纖維瀝青膠漿流變性能及初始自愈合溫度研究

王亞飛 龐 凌 徐海欽 高 祥

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青路面占我國高等級路面的90%以上.SMA瀝青混凝土路面結構以其優(yōu)良的抗疲勞、耐高低溫和水穩(wěn)定性能，以及良好的表面功能(抗滑、平整度好、噪聲小)，在機場高速和橋面鋪裝等重要道路上得到了廣泛應用.然而，SMA瀝青混凝土路面在荷載應力、紫外線、溫度，以及雨水等因素的作用下易產生裂紋，如不及時修復，任其發(fā)展成裂縫、坑槽等路面病害，將會影響行車安全和服役壽命[1].

瀝青混凝土具有自愈合性能，瀝青膠漿在一定的溫度條件下，會發(fā)生浸潤、擴散，以及流動，使微裂紋愈合[2].馬濤等[3-4]研究發(fā)現(xiàn)：在感應加熱愈合過程中，當?shù)陀谝欢ǖ臏囟葧r，瀝青膠漿難以產生愈合能力；而當溫度過高時又容易致使瀝青老化，降低路用性能，所以根據(jù)瀝青膠漿的流動特性確定一個合適的溫度作為初始自愈合溫度指導自愈合養(yǎng)護工作是非常重要的.Garca等[5]發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土裂縫自愈合分為裂縫接觸、閉合、瀝青膠漿擴散，以及力學性能恢復四個階段，瀝青混凝土自愈合與其流變性能關系密切，包括瀝青膠漿流動性、彈性恢復、界面潤濕，以及瀝青擴散.Heyes等[6]認為瀝青膠漿在達到一定的流動能力后，即可以自發(fā)流動時，其自愈合能力才會體現(xiàn)出來.因此，瀝青膠漿具有一定流動能力時的溫度，成為研究瀝青混凝土自愈合能力的關鍵參數(shù).王寧等[7]提出了根據(jù)黏度測定瀝青材料流動特性的指數(shù)n，在n=1時對應的液體是牛頓流體；n在0.9～1被稱作近牛頓流體，即可以近似看作牛頓流體；在n=0.9時被認為是瀝青材料開始自發(fā)流動的值；而在n=0.9時所對應的溫度就是瀝青材料進行初始自愈合的溫度.

聚酯纖維和玄武巖纖維具有高的彈性模量，可以提高路面的整體高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，廣泛應用于制備SMA瀝青混凝土.文中通過相位角、復合剪切模量，以及復合黏度分析聚酯纖維和玄武巖纖維的摻入對瀝青膠漿流變性能的影響，并在此基礎上計算流動特性指數(shù)n，分析不同摻量下兩種不同類型纖維瀝青膠漿初始自愈合溫度的變化規(guī)律.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用湖北某公司生產的SBS改性瀝青，其技術指標見表1.采用湖北某公司的玄武巖纖維，其技術指標見表2.武漢某公司提供的聚酯纖維技術指標見表3.

表1 SBS改性瀝青基本性能指標

表2 玄武巖纖維技術指標

表3 聚酯纖維技術指標

由表2～3可知，玄武巖纖維和聚酯纖維的長度都為6 mm，直徑相差不大，但是玄武巖纖維的密度為2.810 g/cm3，遠大于聚酯纖維的1.360 g/cm3；除此之外，玄武巖纖維的拉伸強度達到了聚酯纖維的3倍.

1.2 制備工藝

將SBS改性瀝青加熱到160 ℃，按比例逐步加入纖維.由于纖維在攪拌時易纏結，所以要均勻地逐次添加，用葉片攪拌機進行攪拌，攪拌時間不宜過長，一般控制在15 min，等到膠漿均勻穩(wěn)定時倒入盛放的容器.在實驗過程中發(fā)現(xiàn)聚酯纖維在摻量達到瀝青質量的5%以后將變得難以融入，纏結成網(wǎng)現(xiàn)象嚴重，所以本文將玄武巖纖維和聚酯纖維的摻量定為1%、2%、3%.

1.3 試驗方法

玄武巖纖維和聚酯纖維通過QUANTA FEG 450掃描電子顯微鏡(SEM)進行形貌觀察.

轉子尺寸為直徑25 mm，實驗板間隙為1.00 mm，加載模式為溫度掃描，控制應變?yōu)?.25%，測試的溫度范圍是45～75 ℃，試驗角頻率為10 rad/s.

將不同摻量玄武巖纖維和聚酯纖維的瀝青膠漿分別進行頻率掃描試驗.試驗采用動態(tài)剪切流變儀進行加載模式為頻率掃描，試驗溫度為30 ℃～80 ℃，間隔為10 ℃，角頻率范圍為0.1～10 rad/s.纖維瀝青膠漿的流動性可以通過復合黏度和頻率推導，將得到的復合黏度和頻率的數(shù)值按以下公式進行冪函數(shù)擬合，得到流動特性指數(shù) ：

η*=m|ω|n-1

式中：ω為角頻率；η為復合黏度；m和n為擬合參數(shù)，n也稱為流動特性指數(shù).據(jù)此分析纖維瀝青膠漿的初始自愈合溫度進而研究其自愈合能力.

2 試驗結果與分析

2.1 纖維形貌

在肉眼觀察下玄武巖纖維(basalt fibe,BF)有明顯的金色光澤，聚酯纖維(polyester fiber,PF)則通體白色.在掃描電鏡下可以看到聚酯纖維呈非常規(guī)則的圓柱形狀，并且表面十分光滑.玄武巖纖維也是圓柱體，但是直徑略小于聚酯纖維，并且伴有纖維的碎屑以及一些凸起的物質，為玄武巖加工過程中驟冷所形成的結晶物質.

2.2 流變性能

圖1～2為不同摻量的玄武巖纖維和聚酯纖維瀝青膠漿的相位角和復合剪切模量的測試結果.由圖1可知：隨著溫度上升，相位角曲線的斜率逐漸變小，摻加和未摻加纖維的瀝青膠漿的相位角變化有相似的趨勢，說明纖維的加入并沒有改變?yōu)r青膠漿的黏彈性能.隨著纖維摻量的增加，纖維瀝青膠漿的相位角降低，聚酯纖維對相位角的降低作用比玄武巖纖維更為顯著.相位角越小，表明材料彈性成分越大，在相同摻量下，聚酯纖維在整個溫度范圍內的增彈作用都要高于玄武巖纖維.相對于玄武巖纖維來說，聚酯纖維具有較大的比表面積可以吸附較多的瀝青，從而獲得更好的增彈效果.

由圖2可知：隨著溫度的升高，瀝青膠漿的復合剪切模量逐漸降低.隨著纖維摻量的增加，瀝青膠漿的復合剪切模量逐漸升高.相同摻量下，聚酯纖維對復合剪切模量的增大作用比玄武巖纖維更為顯著.這主要是因為瀝青中添加纖維后，部分自由瀝青被纖維吸收后，形成與纖維黏更加緊密的結構瀝青，進一步提高了瀝青的抗變形和抗剪能力，具體表現(xiàn)為復合剪切模量的增加和相位角的減小.

圖1 不同摻量的玄武巖和聚酯纖維對瀝青膠漿相位角的影響

圖2 不同摻量的玄武巖和聚酯纖維對瀝青膠漿復合剪切模量的影響

相對于玄武巖纖維，聚酯纖維的密度較小，導致混合均勻后相同摻量的聚酯纖維與瀝青的接觸面積比較大；同時，聚酯纖維與瀝青同屬聚合物，它們之間有良好的親和性，可大幅提升自有瀝青向結構瀝青轉化的程度，進一步提高瀝青膠漿的抗變形及抗剪能力.玄武巖纖維雖然長度和聚酯纖維接近，但是玄武巖纖維屬于礦物纖維，本質上是一種無機材料，與瀝青的黏附性和相容性較弱，從而導致對復合剪切模量的提升效果不及聚酯纖維.

2.3 初始自愈合溫度

頻率掃描得到的不同摻量玄武巖纖維瀝青膠漿復合黏度的測試結果見圖3.隨著纖維摻量的增加，玄武巖纖維瀝青膠漿的復合黏度會得到較為顯著的提升，這是由于纖維在膠漿中形成空間隨機分布的網(wǎng)絡結構阻礙了瀝青的流動，在宏觀上就表現(xiàn)為瀝青膠漿的黏度增加.

圖3 不同摻量玄武巖纖維瀝青膠漿的頻率-復合黏度關系

由圖3可知：隨著頻率的增加，玄武巖纖維瀝青膠漿的復合黏度有明顯的下降趨勢，當溫度上升到70 ℃以后，玄武巖纖維摻量不大于2%時，復合黏度與頻率的相關性明顯變差，黏度曲線幾乎變成一條水平的直線，說明此時瀝青膠漿基本符合牛頓流體的特性, 黏度值恒定不變.在玄武巖纖維摻量達到3%后，在70 ℃的復合黏度仍然隨著頻率的增加呈下降態(tài)勢，說明在較高的纖維摻量下纖維瀝青膠漿的流動被嚴重阻礙，難以完全達到牛頓流體的狀態(tài)[8].

根據(jù)圖3結果進行擬合得到表4玄武巖纖維瀝青膠漿流動特性指數(shù).

表4 玄武巖纖維瀝青膠漿流動特性指數(shù)擬合結果

由表4可知：SBS改性瀝青和玄武巖纖維瀝青膠漿的流動特性指數(shù)隨著溫度的上升有逐漸增大的趨勢，表明了其瀝青膠漿在較高溫度下逐漸變?yōu)榻ｎD流體.

圖4為不同摻量的聚酯纖維瀝青膠漿的復合黏度-頻率關系圖，曲線趨勢在大體上與玄武巖纖維瀝青膠漿一致，不過在溫度較高時的曲線不再平滑，仍然表現(xiàn)出下降的趨勢，并且聚酯纖維瀝青膠漿的復合黏度都要明顯高于玄武巖纖維瀝青膠漿，表明聚酯纖維的摻入，明顯阻礙了纖維瀝青膠漿的流動.

圖4 不同摻量的聚酯纖維瀝青膠漿的復合黏度-頻率關系圖

由圖4可知：聚酯纖維摻量達到3%以后，復合黏度-頻率關系曲線的斜率將會明顯增大，說明此時的聚酯纖維瀝青膠漿流動狀態(tài)存在較大的波動，其膠漿在聚酯纖維的嚴重阻礙下難以達到近牛頓流體的狀態(tài).

基于圖4的結果，擬合得到的不同溫度下聚酯纖維瀝青膠漿的流動特性指數(shù)結果見表5，摻加聚酯纖維后的瀝青膠漿流動特性指數(shù)較摻加玄武巖纖維的瀝青膠漿有明顯的降低，當摻量超過2%以后，其流動特性指數(shù)達不到0.9.

表5 聚酯纖維瀝青膠漿流動特性指數(shù)擬合結果

由于聚酯纖維密度小，相同質量比下聚酯纖維瀝青膠漿中的位錯阻礙效應更加明顯，所以聚酯纖維瀝青膠漿流動性低于玄武巖纖維瀝青膠漿，導致達到相同的流動狀態(tài)需要更高的溫度或更長的時間.

圖5為不同摻量的玄武巖纖維和聚酯纖維瀝青膠漿流動特性指數(shù)隨溫度變化的趨勢圖.由圖5可知:兩種纖維瀝青膠漿隨著纖維摻量的增加，初始自愈合溫度都會隨之上升，說明了纖維的加入降低了SBS改性瀝青的流動性，需要通過升到更高的溫度來達到相同的流動狀態(tài).流動特性指數(shù)為0.9時，玄武巖纖維摻量從1%到3%時的瀝青膠漿的初始自愈合溫度分別為43，48，57 ℃；聚酯纖維摻量為1%時的初始自愈合溫度為58 ℃，摻量高于2%后，聚酯纖維瀝青膠漿的流動特性指數(shù)將達不到0.9.

圖5 聚酯纖維和玄武巖纖維瀝青膠漿在不同溫度下的流動特性指數(shù)

綜上所述，隨著纖維摻量的增加，瀝青膠漿初始自愈合溫度明顯增高，說明纖維摻量較高時，纖維之間的相互作用是影響瀝青膠漿流動性能的主要因素.所以，在實際施工時，應根據(jù)不同的纖維類型和摻量設置合適的溫度進行裂紋自愈合，既能達到愈合效果，又能減少消耗.

3 結 論

1) 隨著纖維摻量的增加，纖維瀝青膠漿的相位角降低，在相同摻量下，聚酯纖維對相位角的降低作用比玄武巖纖維更為顯著，其在整個溫度范圍內的增彈作用都要高于玄武巖纖維.瀝青膠漿的復合剪切模量隨著纖維摻量的增加逐漸升高，在摻量相同的情況下，聚酯纖維對復合剪切模量的增大作用比玄武巖纖維更為顯著.

2) 隨著纖維摻量的增加，兩種纖維瀝青膠漿的復合黏度系數(shù)明顯增大，流動特性指數(shù)下降.玄武巖纖維摻量為1%、2%、3%時，在30～80 ℃范圍內流動特性指數(shù)分別從0.820上升到0.946，0.810上升到0.920，0.803上升到0.911；聚酯纖維摻量為1%時，在30 ℃到80 ℃范圍內流動特性指數(shù)分別從0.811上升到0.901；聚酯纖維摻量超過2%以后，其流動特性指數(shù)將達不到0.9.相同摻量下，玄武巖纖維瀝青膠漿比聚酯纖維瀝青膠漿更容易達到滿足自愈合條件的流動特性.

3) 玄武巖纖維摻量從1%～3%時的瀝青膠漿的初始自愈合溫度分別為43，48，57 ℃；聚酯纖維摻量為1%時的初始自愈合溫度為58 ℃，聚酯纖維摻量超過2%后，流動特性指數(shù)將不足以評價其初始自愈合溫度.纖維摻量增加導致自愈合溫度增加，相同摻量下玄武巖纖維瀝青膠漿的初始自愈合溫度遠低于聚酯纖維.