玄武巖纖維對(duì)瀝青高低溫流變特性影響研究

黃南華

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

瀝青路面因其良好的行駛質(zhì)量、低噪音、施工速度快、優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性、可回收性以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，且已成為我國道路建設(shè)的主要鋪裝形式。然而，在行車荷載和自然環(huán)境等因素的影響下，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)如車轍、裂縫、坑槽等諸多病害，這些病害會(huì)嚴(yán)重影響路面的質(zhì)量，減少使用壽命，增加養(yǎng)護(hù)成本?？萍既藛T通過在瀝青和瀝青混合料中加入添加劑以改善瀝青及其混合料性能，延長路面使用年限[1-3]。玄武巖纖維作為諸多添加劑中的一種，屬于礦物纖維，由玄武巖石料在極高的溫度下熔融后拉制而成的連續(xù)纖維，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。此外，玄武巖纖維對(duì)瀝青具有增粘、阻裂和增大模量的作用，可提高其疲勞耐久性。

很多科研人員將玄武巖纖維用于各種型號(hào)的基質(zhì)瀝青和改性瀝青中，研究玄武巖纖維長度和摻量對(duì)瀝青混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)合理的玄武巖纖維長度和摻量可全面提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能[4]。研究表明最佳的玄武巖纖維摻量一般為基質(zhì)瀝青的0.3%～0.4%。玄武巖纖維用于瀝青混合料中的研究較為常見且詳細(xì)，但玄武巖纖維對(duì)瀝青的性能影響卻少有報(bào)道。為此，本文針對(duì)不同玄武巖纖維摻量對(duì)瀝青高溫和低溫流變特性的影響，通過軟化點(diǎn)、DSR、延度和BBR四項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證玄武巖纖維對(duì)70#基質(zhì)瀝青性能的增強(qiáng)效果，并在此基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)了玄武巖纖維在基質(zhì)瀝青的應(yīng)用中較木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的優(yōu)越性。

1 原材料及制備

1.1 玄武巖纖維

所選用玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 70#基質(zhì)瀝青

瀝青采用東海牌70#基質(zhì)瀝青，具體參數(shù)見表2。

表2 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

1.3 玄武巖纖維瀝青的制備

將70#基質(zhì)瀝青在160 ℃的烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)后，稱取0%、1%、3%和5%烘干后的玄武巖纖維加入瀝青中，在恒溫電子烤爐上人工攪拌10 min，使玄武巖纖維在瀝青中初步分散，隨即使用分散攪拌器在170 ℃、轉(zhuǎn)速為1 000 rad/min的條件下拌和，使玄武巖纖維均勻分散在瀝青中。為防止玄武巖纖維沉淀在瀝青底部，應(yīng)嚴(yán)格控制攪拌時(shí)間，攪拌結(jié)束后立即澆膜進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

軟化點(diǎn)、延度、DSR和BBR試驗(yàn)按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)方法的要求進(jìn)行。

2 結(jié)果分析

2.1 軟化點(diǎn)和延度

軟化點(diǎn)是評(píng)價(jià)瀝青的基礎(chǔ)指標(biāo)，在一定程度上，瀝青軟化點(diǎn)的高低決定了瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的強(qiáng)弱。延度則反映瀝青在低溫環(huán)境下的變形能力，是評(píng)價(jià)瀝青塑性的重要指標(biāo)[5]。因此。分別對(duì)不同玄武巖纖維摻量的瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 各玄武巖纖維摻量下瀝青軟化點(diǎn)

根據(jù)表3結(jié)果可知，軟化點(diǎn)隨著玄武巖纖維摻量的增加而不斷升高，增長幅度在摻量大于3%后降低，說明玄武巖纖維的加入使瀝青的高溫性能得到了一定程度的上升，但隨摻量的增加，上升趨勢(shì)有所下降；延度試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維的摻入使延度不斷降低，根據(jù)復(fù)合材料理論和現(xiàn)有研究綜合分析，可能是因玄武巖纖維摻入后，致使瀝青澆膜時(shí)應(yīng)力集中，導(dǎo)致纖維瀝青在低溫環(huán)境下極易產(chǎn)生斷裂，表現(xiàn)出纖維瀝青延度降低的假象，有的延度試驗(yàn)無法用來衡量纖維瀝青的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異。

2.2 DSR

由于瀝青材料的感溫特性，在不同溫度環(huán)境下，瀝青抵抗變形的能力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。美國為了更好地研究瀝青的高溫粘彈特性，研發(fā)了動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗(yàn)設(shè)備[6-7]。利用DSR設(shè)備可對(duì)不同纖維摻量的瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，分析其復(fù)數(shù)剪切模量、相位角、車轍因子隨著溫度的變化。已有研究表明，車轍因子可較好地表征瀝青的高溫穩(wěn)定性，車轍因子越大，則說明瀝青在高溫下抵抗變形的能力越好。

本試驗(yàn)采用DSR流變儀在60 ℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃四種試驗(yàn)溫度下對(duì)不同玄武巖纖維摻量的瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，分別得到剪切模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ，結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 DSR復(fù)數(shù)剪切模量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 DSR相位角試驗(yàn)結(jié)果

圖3 DSR車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

從圖1～圖3可見，玄武巖摻量和溫度對(duì)瀝青高溫特性中的G*、δ及G*/sinδ有顯著影響。隨玄武巖纖維摻量的增加，此3項(xiàng)指標(biāo)均呈上升趨勢(shì)。從圖3中可知，各溫度下瀝青的車轍因子都隨玄武巖纖維摻量的增加而增加，各摻量下瀝青的車轍因子都隨溫度的升高而降低，這說明玄武巖纖維可有效提升瀝青的車轍因子。其中，玄武巖纖維摻量為3%時(shí)較為合理，提升幅度最大；在60 ℃環(huán)境下，纖維摻量對(duì)瀝青的車轍因子影響顯著，隨著溫度的不斷升高，這種影響不斷降低，在環(huán)境溫度達(dá)到75 ℃時(shí)，纖維摻量給瀝青車轍因子帶來的影響已經(jīng)微乎其微。

2.3 BBR

彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)同樣是由美國提出用以衡量瀝青在低溫環(huán)境下抵抗變形的能力[8-10]。經(jīng)過國內(nèi)外大量學(xué)者的驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，彎曲流變?cè)囼?yàn)的勁度模量S和蠕變?nèi)崃縨值可有效反映瀝青的低溫流變性能。普通瀝青可通過延度試驗(yàn)檢驗(yàn)其低溫性能，但前文延度試驗(yàn)表明無法對(duì)纖維瀝青進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。為此，基于BBR的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，測(cè)得不同玄武巖摻量瀝青的勁度模量和蠕變?nèi)崃?。根?jù)SHRP計(jì)劃中規(guī)定，60 s的勁度模量應(yīng)不大于300 MPa，蠕變?nèi)崃繎?yīng)不低于0.3。本試驗(yàn)是在-12 ℃環(huán)境下對(duì)不同纖維摻量瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn)，得到60 s時(shí)的勁度模量S和蠕變?nèi)崃縨值，其結(jié)果見表4。

表4 不同纖維摻量瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由表4可知，勁度模量均低于300 MPa，m值均高于0.3，二者均符合SHRP規(guī)定要求。勁度模量S越小，表明瀝青的低溫穩(wěn)定性越好，玄武巖纖維摻量為3%時(shí)，勁度模量S最小，此時(shí)纖維瀝青的低溫穩(wěn)定性最佳；當(dāng)纖維摻量增加到5%時(shí)，勁度模量S反而增大，說明纖維摻量不宜過多，否則對(duì)瀝青性能不增強(qiáng)反而減弱。不同摻量下瀝青的m值均高于0.3，且差異性較小，與勁度模量S相同的是，當(dāng)纖維摻量為5%時(shí)，m值迅速降低，表明低溫性能快速減弱。因此，通過分析綜合勁度模量S和m值可知，玄武巖纖維摻量為3%時(shí)對(duì)瀝青低溫穩(wěn)定性的提升效果最佳。

3 不同纖維性能對(duì)比研究

纖維通常占瀝青混合料的0.2%～0.4%，量少但效果顯著，起到了橋接和加筋的關(guān)鍵作用，不同纖維因各自獨(dú)特的性能，使其在瀝青及瀝青混合料中所起的作用效果和大小也有所不同[11-12]。為了研究不同纖維自身性能的區(qū)別，從物理性能、熱穩(wěn)定性能和吸油率3個(gè)角度對(duì)玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維3種主流纖維的自身性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

玄武巖纖維的原材料為玄武巖，取材方便且環(huán)保，其制作工藝也較為簡易且玄武巖纖維的性能優(yōu)良[13-15]，成為近年來瀝青路面最常用的纖維穩(wěn)定劑，應(yīng)用前景廣闊；木質(zhì)素纖維是最突出的植物纖維，取材更加廣泛，因其對(duì)瀝青具有良好的吸附性及較低的成本，在瀝青混合料中廣泛應(yīng)用，特別是用于SMA瀝青混合料中居多，但因其較低的強(qiáng)度和不耐高溫和腐蝕等性能缺陷，致使其很難得到進(jìn)一步推廣；聚酯纖維作為高分子結(jié)構(gòu)物，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸和耐腐蝕性，力學(xué)性能也較為顯著，但也存在耐堿性、耐摩性和耐高溫性能等較差的缺點(diǎn)。

3.1 物理性能

通過對(duì)纖維的物理性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 纖維物理性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度最高，遠(yuǎn)高于木質(zhì)素纖維和聚酯纖維，是木質(zhì)素纖維的10倍之多。玄武巖纖維在密度方面也有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，是木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的2倍左右。

3.2 熱穩(wěn)定性

瀝青及瀝青混合料通常在較高的溫度下進(jìn)行預(yù)熱、攪拌和壓實(shí)工作但對(duì)纖維的高溫穩(wěn)定性有著一定的要求，若纖維的高溫穩(wěn)定性不合格會(huì)導(dǎo)致其整體性能大打折扣。因此，有必要對(duì)纖維的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

3種纖維各取10 g，放置在180 ℃的烘箱中6 h。取出后稱取其質(zhì)量，根據(jù)公式，質(zhì)量損失=(加熱前質(zhì)量-加熱后質(zhì)量)/加熱前質(zhì)量×100%計(jì)算，可得出質(zhì)量損失率，結(jié)果見表6。

表6 180 ℃纖維熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，180 ℃高溫下，3種纖維都有一定的質(zhì)量損失率，但木質(zhì)素的損失率較大，為24.9%，從烘箱取出的木質(zhì)素纖維其外觀由原有白色變成了黃色，這些現(xiàn)象都說明了木質(zhì)素纖維的熱穩(wěn)定性存在著較大的問題。而玄武巖纖維的質(zhì)量損失極小，僅為2.3%，玄武巖纖維在高溫環(huán)境下外觀沒有產(chǎn)生變化，綜合說明玄武巖纖維具有良好的熱穩(wěn)定性。

3.3 吸油性

稱取烘干的3種纖維各5 g，記為m1，將其分別置入玻璃杯中，加入100 mL煤油并攪拌15 min后靜置5 min。稱取試樣篩質(zhì)量為m2，將各玻璃杯中的纖維倒入試樣篩，啟動(dòng)纖維吸油率測(cè)定儀，時(shí)間為10 min，完成后稱取試樣篩和篩內(nèi)纖維的總質(zhì)量為m3，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 纖維吸油率試驗(yàn)結(jié)果 g

根據(jù)公式吸油率x=(m3-m2-m1)/m1×100%計(jì)算，分別可得玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的吸油率分別為56.2%、66.6%和29%。木質(zhì)素纖維的吸油率較好，植物纖維內(nèi)部空隙率較大，吸油能力較強(qiáng)。玄武巖纖維的吸油率也較好，雖不及木質(zhì)素纖維，但相差不大。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格對(duì)3種纖維的材料增加成本進(jìn)行預(yù)算分析，按常規(guī)用量設(shè)定3種纖維的摻量均為瀝青混合料總質(zhì)量的0.3%，玄武巖纖維和聚酯纖維致使瀝青用量提升0.2%，木質(zhì)素纖維致使瀝青用量增加0.3%，據(jù)此得出1 t瀝青混合料中3種纖維所增加的成本預(yù)算，結(jié)果見表8。

由表8可知，每t纖維瀝青混合料所增加的費(fèi)用約為：聚酯纖維61 元/t、玄武巖纖維40 元/t、木質(zhì)素纖維26.7 元/t，其余運(yùn)輸費(fèi)、人工費(fèi)和拌和費(fèi)等費(fèi)用相似，不作分析比較。結(jié)合纖維自身特性，建議采用玄武巖纖維。

表8 纖維經(jīng)濟(jì)性分析

4 結(jié)論

1) 軟化點(diǎn)試驗(yàn)初步驗(yàn)證了玄武巖纖維具有增強(qiáng)瀝青高溫性能的功效，基于DSR的溫度掃描試驗(yàn)證明玄武巖纖維可對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性進(jìn)行有效提升，在環(huán)境溫度為60 ℃～70 ℃之間時(shí)尤為明顯，溫度大于70 ℃時(shí)，玄武巖纖維給瀝青高溫性能帶來的提升不顯著。

2) 延度試驗(yàn)結(jié)果存在較大誤差，結(jié)合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)延度試驗(yàn)不適用于對(duì)纖維瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)，需要進(jìn)一步研發(fā)試驗(yàn)方法；但基于BBR的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)可很好地反映玄武巖纖維對(duì)瀝青低溫抗裂性的增強(qiáng)，且當(dāng)玄武巖纖維摻量為3%時(shí)，抗裂效果最佳，摻量高于3%后瀝青的低溫性能呈下降趨勢(shì)。

3) 3種纖維自身性能研究表明，玄武巖纖維在各方面都表現(xiàn)出色，具有較好的應(yīng)用前景；聚酯纖維力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性良好，但吸油率較低；木質(zhì)素纖維具有較高的吸油率，但力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性相比之下較差。因此，在纖維的選擇上應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際和瀝青種類再結(jié)合纖維的具體某一或某些性能進(jìn)行綜合對(duì)比后選擇較佳。