基于流變學(xué)的玄武巖礦物纖維改性巖瀝青高低溫性能研究*

何東坡，左惠宇

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著瀝青路面所受荷載不斷增加，瀝青路面在夏季車(chē)轍病害頻發(fā)，嚴(yán)重影響行車(chē)安全和路面壽命[1-2]。巖瀝青作為一種自然形成的產(chǎn)物，將其加入瀝青中進(jìn)行改性，可以明顯提高瀝青高溫性能，并且價(jià)格低廉[3]，通常用其來(lái)代替抗車(chē)轍劑使用，但對(duì)瀝青低溫性能有著極其不利影響。王知樂(lè)[4]通過(guò)熒光顯微鏡和化學(xué)組分試驗(yàn)得出伊朗巖瀝青改性瀝青中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量的增加使得伊朗巖瀝青改性瀝青具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性；杜少文[5]通過(guò)瀝青混合料試驗(yàn)得出巖改性瀝青混合料可以達(dá)到與SBS改性瀝青混合料相近的高溫穩(wěn)定性，但其低溫抗裂性難以滿(mǎn)足冬寒地區(qū)路面層的低溫抗裂要求；Mehmet Yilmaz[6]研究發(fā)現(xiàn)摻入9.5%的伊朗巖瀝青和3.8%SBS的復(fù)合改性瀝青可以將PG 58-34的基質(zhì)瀝青提高到PG 70-34性能水平；樊亮[7]通過(guò)研究巖瀝青流變性能發(fā)現(xiàn)巖改性瀝青在高溫時(shí)表現(xiàn)出非牛頓流體的特征，抗變形能力增強(qiáng)，但對(duì)低溫性能產(chǎn)生消極作用，瀝青脆性變大；Li Ruixia[8]研究表明巖瀝青的加入會(huì)提高材料剛度，進(jìn)而降低低溫下瀝青松弛能力，造成不良的低溫性能。

隨著瀝青改性技術(shù)的成熟與進(jìn)步，復(fù)合改性手段在瀝青中運(yùn)用層出不窮。不同改性劑互有側(cè)重，相互補(bǔ)充，可以更好地提高瀝青性能[9-10]。玄武巖纖維是一種新型環(huán)保材料，比木質(zhì)素纖維有更高強(qiáng)度，比聚合物纖維更加環(huán)保[11]，因而目前在工程中應(yīng)用廣泛，在路面中使用可以提供良好抗裂效果[12-13]。王寧[14]研究發(fā)現(xiàn)與其他纖維相比，玄武巖纖維力學(xué)性能優(yōu)異、比表面積大、耐老化性好，在瀝青路面的應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)；閆景晨[15]通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)，玄武巖纖維加入基質(zhì)瀝青中，瀝青與纖維接觸面上可以看出瀝青對(duì)纖維有很好的浸潤(rùn)性，進(jìn)而增強(qiáng)了兩者的粘結(jié)力，提高了瀝青膠漿的粘度，抑制了瀝青的流動(dòng)，可很大程度上降低開(kāi)裂的幾率；程永春[16]研究發(fā)現(xiàn)與單摻抗車(chē)轍劑的瀝青混合料相比，玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗彎拉應(yīng)變，凍融劈裂強(qiáng)度比和疲勞破壞壽命都有明顯地提高。玄武巖纖維與抗車(chē)轍劑復(fù)合改性能明顯提升善瀝青混合料路用性能；郭寅川[17]、覃瀟[18]研究表明玄武巖纖維能夠在瀝青中形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以分散應(yīng)力，提高整體強(qiáng)度，具有良好阻裂作用。

基于此，本文選用玄武巖礦物纖維對(duì)巖改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性以提高瀝青高低溫綜合性能。通過(guò)改變巖瀝青和玄武巖礦物纖維的摻量組合，基于瀝青流變學(xué)理論，進(jìn)行DSR和BBR試驗(yàn)，計(jì)算得出瀝青高低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLH和TLC，進(jìn)而確定各摻量組合下瀝青設(shè)計(jì)適用的溫度區(qū)間，選擇出復(fù)合改性瀝青高低溫綜合性能最好的摻量組合。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料的選擇

本研究選用瀝青為70#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)請(qǐng)見(jiàn)表1；巖瀝青選用伊朗巖瀝青(IR)，其外觀請(qǐng)見(jiàn)圖1，技術(shù)指標(biāo)請(qǐng)見(jiàn)表2；玄武巖礦物纖維(BF)外觀請(qǐng)見(jiàn)圖2，技術(shù)指標(biāo)請(qǐng)見(jiàn)表3。

表2 伊朗巖(IR)瀝青技術(shù)性質(zhì)

表3 玄武巖礦物纖維(BF)技術(shù)性質(zhì)

圖1 伊朗巖瀝青

圖2 玄武巖礦物纖維

1.2 改性瀝青的制備

本研究將適量70#基質(zhì)瀝青放入到150 ℃烘箱中加熱到流動(dòng)狀態(tài)，按照表4所示各物質(zhì)占瀝青的質(zhì)量摻量分別制備復(fù)合改性瀝青。

在180 ℃下，使基質(zhì)瀝青在800 r/min條件下低速攪拌，由于瀝青在180 ℃時(shí)老化較快，所以要將表4所示摻量的兩種改性劑同時(shí)添加到瀝青當(dāng)中，一次制備完成，以保證單摻改性瀝青與復(fù)摻改性瀝青制備時(shí)間相同，減少因制備時(shí)間不同導(dǎo)致瀝青老化程度不同這一影響因素對(duì)后續(xù)測(cè)試結(jié)果的干擾。在瀝青漩渦處緩慢加入伊朗巖瀝青粉末和玄武巖礦物纖維，防止飛濺，加入完成后持續(xù)攪拌30 min；之后將改性瀝青在5 000 r/min條件下高速剪切30 min，使巖瀝青和纖維在瀝青中均勻分散；最后在180 ℃條件下靜置60 min，使瀝青表面消泡、充分融脹，制備得到玄武巖礦物纖維與伊朗巖瀝青復(fù)合改性瀝青。

1.3 試驗(yàn)方法

本研究首先采用安東帕MCR302流變儀分別在52,58,64,70,76 ℃溫度，10 Hz頻率和12 rad/s角速度下進(jìn)行改性瀝青DSR高溫流變?cè)囼?yàn)，測(cè)量各改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，進(jìn)而求出車(chē)轍因子G*/sinδ，通過(guò)ln(G*/sinδ)與溫度進(jìn)行線(xiàn)性回歸，得出瀝青高溫連續(xù)分級(jí)溫度TLH作為評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)；接著采用美國(guó)CANNON TE-BBR 低溫彎曲梁流變儀在-6，-12，-18 ℃溫度條件下進(jìn)行改性瀝青BBR低溫蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)量各改性瀝青在加載60秒時(shí)瀝青的蠕變速率m和蠕變勁度S，通過(guò)log(S)、log(m)與溫度進(jìn)行線(xiàn)性回歸，對(duì)比得出瀝青低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLC作為評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的指標(biāo)；最后采用日本電子JSM-7500F掃描電子顯微鏡對(duì)瀝青試樣進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試，分析玄武巖礦物纖維在瀝青中分布情況和作用機(jī)理。

表4 不同種類(lèi)復(fù)合改性瀝青中的材料摻量

2 結(jié)果分析與討論

2.1 玄武巖礦物纖維伊朗巖瀝青復(fù)合改性瀝青DSR試驗(yàn)結(jié)果分析

DSR試驗(yàn)結(jié)果在表5中列出，由于數(shù)據(jù)較多，沒(méi)有繪制主要參數(shù)與材料摻量的圖形曲線(xiàn)。

由表5、圖3及圖4可知，在相同溫度下，隨著伊朗巖瀝青摻量增加，瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*逐漸增大，相位角δ逐漸減小，G*/sinδ值隨之增大，體現(xiàn)出更好的抗車(chē)轍能力和高溫穩(wěn)定性。這是由于伊朗巖瀝青是天然形成的，其中瀝青質(zhì)及膠質(zhì)含量較多，加入到基質(zhì)瀝青中進(jìn)行改性，使改性瀝青中瀝青質(zhì)成分明顯增加，從而提高瀝青高溫穩(wěn)定性。在70 ℃時(shí)，摻入2%，4%，6%，8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))伊朗巖瀝青分別對(duì)G*/sinδ提高了0.389，0.716，1.048，1.373，占比分別達(dá)到55%，100%，147%，193%。

由圖5可知，根據(jù)不同瀝青的G*/sinδ與溫度的半對(duì)數(shù)公式(1)進(jìn)行線(xiàn)性回歸[19]，

ln(G*/sinδ)=AT+B

(1)

其中∣A∣的大小表示瀝青溫度敏感性的高低，∣A∣越小，瀝青溫度敏感性越低，瀝青高溫性能也就越好。通過(guò)線(xiàn)性回歸得出隨著伊朗巖瀝青摻量增加，瀝青溫度敏感性變低，瀝青高溫性能變強(qiáng)。

與此同時(shí)由表5、圖3及圖4也可知，玄武巖礦物纖維對(duì)瀝青高溫性能提升卻是很有限的，在摻入2%，4%，6%，8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))玄武巖礦物纖維后，瀝青的G*/sinδ的值分別提升43.2%,40.2%,41.6%,41.2%，這是由于玄武巖礦物纖維加入后，纖維相互交織產(chǎn)生界面增強(qiáng)作用，提升瀝青抗剪能力，進(jìn)而提升瀝青高溫穩(wěn)定性。但隨著摻量增加，瀝青高溫性能提升并不明顯。

由于瀝青高溫PG分級(jí)比較固定，分級(jí)區(qū)間6 ℃跨度較大，可能導(dǎo)致不同瀝青在同一高溫分級(jí)下性能有顯著差異，所以將PG分級(jí)進(jìn)行細(xì)化得出高溫連續(xù)分級(jí)溫度TLH可以更好地描述瀝青高溫性能。高溫連續(xù)分級(jí)溫度TLH是根據(jù)瀝青PG分級(jí)推導(dǎo)得到的瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于高溫連續(xù)分級(jí)溫度TLH計(jì)算首先根據(jù)DSR試驗(yàn)得出G*與δ，通過(guò)公式(1)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，得出不同瀝青的A,B值，在根據(jù)規(guī)范要求基質(zhì)瀝青G*/sinδ=1的臨界值帶入計(jì)算，得出瀝青的TLH，各種不同瀝青TLH如表6所示。通過(guò)表6可以看出在基質(zhì)瀝青中摻入2%，4%，6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))巖瀝青，TLH分別可以3.32 ℃,5.63 ℃,7.5 ℃；而摻入一定量的玄武巖礦物纖維后瀝青TLH會(huì)提高2 ℃左右。

表5 不同種類(lèi)瀝青DSR試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同種類(lèi)改性瀝青的G*/sinδ值

圖4 70 ℃時(shí)改性瀝青的G*/sinδ值

圖5 不同摻量伊朗巖改性瀝青的G*/sinδ與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系

表6 不同種類(lèi)瀝青高溫連續(xù)分級(jí)溫度TLH

表7 各種瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

2.2 玄武巖礦物纖維伊朗巖瀝青復(fù)合改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果分析

BBR試驗(yàn)結(jié)果在表7中列出，由于數(shù)據(jù)較多，沒(méi)有繪制主要參數(shù)與材料摻量的圖形曲線(xiàn)。圖6、7繪制了幾種具有代表性的改性瀝青在加載60 s時(shí)S，m值與溫度之間的關(guān)系圖；圖8繪制了在-12 ℃條件下，改性瀝青S、m值與巖瀝青和玄武巖礦物纖維摻量之間的關(guān)系圖。

圖6 不同種類(lèi)改性瀝青的S值

圖8 -12 ℃時(shí)改性瀝青的S值、m值

由表7及圖6、7可知，不同復(fù)合改性瀝青的勁度模量S隨著溫度降低而增大，蠕變速率m隨著溫度降低而減??；由圖8可知，以-12 ℃為例，在相同溫度下，隨著巖瀝青摻量增加改性瀝青的S變大，m變小，其中在基質(zhì)瀝青中摻入2%，4%，6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))巖瀝青其S值分別增大60、146、235；m值分別減小0.029、0.076、0.104，分別占比7.7%、20.1%、27.5%，說(shuō)明巖瀝青的加入大大降低了瀝青低溫性能，對(duì)瀝青低溫性能有著不利影響。然而在相同溫度下，隨著玄武巖礦物纖維增加，改性瀝青的S變小，m變大，其中在基質(zhì)瀝青中摻入2%，4%，6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))玄武巖礦物纖維其S值分別減小48、77、101；m值分別增大0.049、0.088、0.120，分別占比13.0%、23.3%、31.7%，這說(shuō)明玄武巖礦物纖維的加入大大提高了瀝青低溫性能，這是由于纖維在瀝青膠漿中均勻分布形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到增韌改性效果，進(jìn)而提高瀝青低溫性能[15]。

由于瀝青低溫PG分級(jí)也比較固定，分級(jí)區(qū)間為-6 ℃跨度較大，可能導(dǎo)致不同瀝青在同一低溫分級(jí)下性能有顯著差異，所以將PG分級(jí)進(jìn)行細(xì)化得出低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLC可以更好地描述瀝青低溫性能[20]。低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLC是根據(jù)瀝青PG分級(jí)推導(dǎo)得到的瀝青低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLC的計(jì)算，首先根據(jù)BBR試驗(yàn)得出S與m，通過(guò)公式(2)、(3)線(xiàn)性回歸得出，

log(S)=A+B·TS

(2)

log(m)=C+D·Tm

(3)

其中TS代表不同S值所對(duì)應(yīng)溫度，Tm代表不同m值所對(duì)應(yīng)溫度；計(jì)算求得A,B,C,D值后，將臨界值S=300，m=0.3帶入式(2)、(3)，求得TL,s和TL,m，其中TL,s代表S達(dá)到臨界值300 MPa時(shí)的臨界溫度，TL,m代表m達(dá)到臨界值0.3時(shí)的臨界溫度，比較兩者其中溫度較大者為低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLC，這種分級(jí)方式同時(shí)考慮S和m對(duì)瀝青低溫分級(jí)的作用，綜合評(píng)價(jià)瀝青低溫性能，各種瀝青低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLC請(qǐng)見(jiàn)表8。

表8 各種瀝青低溫連續(xù)分級(jí)溫度

通過(guò)表8可以看出在基質(zhì)瀝青中摻入2%，4%，6%玄武巖礦物纖維瀝青TLC可以分別下降2.84、3.76和4.87 ℃，低溫性能明顯提升。而摻入2%，4%，6%巖瀝青后，瀝青TLC會(huì)分別增加2.08 ℃、4.94 ℃、8.18 ℃，這對(duì)瀝青低溫性能產(chǎn)生嚴(yán)重消極作用。

2.3 玄武巖礦物纖維伊朗巖瀝青復(fù)合改性瀝青高低溫性能綜合評(píng)價(jià)及SEM測(cè)試分析

通過(guò)DSR試驗(yàn)與BBR試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)各不同伊朗巖瀝青和玄武巖礦物纖維摻量下，復(fù)合改性瀝青高低溫性能。摻入伊朗巖瀝青后瀝青高溫性能會(huì)大大提高，但低溫性能會(huì)隨之下降；而摻入玄武巖礦物纖維后瀝青高溫性能提高不大，但低溫性能會(huì)有很大提升。根據(jù)高溫連續(xù)分級(jí)溫度TLH和低溫連續(xù)分級(jí)溫度TLC數(shù)據(jù)可知，(6,4)即在基質(zhì)瀝青中摻入6%玄武巖礦物纖維和4%伊朗巖瀝青的復(fù)合改性瀝青理論上高溫工作上限為74.04 ℃，低溫工作下限為-27.48 ℃。與未改性瀝青相比高低溫性能均有所提升，且與各種復(fù)合改性瀝青相比，設(shè)計(jì)適用溫度區(qū)間最大，所以研究表明在基質(zhì)瀝青中摻入6%玄武巖礦物纖維和4%伊朗巖瀝青的復(fù)合改性瀝青高低溫綜合性能最佳。

結(jié)合(6,4)改性瀝青掃描電鏡圖9可以看出，復(fù)合改性瀝青中幾乎沒(méi)有未融的巖瀝青顆粒，且纖維分布較為均勻；從圖10可以看出纖維在瀝青中充分融脹，邊界較為模糊，這是由于纖維具有吸油性，可以更好與瀝青相融進(jìn)而充分發(fā)揮作用。

圖9 (6,4)復(fù)合改性瀝青中玄武巖礦物纖維分布(×103)

圖10 (6,4)復(fù)合改性瀝青中玄武巖礦物纖維分布(×104)

3 結(jié) 論

(1)在基質(zhì)瀝青中加入巖瀝青后，瀝青TLH和TLC均有所增加，其中在瀝青中摻入2%，4%，6%巖瀝青后，TLH分別可以提高3.32、5.63、7.5 ℃，說(shuō)明巖瀝青可以提高巖瀝青高溫性能，但瀝青TLC也會(huì)分別增加2.08、4.94、8.18 ℃，低溫性能隨之下降。

(2)在基質(zhì)瀝青中加入玄武巖礦物纖維后，瀝青TLH有所升高，但TLC明顯下降，其中在瀝青中摻入2%，4%，6%玄武巖礦物纖維后，TLH分別可以提高2.21、1.72、1.96 ℃說(shuō)明玄武巖礦物纖維對(duì)瀝青高溫性能提升并不明顯，但TLC可以分別下降2.84、3.76、4.87 ℃，說(shuō)明玄武巖礦物纖維可以很好地提升瀝青低溫性能。

(3)根據(jù)計(jì)算得出復(fù)合改性瀝青TLH和TLC發(fā)現(xiàn)，在基質(zhì)瀝青中加入4%巖瀝青和6%玄武巖礦物纖維制備得到的復(fù)合改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比，其設(shè)計(jì)適用的高低溫區(qū)間均有所擴(kuò)大，其中TLH可達(dá)74.04 ℃，TLC可達(dá)-27.48 ℃，并且與其它摻量組合相比，設(shè)計(jì)適用溫度區(qū)間跨度最廣，是兩者摻量的最佳組合。并通過(guò)掃描電鏡測(cè)試觀察發(fā)現(xiàn)，巖瀝青充分融解，纖維分布均勻。