玄武巖纖維改性瀝青膠漿流變性能研究

宋 挺 區(qū) 樺 林小玉

(1.湖北交投武黃高速公路運營管理有限公司 武漢 430205；2.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司 武漢 430070)

隨著交通量的不斷增長，公路上對瀝青混合料路用性能的要求也越來越高。近年來，把纖維視為一種添加劑或者改性劑，添加到瀝青混合料當(dāng)中，成為提高瀝青膠漿粘結(jié)性、改善混合料的抗剪能力、延長路面使用壽命的常見方法。

玄武巖纖維是由天然玄武巖拉制得到的新型纖維材料，經(jīng)過高溫拉絲和表面處理之后，玄武巖纖維一般具有耐腐蝕性強、抗高溫性能好、拉伸強度及彈性模量大等特性，與瀝青和集料有較高的契合性，在道路工程建設(shè)中是一種有發(fā)展前景的環(huán)保新型材料。

在瀝青混合料中，瀝青膠漿是以填料為分散相而分散在高稠度的瀝青介質(zhì)中的一種微分散系，它的組成結(jié)構(gòu)決定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫變形能力[1]。根據(jù)美國夏普技術(shù)的研究結(jié)論，可認(rèn)為瀝青膠漿對混合料的高溫車轍作用約為29%左右，對抗低溫開裂作用率約為87%，對疲勞作用率約為52%[2-3]。Davar等[4]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能提高瀝青混合料的低溫變形能力，從而減少瀝青路面開裂；馬立杰等[5]研究表明玄武巖纖維能增加高模量瀝青的柔韌性和強度，并對其作用機理進(jìn)行了初步探究；張文剛等[6]基于斷裂力學(xué)及界面理論，探討了路用礦物纖維對瀝青膠漿的作用效應(yīng)；彭波等[7]提出了纖維瀝青膠漿的作用機理，認(rèn)為纖維使瀝青膠漿的老化性與水穩(wěn)定性得到改善。

根據(jù)目前國內(nèi)外研究可知，雖然瀝青膠漿在瀝青混凝土中存在比例不算大，但瀝青膠漿的結(jié)構(gòu)及性能直接影響著瀝青混凝土的路用性能。因此，為評價玄武巖纖維對瀝青膠漿的作用效果，本文選用DSR試驗、BBR試驗，對膠漿的高溫性能、低溫性能進(jìn)行研究。綜合分析玄武巖纖維對瀝青材料性能的作用效果，了解玄武巖纖維瀝青膠漿的整體性能。

1 原材料及試驗設(shè)計

1.1 原材料

(1)瀝青

采用SBS(I-D)改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2)礦粉

礦粉選取采用強基性巖石磨細(xì)得到的礦粉。礦粉應(yīng)干燥、潔凈，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

(2)玄武巖纖維

與其他道路纖維相比，玄武巖纖維對環(huán)境的友好度較高，材料整體彈性模量大，拉伸性能好，且材料性能穩(wěn)定、不容易隨環(huán)境發(fā)生變化。本次試驗使用的玄武巖纖維為6mm短切玄武巖纖維。參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004 )、《公路工程玄武巖纖維及其制品》(JT/T 776-2010 )等[8-9]，對試驗用各種纖維的相關(guān)性能進(jìn)行了檢測，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 玄武巖纖維基本性能指標(biāo)

1.2 試驗方案

為分析玄武巖纖維摻量對瀝青性能的作用效果，本文采用上述6mm短切玄武巖纖維，固定粉膠比為0.8，分別制備玄武巖纖維摻量為1%、2%、3%、4%的纖維瀝青膠漿(瀝青混凝土油石比5.0%時，纖維在混凝土中的摻量當(dāng)量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%)，分別采用DSR試驗、BBR試驗評價不同玄武巖纖維摻量的瀝青膠漿高溫性能及低溫性能。

1.3 試驗方法

(1)纖維瀝青膠漿高溫流變試驗

借鑒美國SHRP評價瀝青的方法，采用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行瀝青膠漿高溫流變性能試驗。DSR采用復(fù)數(shù)剪切模量(G*)、相位角(δ)表征材料的粘彈性。其中，G*為剪切復(fù)數(shù)模量，用以度量瀝青重復(fù)剪切變形時的總阻力；δ是對瀝青施加的正弦應(yīng)力與因此產(chǎn)生的正弦應(yīng)變間的相位差[10-13]。采用G*/sinδ表示材料抗高溫變形能力。G*/sinδ越大，表示瀝青膠漿具有更好的的高溫抗車轍變形能力。

本文選用的平行板模具直徑25mm，板間放置1mm的瀝青膠漿，測試試驗溫度分別為70℃、76℃、82℃、88℃瀝青膠漿的G*、δ。

(2)纖維瀝青膠漿低溫彎曲流變試驗

借鑒美國SHRP計劃中的彎曲梁流變試驗(BBR)，研究瀝青膠漿低溫性能。通過蠕變勁度S和蠕變速率m評價纖維瀝青膠漿低溫抗裂效果。蠕變勁度S可反映瀝青膠漿抵抗荷載的能力。蠕變速率m表示荷載作用下材料勁度的變化率，反映纖維瀝青膠漿應(yīng)力松弛能力，m值越大表示瀝青膠漿在溫度發(fā)生變化時內(nèi)應(yīng)力消散。本文試驗溫度環(huán)境分別設(shè)置為-18℃、-12℃、-6℃。

2 玄武巖纖維微觀特性

纖維微觀特性直接影響著玄武巖纖維吸附瀝青的能力、玄武巖纖維在膠漿中的分散性，并影響瀝青和礦料的結(jié)合能力，因此，纖維性質(zhì)可直接影響到瀝青膠漿及瀝青混凝土材料性質(zhì)。為了便于理解玄武巖纖維與瀝青的相互作用效果，利用掃描電鏡拍攝玄武巖纖維的微觀結(jié)構(gòu)照片，掃描電鏡照片如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維微觀結(jié)構(gòu)照片

由玄武巖纖維掃描電鏡照片可知，玄武巖纖維整體呈現(xiàn)光滑的圓柱狀，相對其他纖維材料而言整體比表面積更小。這是由于玄武巖熔融形成纖維的過程中、纖維材料成型前，在表面張力作用下發(fā)生收縮，最終形成表面積最小的圓柱形，同時由于玄武巖纖維與其它纖維相比具有更大的剛度，應(yīng)用過程中具有較好的分散性，不易纏繞成團[14-15]。

3 玄武巖纖維改性瀝青膠漿性能研究

3.1 玄武巖纖維瀝青膠漿高溫流變性能

不同玄武巖纖維摻量下的膠漿材料DSR試驗結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青膠漿DSR試驗結(jié)果

圖2 瀝青膠漿不同纖維摻量及試驗溫度下DSR試驗結(jié)果

由以上瀝青膠漿不同纖維摻量及試驗溫度下的高溫流變試驗結(jié)果可知，粉膠比一定時，隨著試驗溫度增加，玄武巖纖維瀝青膠漿抗車轍因子G*/sinδ存在有不同幅度的下降?？梢哉J(rèn)為，這種現(xiàn)象的原因是瀝青膠漿中的粘性成分比例隨溫度升高而增大，削弱了玄武巖纖維作用效果。隨著玄武巖纖維的摻入，抗車轍因子G*/sinδ隨之增加，膠漿的抗車轍因子G* /sinδ隨纖維摻量的增加而提高的幅度越小，88℃環(huán)境下，摻加3%玄武巖纖維的瀝青膠漿抗車轍因子較不摻加纖維的瀝青膠漿提高了53.8%；纖維摻量提升到4%，瀝青膠漿抗車轍因子較不摻加纖維的瀝青膠漿提高了59.1%?？梢哉J(rèn)為，這種現(xiàn)象的原因是纖維吸附瀝青、同時分布在膠漿中產(chǎn)生多向加筋效果，瀝青流動性降低從而使材料整體稠度增加，使瀝青的粘結(jié)力增強，膠漿整體的高溫穩(wěn)定性改善。

3.2 玄武巖纖維膠漿低溫流變性能

不同玄武巖纖維摻量下的膠漿材料BBR試驗結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青膠漿BBR試驗結(jié)果

圖3 瀝青膠漿不同纖維摻量及試驗溫度下DSR試驗結(jié)果

觀察不同玄武巖纖維摻量及試驗溫度下瀝青膠漿低溫流變試驗結(jié)果可知，粉膠比一定時，纖維摻量增加，玄武巖纖維瀝青膠漿的蠕變勁度值S呈先減少后增大的趨勢，蠕變速率m呈先增大后減小的趨勢。-6℃、-12℃、-18℃環(huán)境下，摻加4%玄武巖纖維的瀝青膠漿蠕變勁度較不摻加纖維的瀝青膠漿對照組分別增加了6%、10%和8%。

瀝青膠漿的蠕變勁度降低，說明摻加玄武巖纖維后瀝青膠漿在低溫環(huán)境中具有更好的柔性，使瀝青混凝土也會具有更好的抗開裂性能。蠕變速率增大，表明瀝青材料應(yīng)力松弛能力強，材料開裂的可能性隨之減小。試驗過程中，隨纖維摻配比摻量逐漸增大，瀝青膠漿測試結(jié)果存在較為明顯的變異性，纖維摻配比增大削弱了其在漿體中的分散均勻性，試驗中測試數(shù)據(jù)的離散性增大[16]。

4 結(jié)論

(1)玄武巖纖維和其他纖維材料相比，表面整體較為光滑，便于纖維均勻分散在膠漿中，不容易結(jié)團，有利于材料應(yīng)用。

(2)玄武巖纖維能夠使瀝青流動性降低，從而使材料整體稠度增加，使瀝青的粘結(jié)力增強。

(3)玄武巖纖維瀝青膠漿高溫流變試驗結(jié)果表明，隨著溫度升高，不同纖維摻量的瀝青膠漿高溫抗車轍因子隨之升高，但玄武巖纖維的摻入對瀝青膠漿的抗車轍性能具有良好改善作用。

(4)玄武巖纖維瀝青膠漿在蠕變過程中受纖維界面?zhèn)鬟f和阻滯作用，玄武巖纖維的摻入能夠改善瀝青膠漿的低溫性能。玄武巖纖維瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性都得到改善，玄武巖纖維是一種較好的瀝青改性材料。