玄武巖纖維- 瀝青界面粘結(jié)性能與高溫性能關(guān)聯(lián)度分析

孟 碩 宋關(guān)春 吳建國(guó) 裴 東 齊繼偉

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

瀝青路面材料目前被廣泛應(yīng)用于高速公路、機(jī)場(chǎng)路面等[1-3],然而不斷惡化的自然環(huán)境、車(chē)輛超載現(xiàn)象對(duì)瀝青路面材料造成了較大的影響,其服役性能遭受著較大的威脅[4-6]。在交通強(qiáng)國(guó)政策[7]的推動(dòng)下,其中在2021 年我國(guó)發(fā)布的《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中指出,構(gòu)建不僅具有現(xiàn)代化,同時(shí)具有高質(zhì)量的國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)。這就對(duì)瀝青路面材料的性能提出了嶄新的要求,因此瀝青路面材料的研究對(duì)推動(dòng)交通強(qiáng)國(guó)規(guī)劃的實(shí)施有著至關(guān)重要的作用。

玄武巖纖維作為一種綠色環(huán)保且性能優(yōu)異的高強(qiáng)纖維,其物理化學(xué)性能穩(wěn)定[8-9],被許多學(xué)者應(yīng)用在瀝青混合料中來(lái)增強(qiáng)其性能[10-12]。然而關(guān)于使用玄武巖纖維來(lái)增強(qiáng)瀝青路面材料性能的研究主要集中在纖維摻量等參數(shù)方面[13],目前的研究忽略了玄武巖纖維與瀝青的界面粘結(jié)性能的評(píng)價(jià)與分析,玄武巖纖維與瀝青的界面粘結(jié)性能的優(yōu)劣對(duì)于玄武巖纖維瀝青混合料的性能有著較大的影響。

因此,為了對(duì)玄武巖纖維與瀝青材料的界面粘結(jié)性能進(jìn)行評(píng)價(jià),本文采用纖維- 瀝青拉拔儀,對(duì)親油類(lèi)玄武巖纖維、親水類(lèi)玄武巖纖維與70#基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青的界面粘結(jié)性能進(jìn)行測(cè)試與分析,并研究了不同類(lèi)型玄武巖纖維對(duì)于不同瀝青材料的高溫性能指標(biāo)的增強(qiáng)效果；應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)比分析了玄武巖纖維- 瀝青界面粘結(jié)性能、原樣瀝青性能等參數(shù)對(duì)玄武巖纖維改性瀝青的高溫性能的關(guān)聯(lián)度大小,反映不同參數(shù)對(duì)玄武巖纖維改性瀝青的影響程度的大小。

本研究對(duì)玄武巖纖維與瀝青的界面粘結(jié)性能的評(píng)價(jià)有著較大的意義,揭示了玄武巖纖維與瀝青的界面粘結(jié)性能對(duì)瀝青材料的性能的影響,為玄武巖纖維在瀝青材料中的使用提供一定的參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究采用的玄武巖纖維為江蘇天龍連續(xù)玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的親油類(lèi)玄武巖纖維與親水類(lèi)玄武巖纖維,其主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 玄武巖纖維性能指標(biāo)

1.2 玄武巖纖維瀝青制備

本文采用某關(guān)于玄武巖纖維瀝青混合料的研究成果[14],選用其中關(guān)于玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中的油石比、纖維摻量等指標(biāo),計(jì)算得到在此研究中纖維與瀝青的質(zhì)量比值為0.0547,因此為了模擬玄武巖纖維在實(shí)際混合料的應(yīng)用中的比例,本研究選取此比值作為玄武巖纖維改性瀝青制備的標(biāo)準(zhǔn)比例。

表2 瀝青主要性能指標(biāo)

1.3 玄武巖纖維- 瀝青界面粘結(jié)性能試驗(yàn)方法

如圖1 所示,本文采用纖維- 瀝青拉拔儀對(duì)玄武巖纖維與瀝青的界面粘結(jié)性能進(jìn)行測(cè)試；根據(jù)課題組研究成果,測(cè)試時(shí)的纖維埋置長(zhǎng)度選為6mm,拉拔速度設(shè)置為5mm/min；測(cè)試過(guò)程中的拉拔力和位移的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖1 纖維- 瀝青拉拔儀

圖2 拉拔曲線示意圖

1.4 高溫性能試驗(yàn)方法

本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)對(duì)兩種不同類(lèi)型的玄武巖纖維對(duì)70#基質(zhì)瀝青與SBS 改性瀝青的增強(qiáng)效果進(jìn)行研究,測(cè)試所采用的指標(biāo)為復(fù)數(shù)模量G*指標(biāo),其代表著瀝青材料的高溫抗變形能力,G*越大,則瀝青材料的高溫抗變形能力越大。

1.5 灰色關(guān)聯(lián)分析方法

灰色關(guān)聯(lián)分析方法是一種可以得到不同的影響因素對(duì)最終所影響的目標(biāo)因素的關(guān)聯(lián)度大小的一種方法,所使用的指標(biāo)為關(guān)聯(lián)度指標(biāo),關(guān)聯(lián)度與影響因素對(duì)目標(biāo)因素的影響程度呈正相關(guān)。單個(gè)影響因素的關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如式(1)所示,平均關(guān)聯(lián)度的計(jì)算過(guò)程如式(2)所示。式中ξ 為關(guān)聯(lián)度,x0為目標(biāo)因素,xi為影響因素,r 為最終所應(yīng)用的平均關(guān)聯(lián)度指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維- 瀝青界面粘結(jié)性能分析

本節(jié)選取玄武巖纖維- 瀝青拉拔測(cè)試曲線中的最大拉拔力作為界面粘結(jié)性能的分析指標(biāo),親油類(lèi)玄武巖纖維(O)、親水類(lèi)玄武巖纖維(W)與70#基質(zhì)瀝青(70#)、SBS 改性瀝青(SBS)的界面粘結(jié)性能測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。親油玄武巖纖維對(duì)兩種瀝青的高溫性能增強(qiáng)效果大于親水玄武巖纖維,其中親油玄武巖纖維從70#基質(zhì)瀝青中拔出時(shí)的最大拉拔力比親水玄武巖纖維從70#基質(zhì)瀝青中拔出時(shí)的最大拉拔力增長(zhǎng)了32.4%,親油玄武巖纖維從SBS 改性瀝青中拔出時(shí)的最大拉拔力比親水玄武巖纖維從SBS 改性瀝青中拔出時(shí)的最大拉拔力增長(zhǎng)了17.1%。兩種類(lèi)型的纖維與SBS 改性瀝青的界面粘結(jié)性能大于其與70#基質(zhì)瀝青的粘結(jié)性能,以親油類(lèi)玄武巖纖維為例,其從SBS 改性瀝青中拔出時(shí)的最大拉拔力比其從70# 基質(zhì)瀝青中拔出時(shí)的最大拉拔力大了97.8%。

圖3 玄武巖纖維- 瀝青界面粘結(jié)性能測(cè)試結(jié)果

2.2 玄武巖纖維改性瀝青高溫性能分析

兩種類(lèi)型的玄武巖纖維改性70#基質(zhì)瀝青和兩種類(lèi)型的玄武巖纖維改性SBS 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量指標(biāo)如圖4、圖5 所示。隨著溫度的增強(qiáng),所有玄武巖纖維-瀝青的復(fù)數(shù)模量指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)；兩種纖維增強(qiáng)的SBS 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量大于其增強(qiáng)的70#基質(zhì)瀝青性能；親油類(lèi)玄武巖纖維改性70#基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量大于親水類(lèi)玄武巖纖維改性70#基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量,以52℃下的兩種玄武巖纖維改性70#基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量指標(biāo)為例,親油類(lèi)玄武巖纖維改性70#基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量比親水類(lèi)玄武巖纖維改性70#基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量大了62.4%。

圖4 玄武巖纖維-70#基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)模量

圖5 玄武巖纖維-SBS 改性瀝青復(fù)數(shù)模量

2.3 界面粘結(jié)性能與高溫性能關(guān)聯(lián)度分析

本節(jié)按照灰色關(guān)聯(lián)分析方法,采用公式(1)、公式(2)計(jì)算界面粘結(jié)性能、纖維模量、原樣瀝青復(fù)數(shù)模量、纖維體積參數(shù)等與玄武巖纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*的關(guān)聯(lián)度,從而對(duì)比分析不同參數(shù)對(duì)玄武巖纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)模量指標(biāo)的影響大小排序。采用的原始計(jì)算數(shù)據(jù)如表3 所示,關(guān)聯(lián)度計(jì)算表如表4 所示。

表3 原始計(jì)算指標(biāo)數(shù)據(jù)

表4 關(guān)聯(lián)度計(jì)算表

由灰色關(guān)聯(lián)分析得到的不同影響因素與高溫性能指標(biāo)G*的關(guān)聯(lián)度指標(biāo)結(jié)果來(lái)看,不同影響參數(shù)對(duì)玄武巖纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*的關(guān)聯(lián)度大小排序?yàn)樽畲蠼缑嬲辰Y(jié)力＞原樣瀝青復(fù)數(shù)模量＞纖維體積參數(shù)＞纖維模量,玄武巖纖維- 瀝青界面粘結(jié)性能對(duì)高溫性能的影響程度最大。因此玄武巖纖維- 瀝青的界面粘結(jié)性能對(duì)高溫性能的影響程度較大。

3 結(jié)論

3.1 玄武巖纖維與SBS 改性瀝青的界面粘結(jié)性能優(yōu)于其與70#基質(zhì)瀝青的界面粘結(jié)性能；親油玄武巖纖維對(duì)兩種瀝青的高溫性能增強(qiáng)效果大于親水玄武巖纖維。

3.2 玄武巖纖維可以增強(qiáng)瀝青材料的高溫性能；親油玄武巖纖維對(duì)兩種瀝青的高溫性能增強(qiáng)效果大于親水玄武巖纖維。

3.3 不同影響參數(shù)對(duì)玄武巖纖維改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*的關(guān)聯(lián)度大小排序?yàn)樽畲蠼缑嬲辰Y(jié)力＞原樣瀝青復(fù)數(shù)模量＞纖維體積參數(shù)＞纖維模量,玄武巖纖維- 瀝青界面粘結(jié)性能對(duì)高溫性能的影響程度最大。