表明在橡膠瀝青中增加少量的BF，對(duì)其高溫性能有較大的改善。

3.2 低溫性能

低溫彎曲梁流變儀(BBR)測(cè)定瀝青的彎曲蠕變勁度S和m值，美國(guó)Superpave規(guī)范中要求經(jīng)過(guò)RTFOT和PAV老化后瀝青試樣的S≤300 MPa，m≥0.3，試件尺寸為長(zhǎng)(127±2) mm，厚(6.35±0.05) mm，高(12.70±0.05) mm。由于該文主要研究?jī)煞N瀝青材料性能的對(duì)比，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)過(guò)程，所以采用原樣瀝青材料。

根據(jù)SHRP規(guī)范，瀝青膠結(jié)料彎曲蠕變勁度模量S值越小，則表明彈性成分小，黏性成分大，低溫的抗變形能力好；m值越大，則黏性大，瀝青膠結(jié)料應(yīng)力積累變形能力越好。低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由表4可知：

(1) 在試驗(yàn)溫度為-6、-12和-18 ℃時(shí)，20%CRM橡膠瀝青S值為基質(zhì)瀝青的96.2%、72.8%和73.1%；m值為基質(zhì)瀝青的1.21、1.16和1.05倍，表明增加20%的CRM可對(duì)瀝青的低溫性能提升5%～20%，改善效果顯著。

(2) 在試驗(yàn)溫度為-6、-12和-18 ℃時(shí)，20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿S值為20%CRM橡膠瀝青的70.0%、81.2%和84.0%；m值為1.28、1.31和1.32倍，表明增加0.3%的BF可對(duì)橡膠瀝青的低溫性能提升20%～30%，改善效果顯著。

(3) 按SHRP瀝青膠結(jié)料分級(jí)規(guī)范，20%CRM橡膠瀝青的低溫等級(jí)為-12 ℃，20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿材料的低溫等級(jí)為-18 ℃，低溫性能提升了1個(gè)等級(jí)，也表明在橡膠瀝青中適當(dāng)增加BF，可使瀝青膠結(jié)料低溫性能得到改善，文獻(xiàn)[14]提出瀝青膠結(jié)料的低溫性能對(duì)瀝青混合料低溫開(kāi)裂貢獻(xiàn)達(dá)90%，研究說(shuō)明瀝青膠漿材料可有效提高瀝青混合料的低溫性能，減少路面因溫度降低產(chǎn)生的裂縫，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

3.3 黏度

瀝青膠結(jié)料的黏度指瀝青材料在外力作用下抵抗剪切變形的能力，同時(shí)其是與瀝青路面力學(xué)行為聯(lián)系最緊密的一個(gè)指標(biāo)，已有研究表明：瀝青材料的黏度與瀝青混合料高、低溫性能均存在較好的相關(guān)關(guān)系，目前對(duì)改善瀝青材料性能主要有兩種方式，即添加改性劑和纖維。

3.3.1 CRM黏度增強(qiáng)

CRM作為一種改性劑，可顯著改善瀝青材料的路用性能，添加CRM后，瀝青材料的黏度計(jì)算如式(1)所示。

η=ηm[1+C0K(T)Mα(T)]

(1)

式中：ηm為基質(zhì)瀝青黏度(Pa·s)；C0為改性劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(%)；M為改性劑的黏均相對(duì)分子量；K(T)、α(T)均為常數(shù)，其中C0K(T)Mα(T)被稱(chēng)為改性劑的增黏因子。

3.3.2 BF黏度增強(qiáng)

BF是一種新型瀝青無(wú)機(jī)改性材料，其對(duì)瀝青材料黏度增強(qiáng)計(jì)算如式(2)所示。

η=ηm(1+KEVf)

(2)

式中:ηm為基質(zhì)瀝青黏度(Pa·s)；Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)(%)；KE為Einstein系數(shù);KEVf為纖維增強(qiáng)瀝青的增黏因子。

3.3.3 CRM和BF復(fù)合黏度增強(qiáng)效果分析

通過(guò)DSR對(duì)基質(zhì)瀝青、0.3%BF 、20%CRM橡膠瀝青和20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿進(jìn)行60、135、170 ℃的動(dòng)態(tài)黏度掃描，分析不同溫度下溫度與黏度的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同改性方式在不同溫度下黏度試驗(yàn)結(jié)果

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1) 20%CRM瀝青膠漿與基質(zhì)瀝青相比，其60～170 ℃黏度提高近3倍，由式(1)可知添加CRM后，瀝青材料的黏度變化只與增黏因子C0K(T)Mα(T)有關(guān)，隨著溫度的升高，瀝青材料的黏度降低。

(2) 0.3%BF瀝青膠漿與基質(zhì)瀝青相比，其黏度并未有明顯增加，由式(2)可知瀝青材料的增黏因子KEVf是與溫度無(wú)關(guān)的一個(gè)常量，表明BF性能不隨溫度升高而改變，具有一定的熱穩(wěn)定性。

(3) 20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿與20%CRM橡膠瀝青相比，60 ℃黏度高出近1倍，表明0.3%BF在瀝青中可起到加筋作用，可吸收瀝青材料中多余油分，降低流動(dòng)性，提高瀝青材料的稠度，提升路面的使用性能。

(4) 20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿材料的135 ℃黏度較大，因此在施工過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)提高拌和和攤鋪溫度，減少因黏度過(guò)大造成路面病害。

(5) 20%CRM+0.3%BF玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的60 ℃黏度明顯大于0.3%BF和20%CRM改性瀝青，且達(dá)到了“1+1>2”的效果，說(shuō)明玄武巖橡膠瀝青膠漿具有高黏的特點(diǎn)。

4 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿反應(yīng)機(jī)理研究

CRM與BF在瀝青中的反應(yīng)及分布狀態(tài)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，該文通過(guò)電子顯微和電鏡掃描分析方法對(duì)兩種改性劑對(duì)瀝青的改性機(jī)理進(jìn)行研究。

4.1 CRM反應(yīng)機(jī)理

瀝青材料中除了瀝青質(zhì)，還有部分輕質(zhì)組分，在高溫條件下，CRM與瀝青反應(yīng)主要以物理反應(yīng)為主，在一般條件下，CRM顆粒不會(huì)完全溶解在瀝青中，橡膠瀝青的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。CRM顆粒與瀝青拌和前后顆粒變化的電子顯微圖像如圖2所示，橡膠瀝青電鏡掃描圖如圖3所示。

圖1 橡膠瀝青三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 CRM顆粒與瀝青拌和前后顆粒變化的電子顯微圖

圖3 橡膠瀝青電鏡掃描圖

由圖2、3可知：

(1) 在高溫條件下，CRM顆粒吸收了瀝青材料中的輕質(zhì)組分，發(fā)生溶脹反應(yīng)，體積膨脹，體積一般可增大30%～40%，同時(shí)瀝青材料中的輕組分減小，重組分增加，導(dǎo)致橡膠瀝青的黏度明顯增強(qiáng)。

(2) CRM顆粒溶脹體積增大，增加了CRM顆粒之間的接觸機(jī)會(huì)，CRM顆粒之間通過(guò)凝膠層互相連接，形成黏度相對(duì)較大的半固態(tài)連續(xù)相體系。

4.2 BF在橡膠瀝青中的反應(yīng)機(jī)理

BF作為一種礦物纖維，其在宏觀條件下呈現(xiàn)“條片狀”，取一根BF進(jìn)行電鏡掃描，其在微觀條件下是由無(wú)數(shù)根“條柱狀”細(xì)絲組成，并在細(xì)絲表面有部分“凸起”，BF宏觀與微觀圖像如圖4所示。

由于BF與橡膠瀝青在物理吸附作用、浸潤(rùn)作用和化學(xué)鍵作用下緊密黏結(jié)，并在BF表面形成具有一定厚度的薄層瀝青，該區(qū)域稱(chēng)為界面區(qū)，如圖5所示。BF相互之間通過(guò)橡膠瀝青的凝膠層互相連接，形成連續(xù)相體系。

圖4 BF宏觀和微觀圖

圖5 BF與瀝青接觸示意圖

在玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿制備過(guò)程中，“條片狀”玄武巖纖維在溫度和外力作用下，分散成大量的“條柱狀”細(xì)絲，三維亂向地分布在橡膠瀝青中，增大了BF與瀝青材料的接觸面積，同時(shí)由于BF表面存在部分“凸起”，根據(jù)界面理論，“凸起”增大了纖維與瀝青之間的吸附力，加上BF與瀝青材料之間的互相纏繞，可有效提高橡膠瀝青的黏度。

5 結(jié)論

(1) BF加入基質(zhì)瀝青中，BF性能不隨溫度升高而改變，具有一定的熱穩(wěn)定性。BF加入20% CRM瀝青中，BF能吸附和穩(wěn)定瀝青，可有效吸收瀝青材料中多余的油分，且具有多方向的加筋功能。

(2) 在相同試驗(yàn)溫度下，復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子G*/sinδ均高于基質(zhì)瀝青和橡膠改性瀝青，復(fù)合改性瀝青的失效溫度比基質(zhì)瀝青高約23 ℃，比橡膠改性瀝青高12 ℃，說(shuō)明玄武巖/橡膠復(fù)合改性瀝青具有優(yōu)良的高溫性能。

(3) 復(fù)合改性瀝青彎曲蠕變勁度S較小，m值較大，低溫性能高于基質(zhì)瀝青和20%CRM改性瀝青1個(gè)等級(jí)；同時(shí)，復(fù)合改性瀝青膠漿的動(dòng)態(tài)黏度是其他3種瀝青的數(shù)倍。

(4) 高溫動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)、低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)和黏度掃描試驗(yàn)表明：復(fù)合改性瀝青膠漿材料具有優(yōu)良的高、低溫性能，可顯著提高瀝青材料的稠度，提升路面的使用性能。

(5) 掃描電鏡微觀分析表明：CRM和BF可在瀝青中形成穩(wěn)定的連續(xù)相體系，CRM和BF復(fù)合改性可對(duì)瀝青材料的黏度達(dá)到“1+1>2”的增強(qiáng)效果。