季凍區(qū)玄武巖纖維復合高粘改性瀝青性能評價

于保陽， 劉美鷗， 孫宗光

(1. 大連海事大學 交通運輸工程學院， 遼寧 大連 116026； 2. 沈陽建筑大學 交通工程學院， 沈陽 110168； 3. 中鐵九局集團 第一建設有限公司， 江蘇 蘇州 215299)

1 試驗設計與指標分析

1.1 試驗原材料

本文采用玄武巖纖維、高粘改性劑與遼河90#基質瀝青進行復合改性瀝青試驗.表1為基質瀝青技術指標.玄武巖纖維由海寧安捷有限公司生產，其基本技術指標如表2所示.高粘改性劑為國產OLB-1型，由多種聚合物復合而成，如圖1所示.

表1 基質瀝青技術指標Tab.1 Technical indexes of matrix asphalt

表2 玄武巖纖維技術指標Tab.2 Technical indexes of basalt fiber

圖1 高粘改性劑Fig.1 High viscosity modifier

選取高粘改性劑摻量、玄武巖纖維摻量共2個影響因素，參考透水瀝青路面工程中的高粘改性劑摻量為8%和玄武巖纖維摻量為3%(占瀝青膠漿的質量百分數(shù))兩種試樣[11-12].每個因素取4個水平，采用正交試驗方法對復合改性瀝青進行試驗設計.其中，基質瀝青中的玄武巖纖維摻量為0%、1%、3%、5%；高粘改性劑摻量為0%、4%、8%、12%，試驗試樣共16組.對兩種改性材料不同摻配比下復合改性瀝青的軟化點、延度、錐入度、135 ℃粘度和小梁彎曲蠕變(BBR)指標進行試驗.

1.2 試驗結果與分析

1.2.1 粘度指標

針入度、軟化點、135 ℃粘度均為瀝青粘度的一種表征形式.由于玄武巖纖維與高粘改性劑加入基質瀝青中形成了非勻質狀態(tài)的復合改性瀝青，若用針入度法測量復合改性瀝青的粘稠性，離散程度較大并且試驗結果不穩(wěn)定，因此本文采用錐入度法進行測試[13].不同摻配比下復合改性瀝青的粘度指標測試結果如表3所示.

表3 復合改性瀝青粘度指標及試驗結果Tab.3 Viscosity index and test results of composite modified asphalt

通過表3數(shù)據分析可知，單一使用玄武巖纖維或高粘改性劑加入瀝青后，會對瀝青的粘度指標產生影響.而對于兩種材料共同使用時，隨著摻量的增加，復合改性瀝青的軟化點、135 ℃粘度明顯增大，錐入度下降.本文對玄武巖纖維和高粘改性劑不同摻配比與粘度指標建立線性方程，對復合改性瀝青進行粘度預測分析.

1.2.2 延 度

延度指標能夠間接評價瀝青的低溫性能，延度越大，低溫延展性越好，低溫條件下變形程度越高，抵抗開裂性能越好.本文選擇5 ℃環(huán)境條件對16組改性瀝青進行低溫延度試驗.圖2為復合改性瀝青延度試驗結果.

圖2 復合改性瀝青延度試驗結果Fig.2 Ductility test results of composite modified asphalt

由圖2可知，不摻加玄武巖纖維時，隨著高粘改性劑摻量的增加，延度值增大；當高粘改性劑摻量為0%、4%、8%、12%時，隨著玄武巖纖維摻量的增加，延度值減小.玄武巖纖維吸收瀝青內的輕質組分，使得瀝青體現(xiàn)出脆性，摻量增大使其延展性降低；高粘改性劑的摻入能夠增強纖維與瀝青間的粘結作用，提高瀝青在低溫時的拉伸變形能力，彌補纖維摻入后延度降低的不足，體現(xiàn)出兩種材料復合改性的優(yōu)勢.

1.2.3 低溫蠕變試驗

為了進一步研究復合改性瀝青低溫性能，本文引入低溫蠕變試驗，試驗采用低溫彎曲流變儀(BBR).在不同溫度下，對16組不同摻配比復合改性瀝青澆筑的小梁試件進行測定，得到其勁度模量S和蠕變速率值m.

SHARP計劃提出，瀝青的勁度模量S值過大，瀝青呈現(xiàn)脆性，表示模量值越小越好，瀝青抵抗永久變形的能力越強；瀝青的蠕變速率值m越大，表明瀝青勁度的時間敏感性越強，路面隨著溫度降低發(fā)生收縮時產生低溫開裂的可能性減小[14-16].本文根據東北氣候條件，采用BBR分別在-18 ℃和-24 ℃條件下對復合改性瀝青進行低溫彎曲蠕變試驗，進一步評價其低溫性能.表4為東北季凍區(qū)氣候條件數(shù)據.圖3～4為兩種溫度下復合改性瀝青蠕變勁度模量值和蠕變速率值.

表4 東北季凍區(qū)氣候條件Tab.4 Climate conditions of seasonal frozen region in northeast China

圖3 復合改性瀝青蠕變勁度模量值Fig.3 Creep stiffness modulus of composite modified asphalt

由圖3可以看出，在-18 ℃和-24 ℃，S值隨著溫度的下降而升高，溫度降低，瀝青的低溫變形能力變差.在摻入兩種改性材料后，瀝青的蠕變勁度模量S值呈現(xiàn)減小的趨勢.當高粘改性劑的摻量一定時，S值隨著玄武巖纖維摻量的增加先減小后變大；當玄武巖纖維摻量一定時，S值隨著高粘改性劑摻量的升高先增大后減小.在兩種溫度下，玄武巖纖維與高粘改性劑摻配比為3%和12%時的S值均達到最小，說明兩種材料可以綜合提高瀝青低溫變形的能力.但當纖維摻量大于3%時，S值開始變大，這是因為過量的纖維在高溫澆筑試件時極易粘結成塊狀，導致低溫下瀝青的蠕變模量增大.

由圖4可以看出，在不同溫度下，溫度越低，瀝青的蠕變速率值m越小.當摻入玄武巖纖維和高粘改性劑后，m值先增大后減小，玄武巖纖維摻量為1%時達到最大，該摻量下玄武巖纖維與高粘改性劑復合改性對于提高瀝青的應力松弛能力最佳.隨著兩種材料摻量的增大，復合改性瀝青應力松弛能力下降.在-24 ℃條件下，玄武巖纖維摻量為5%時，不同高粘改性劑摻量下的m值呈接近趨勢，如果繼續(xù)增加纖維摻量，各摻配比下的復合改性瀝青的應力松弛能力將達到限值不變.雖然兩種材料可以綜合提高瀝青的低溫抗永久變形和應力松弛能力，但要在合理摻量的范圍內使用.

圖4 復合改性瀝青蠕變速率值Fig.4 Creep rate of composite modified asphalt

2 復合改性瀝青增粘預測

本文將玄武巖纖維與高粘改性劑同時作為固態(tài)的增強劑摻入基質瀝青中，以物理混合方式影響瀝青的性能.以復合材料理論的廣義混合率為依據，將復合材料的性能看作是各組分的性能與相應體積含量乘積的加權和，其表達式為

(1)

在高溫條件下，復合改性瀝青是以瀝青為液體，玄武巖纖維和高粘改性劑為固體的復合體系，對于兩相復合的固液懸浮體系來說，復合材料的廣義混合率公式可以表示為

M=MW(1-VS)1/j

(2)

式中：M為復合改性瀝青的粘度指標(軟化點、錐入度、135 ℃粘度)；MW為基質瀝青粘度指標值；VS為固體顆粒的體積分數(shù).

當式(2)滿足Albert Einstein在其經典論文《論分子大小的測定》中做出的若干假設之后，即可推導出愛因斯坦增強模型(粘度方程式)為

M=MW(1+KEVS)

(3)

式中，KE為愛因斯坦系數(shù).KE也可看作改性材料的增粘速率，隨著瀝青中逐漸加入兩種改性材料的摻量變化，兩種改性材料產生一定的交互作用使增粘速率產生變化.根據愛因斯坦假設，兩種改性材料的固體粒子等大，在愛因斯坦粘度公式中加入交互作用系數(shù)β，擬定出復合改性瀝青粘度公式為

M=MW(1+βKEMh)=

MW[1+βKE(Mx+Mg)]

(4)

式中：Mh為玄武巖纖維與高粘改性劑的總質量分數(shù)；Mx為玄武巖纖維質量分數(shù)；Mg為高粘改性劑質量分數(shù).總質量分數(shù)為兩種改性材料的質量分數(shù)之和.

2.1 增粘方程擬合

根據表3中數(shù)據，當高粘改性劑摻量一定時，利用式(3)對不同玄武巖纖維摻量下的復合改性瀝青的粘度指標進行擬合，擬合結果如表5所示.

表5 不同高粘改性劑摻量的玄武巖纖維增粘方程Tab.5 Viscosifying equation of basalt fiber at different blending contents of high viscosity modifier

2.2 交互作用系數(shù)

將高粘改性劑摻量為4%、8%、12%時的復合改性瀝青增粘速率與高粘改性劑摻量為0%時的纖維改性瀝青增粘速率的比值作為交互作用系數(shù)βn′(n′=1，2，3)，并對所得交互作用系數(shù)進行方程擬合，結果如表6～7所示.

表6 不同高粘改性劑摻量的交互作用系數(shù)Tab.6 Interaction coefficient of high viscosity modifier at different blending contents

2.3 增粘預測模型

將表7中交互作用系數(shù)方程代入式(4)中，可得到復合改性瀝青的粘度指標(軟化點、錐入度、135 ℃粘度)的預測模型.

表7 不同高粘改性劑摻量的交互作用系數(shù)方程Tab.7 Interaction coefficient equation of high viscosity modifier at different blending contents

軟化點預測模型為

LSP=49.2[1+0.092(1-0.307 13Mg+

錐入度預測模型為

135 ℃粘度預測模型為

LV=0.334[1+0.379(1+0.023 25Mg-

3 復合改性瀝青性能的綜合評價

3.1 熵值組合權評價法

本文對16組玄武巖纖維與高粘改性劑不同摻配方案下的復合改性劑瀝青建立軟化點、錐入度、135 ℃粘度、延度、低溫蠕變多指標體系，同時考慮復合改性瀝青對東北季凍區(qū)透水路面的適用性，需要對瀝青的高低溫指標進行主觀賦權來確定主觀權重系數(shù)，熵值法確定客觀權重系數(shù)，最后將主客觀權重系數(shù)“加成”得出各摻配方案的綜合評分.計算步驟如下：

1) 數(shù)據矩陣.將表1、圖2～4中試驗數(shù)據代入矩陣A中，方案序號和指標順序(從左至右為1，2，…，8)如表8所示.

式中，Xij為第i個方案第j個指標的數(shù)值，i=1，2，…，n，j=1，2，…，q.

2) 數(shù)據的非負數(shù)化處理.為了避免求熵值時對數(shù)的無意義，需要進行數(shù)據平移.

① 對于越大越好的指標，則有

(5)

② 對于越小越好的指標，則有

(6)

為了方便起見，記非負數(shù)化處理后的數(shù)據為Xij.

3) 計算第j項指標下第i個方案占該指標的比重為

(7)

4) 計算第j項指標的熵值為

(8)

5) 求組合權值.

① 熵權值為

(9)

② 主觀賦權.本文參考大量研究資料確定復合改性瀝青性能指標的模糊權向量[17-18]，并考慮季凍區(qū)最低溫條件下瀝青性能指標的適用性，對其多性能指標進行主觀權重分配，即

λ=(λ1，λ2，…，λn)=

(0.1，0.1，0.1，0.1，0.15，0.15，0.15，0.15)

③ 組合權值為

(10)

6) 計算各方案的綜合評分為

(11)

3.2 數(shù)據分析

將矩陣A按式(5)～(11)計算，得到16組復合改性瀝青指標試驗數(shù)據的非負數(shù)化處理值、熵權值、組合權值及各摻配方案的綜合評分，計算結果如表8所示.

由表8計算結果分析可知，方案15得到最高的綜合評分為3.22，為最佳摻配方案，與試驗結果分析相互驗證，在方案15摻配比下復合改性瀝青的低溫變形能力最強，兩種改性材料的最佳摻配比為高粘改性劑摻量12%，玄武巖纖維摻量3%.

表8 復合改性瀝青性能的熵值組合權綜合評分Tab.8 Comprehensive scores of composite modified asphalt performances with entropy-combination weight

4 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) 通過多指標瀝青性能試驗，確定復合改性瀝青的最佳摻配比，高粘改性劑摻量為12%，玄武巖纖維摻量為3%.

2) 建立復合改性瀝青的增粘預測模型，擬合復合改性瀝青的增粘方程，可以較為精準地預測復合改性瀝青在不同摻配比下的性能.