玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能分析

收稿日期：2024-01-10

作者簡介：楊進宇（1992—），男，碩士，工程師，從事市政公路路基路面工程工作。

摘要 隨著交通量的不斷增加和路面使用年限的增長，增加瀝青路面使用壽命對于路面工程具有重要意義，文章基于玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能展開研究，主要了解玄武巖瀝青混凝土的工作性能和作用機理，對瀝青混凝土生產(chǎn)過程、質(zhì)量控制過程及自愈合性能作用過程分析研究，得到影響玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能的主要因素和生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的關鍵問題。

關鍵詞 玄武巖纖維；損傷自愈合；高強度；彈性性能

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0149-03

0 引言

我國多數(shù)瀝青路面主要受車輛荷載和環(huán)境氣候條件的影響而損壞。為了提高瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命，玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合性能可在很大程度上解決這一問題?；谛鋷r纖維瀝青混凝土的損傷自愈合性能，從玄武巖纖維材料性能特點和優(yōu)勢出發(fā)，結(jié)合瀝青混凝土材料生產(chǎn)工藝進行系統(tǒng)分析研究，重點通過玄武巖纖維加入后對瀝青混凝土損傷自愈合性能影響進行分析[1]。

1 玄武巖纖維性能分析

玄武巖纖維的性能穩(wěn)定，包括基本路用性能中化學穩(wěn)定性、力學性能、環(huán)境穩(wěn)定性及可再生利用的可加工性等。玄武巖基于良好的物理力學性能被廣泛應用于航空航天工程、汽車制造、建筑裝修裝飾、環(huán)保建材等相關領域。隨著我國科學技術(shù)和新科研手段不斷發(fā)展，新型材料使用玄武巖材質(zhì)作為添加也越來越普遍。玄武巖纖維具有許多優(yōu)異的性能，屬于重要的無機非金屬材料。關于玄武巖纖維的性能主要總結(jié)為以下幾點：

（1）玄武巖纖維耐酸、耐堿和耐腐蝕，因而具有良好的化學穩(wěn)定性，尤其在酸性和堿性環(huán)境中可以大力推廣和使用，不易被環(huán)境腐蝕變質(zhì)。玄武巖纖維的介電常數(shù)和介電損耗角正切值較低，即使處于電磁場環(huán)境中，其具備的電絕緣性能和耐電弧性能能夠減少能量損耗，起到絕緣保護作用。

（2）玄武巖纖維抗拉強度和彈性模量均高于傳統(tǒng)的玻璃纖維和碳纖維，其較高的強度和模量能夠滿足各種高強度、高模量應用場景中。玄武巖纖維的導熱系數(shù)高于傳統(tǒng)玻璃纖維，具有很好的耐熱性，可以在高溫下保持穩(wěn)定、不變質(zhì)，可用于高溫運行的機械設備中。

（3）玄武巖纖維物理和化學性能都比較出色，在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有害氣體，不會對環(huán)境造成污染，對人體而言相對安全。玄武巖纖維可以制成氈、布和紙等制品，可加工性也是其他不可比擬的優(yōu)點之一，材料可通過復合加工制成各種高性能復合材料。

2 玄武巖纖維瀝青混凝土自愈合性能作用機理

玄武巖纖維瀝青混凝土具有良好的路用性能和環(huán)保性能，是一種新型的瀝青路面材料，目前已在國內(nèi)外得到了廣泛的推廣和使用，極大程度增加瀝青路面的使用壽命。對于路面工程來說，玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合是最重要的性能之一，有利于延長路面的使用壽命和降低維修成本，在路面工程中具有重要意義。

當路面受到損傷時，玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合性能能夠自動修復損傷的能力被稱為自愈合性能。這種自愈合性能作用原理是瀝青混凝土內(nèi)部的黏結(jié)力與纖維和瀝青之間的界面黏結(jié)力相互作用，玄武巖纖維起到連接作用，使路面不完全損壞。待荷載消失后，路面在損傷部位周圍的瀝青分子會在溫度和外力的作用下流動至損傷部位進行修復。玄武巖纖維的加入能夠提供有效的約束和傳遞作用力，以達到修復路面的目的[2]。

2.1 玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能主要的影響因素

（1）玄武巖纖維的摻量：玄武巖纖維的摻配量直接影響瀝青混合料的自愈合性能，合理的摻量和線位長度能夠提供更好的界面黏結(jié)力和傳遞作用，從而提高自愈合性能。經(jīng)試驗證明，纖維的摻量過多，會增加瀝青混凝土內(nèi)部的孔隙率，其自愈合性能會降低。

（2）溫度和濕度：溫度和濕度對玄武巖纖維瀝青混凝土自愈合性能的影響很大，瀝青混凝土的自愈合性能會在合適的環(huán)境中得到更好發(fā)揮。

（3）損傷類型和程度：玄武巖纖維瀝青混凝土的自愈合性能受路面破壞程度的大小限制，不同類型和不同程度的損傷很大程度影響自愈合性能發(fā)揮。對于輕微的表面損傷，自愈合性能較好；但是對于嚴重的內(nèi)部損傷，自愈合性能較差甚至自愈合性能不能完全修復路面。

2.2 玄武巖纖維瀝青混凝土自愈合性能的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：玄武巖纖維瀝青混凝土能夠依靠其內(nèi)部的黏結(jié)力和纖維的增強作用，在路面受到損傷時進行自動修復損傷，當然這種損傷修復有一定的限制條件，路面不能完全開裂，從而達到延長路面的使用壽命。玄武巖纖維的加入能有效減少裂縫的產(chǎn)生和擴展，也可以有效地提高瀝青混凝土的抗裂性能，對于提高路面的整體性能有著重要作用[3]。

缺點：玄武巖纖維瀝青混凝土的自愈合效率受到溫度、濕度和損傷程度等多種因素的影響，其自愈合性能會受到外部環(huán)境條件的限制。玄武巖纖維瀝青混凝土相比傳統(tǒng)的瀝青混凝土，生產(chǎn)成本比較高，成本增加主要是由于玄武巖纖維的生產(chǎn)和加工成本相對較高。應嚴格控制玄武巖纖制備工藝和瀝青混合料生產(chǎn)制備工藝，加強施工技術(shù)和養(yǎng)護管理控制，從而減少施工成本。

3 實驗分析與設計

3.1 案例分析

該文選用某高速公路路面結(jié)構(gòu)進行研究，瀝青路面結(jié)構(gòu)層設計為：改性瀝青SMA-13C上面層4 cm+改性乳化瀝青黏層+SBS改性瀝青AC-20C中面層6 cm+改性乳化瀝青黏層+瀝青混凝土AC-25C下面層8 cm+SBS改性瀝青同步碎石封層1 cm+煤油稀釋瀝青透層+水泥穩(wěn)定碎石基層。該項目采用國外進口改性瀝青，經(jīng)試驗測量，其針入度、延度、軟化點、密度和老化等技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。

選用北美孚玄武巖纖維作為瀝青混凝土添加纖維，該纖維不溶解于瀝青，也不污染瀝青。玄武巖纖維在瀝青混合料高溫拌和及路面長期使用時不溶解、不老化、不變質(zhì)。瀝青路面老化破損后可收集瀝青路面廢料加熱后，再加入適量的瀝青油拌和，即可恢復瀝青的柔韌性和黏彈性，可實現(xiàn)“玄武巖礦物纖維瀝青混合料”的循環(huán)再生利用，這是其他瀝青改性技術(shù)所不具備的獨特性能。

3.2 玄武巖纖維生產(chǎn)

玄武巖纖維生產(chǎn)質(zhì)量是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一，實際生產(chǎn)中質(zhì)量控制步驟是確保生產(chǎn)質(zhì)量和性能的重要環(huán)節(jié)。玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝控制，主要步驟為以下幾點：

（1）選擇合適的玄武巖石料，進行破碎、篩分等工序得到符合要求的顆粒，將篩選好的玄武巖顆粒放入高溫熔爐中熔融成液體，加熱至1 450～1 500 ℃。

（2）通過精確控制溫度和拉絲速度通過標準拉絲漏板，將高溫熔融的玄武巖液體拉成細絲狀的纖維，拉絲過程中要保證纖維的均勻且連續(xù)。

（3）為了提高纖維的黏結(jié)力和防腐性能，在拉絲過程中要不斷地用噴淋方式在玄武巖纖維表面噴涂一層浸潤劑，然后將噴涂后的纖維放入烘干箱中以除去表面的水分和殘余溶劑，最后進行卷曲和切割得到成品的玄武巖纖維。

（4）通過試驗對制成的玄武巖纖維進行質(zhì)量檢驗，合格后進行包裝出廠。

3.3 玄武巖纖維瀝青混凝土拌和

玄武巖纖維瀝青混凝土的拌和需要嚴格控制拌和步驟，通常采用機械進行拌和。拌和后的瀝青混凝土應具備均勻的質(zhì)地，且滿足瀝青混凝土相關指標要求。對瀝青混合料摻入纖維的過程要嚴格控制，首先應準備瀝青混合料相關材料和滿足要求的玄武巖纖維成品待用，保證玄武巖纖維表面清潔干燥，以便與瀝青良好黏結(jié)；其次將瀝青加熱溫度至140 ℃左右，加入準備好的玄武巖纖維和集料進行攪拌，直至纖維、瀝青和集料充分混合均勻；最后檢查瀝青混合料的拌和質(zhì)量，質(zhì)量檢測合格后可以運至現(xiàn)場施工[4]。

3.4 實驗研究過程

為了對玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合性能進行全面的評估和分析。該文選用一組不同長度、不同摻量下玄武巖纖維瀝青混凝土進行性能研究，以便更好了解玄武巖纖維對瀝青混合料自愈合機制的影響，選用SBS改性瀝青混合料摻加玄武巖纖維，選用不同長度和摻量的玄武巖纖維均能不同程度提高瀝青混凝土的路用性能，根據(jù)不同的路用性能指標選用最優(yōu)的摻量是重點研究內(nèi)容?；诨野醒芯坷碚?，選用兩種長度、三種摻量與未摻入纖維的瀝青混合料組成六種模式，選取瀝青馬歇爾試驗相關指標進行動穩(wěn)定度、最大彎拉應變、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度等相關性能指標的對比，試驗結(jié)果如表1所示：

表1 不同長度、不同摻量下玄武巖纖維

瀝青混凝土路用性能試驗結(jié)果

組別 纖維

長度/

mm 纖維

摻量/

% 動穩(wěn)定度/

（次mm?1） 最大彎

拉應變/

mm?1 殘留

穩(wěn)定度/

% 凍融劈裂

抗拉強度

比/%

0# 0 0 6 223 2 528 88.3 80.6

1# 6 0.2 7 678 2 849 89.2 82.3

2# 0.3 8 650 3 162 91.6 88.6

3# 0.4 7 954 3 083 92.1 86.8

4# 9 0.2 7 076 2 755 90.5 84.7

5# 0.3 8 490 2 990 92.4 91.0

6# 0.4 7 802 2 859 94.4 89.2

經(jīng)過對比分析，2#組別試件試驗的綜合路用性能相對較優(yōu)，玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合性能與瀝青混凝土的抗彎拉應變性能關系密切。因此，該組試驗試件中玄武巖纖維長度為6 mm、摻量為0.3%時，玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合性能最佳。

表2 最佳玄武巖纖維瀝青混凝土勁度模量

纖維

長度/mm 纖維

摻量/% 應變水平

μ/mm?1 初始勁度

模量/MPa 終止勁度

模量/MPa

6 0.3 600 5 975 1 795

800 5 518 1 656

1 000 5 022 1 520

由表2可以看出，瀝青混合料充分拌和后將纖維均勻分布于瀝青混合料中，玄武巖本身對瀝青具有很好的吸附性，從而提高瀝青混合料抗裂和抗疲勞性能。在瀝青路面受到輕微損傷的情況下，不破壞瀝青混凝土空間結(jié)構(gòu)，從而達到損傷自愈效果。

3.5 實驗過程分析

3.5.1 自愈合過程觀察

利用現(xiàn)代最新的研究手段進行瀝青混凝土損傷自愈合性能觀測，通過實時觀測了解玄武巖纖維瀝青混凝土在損傷后的自愈合全過程。經(jīng)過研究觀察發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維瀝青混凝土在適當?shù)臏囟群蜐穸葪l件下，能夠借助纖維自身與瀝青的黏結(jié)能力和纖維本身增強作用，有效修復混凝土損傷，混凝土損傷自愈合過程中材料內(nèi)部化學成分也隨著發(fā)生變化。

3.5.2 愈合效率評估

最常用裂縫愈合實驗和強度恢復實驗評估玄武巖纖維瀝青混凝土的自愈合效率。根據(jù)研究結(jié)構(gòu)的研究表明，在適當?shù)臏囟群蜐穸葪l件下玄武巖纖維瀝青混凝土裂縫可以很快愈合，自愈后的瀝青混凝土強度可以達到原瀝青混凝土的90%以上，效果明顯，隨著環(huán)境溫度和濕度的改變?yōu)r青混凝土自愈合速度和強度會隨之發(fā)生改變。

3.5.3 耐久性分析

耐久性是瀝青混凝土使用壽命的重要評價指標。經(jīng)過分析，玄武巖纖維瀝青混凝土可以在不同情況下實現(xiàn)反復的損傷自愈合，只是隨著損傷程度的增加自愈合后的效果逐漸減弱，這體現(xiàn)了材料的疲勞性能。摻加玄武巖纖維后的瀝青混凝土，由于其自愈合性能和增強作用，瀝青路面使用壽命的增加效果明顯[5]。

3.6 結(jié)果分析

瀝青混凝土的損傷自愈合性能主要是由于玄武巖纖維的加入，可總結(jié)為以下兩點：

（1）玄武巖纖維的高強度和良好的彈性性能提高了瀝青混凝土的黏聚力。這個作用是通過降低混凝土內(nèi)部的集中應力，玄武巖纖維有效地分散了瀝青混凝土傳遞和分散的應力，有效地減少了裂縫的發(fā)展和產(chǎn)生。同時，玄武巖纖維與瀝青之間的相互作用有效地提高了瀝青混凝土的復合強度，是瀝青混凝土自愈合性能的基礎。

（2）玄武巖纖維對于改善瀝青混凝土的自愈能力發(fā)揮著重要作用。在玄武巖纖維的作用下，混凝土受到損傷時能迅速聚集損傷部位的瀝青分子，這主要是玄武巖纖維對瀝青分子的約束作用，同時在玄武巖纖維作用下還很大程度提高了混凝土的韌性和延展性，使其不易發(fā)生脆性斷裂。

4 結(jié)語

該文首先介紹了玄武巖纖維性優(yōu)良的化學性能和物理性能，化學性能主要包括有較好的耐酸、耐堿和耐腐蝕性能；物理性能主要有較高的彈性模量和較高的抗拉強度，且都優(yōu)于玻璃纖維和碳纖維；同時也環(huán)保無毒。其次，通過對玄武巖纖維瀝青混凝土自愈合性能在提高路面使用性能過程中的作用機理分析，并對玄武巖纖維混凝土的優(yōu)缺點進行分析，以便更好地掌握玄武巖纖維瀝青混凝土的使用條件。最后，通過工程實例中對于玄武巖纖維瀝青混凝土拌和過程中，配合比對性能影響的研究和自愈合性能的試驗觀測分析，玄武巖纖維的高強度和良好的彈性性能提高了瀝青混凝土的黏聚力，對改善瀝青混凝土自愈合性能起到關鍵作用。該文研究為推進玄武巖纖維瀝青混凝土的使用提供了理論基礎，隨著科技進步，為進一步改善玄武巖纖維瀝青混凝土的性能研究具有重要參考價值。

參考文獻

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