玄武巖纖維增強瀝青膠漿試驗與性能研究

張慶宇，翟曉靜，丁永盛

(1.河北交通職業技術學院，河北石家莊 050035;2.河北蔚縣交通運輸局，河北蔚縣 075700)

玄武巖纖維GBF?是采用組分相近的玄武巖高溫熔制而成的一種高性能無機纖維。以純天然玄武巖礦石為原料，將礦石破碎后放進池窯中，經1 450℃ ～1 500℃的高溫熔融后，通過噴絲拉拔形成連續纖維。玄武巖纖維和集料屬于同一種材料(大部分都為玄武巖或者石灰巖)，具有天然的與砂漿混凝土和瀝青混凝土的親和力和耐堿性，因此能更有效地參與礦料和瀝青混合料之間的結合。

1 玄武巖纖維GBF?性能

1.1 玄武巖纖維性能檢測

1.1.1 密度測定

精確稱量兩份GBF?纖維，放置在兩個400ml的燒杯中。放入真空儀中，進行抽真空15min，稱量各項質量。從表1中可以看出，GBF?纖維的密度比玄武巖礦石的密度(約3.0)稍小，但遠大于木質素纖維和聚酯纖維的密度。

表1 玄武巖纖維體積密度測定

1.1.2 力學性能

常見路用纖維力學性能比較見表2，可以看出，相比木質素纖維和聚酯纖維，玄武巖纖維具有突出的拉伸強度、較高的彈性模量及適宜的斷裂延伸率。是一種力學性能較好的加強纖維。

表2 常見路用纖維力學性能比較

1.1.3 吸持瀝青能力

纖維的吸油性能反映了纖維吸持瀝青的能力。采用網籃試驗測定玄武巖纖維吸油率。纖維吸油率比較見表3，可以看出，玄武巖纖維的吸油率優于聚酯纖維，比木質素纖維稍低。

表3 纖維吸油率比較

1.1.4 吸濕性能

纖維的吸濕性能對纖維增強瀝青混凝土具有重要意義。吸濕性大的纖維不僅存放時易吸水結團降低拌合分散性，還會使纖維瀝青界面產生濕脹，易造成瀝青混凝土的水損害。纖維含水率比較見表4，可以看出，玄武巖纖維較低的吸水率，有助于減少瀝青路面水損壞。

表4 纖維含水率比較

1.1.5 耐熱性能

熱拌瀝青混凝土生產過程中必須經歷接近200℃的高溫，因此，要求添加的纖維具有一定的熱穩定性，保證纖維不會在拌和、運輸及攤鋪施工過程中出現性能大幅度下降。為評價纖維的高溫耐熱性能，將纖維放入200℃烘箱中，放置2 h后觀察纖維顏色變化，見圖1。可以看出，在200℃烘箱中放置2 h，木質素纖維由灰色變為深棕色，有明顯的焦糊味;聚酯纖維由白色變為淡黃色，略有糊味;玄武巖纖維顏色無變化，無不良氣味。

1.2 原材料性能檢測

采用工程常用的PG等級為76-22的SBS改性瀝青，按照規程［1］測試SBS改性瀝青、玄武巖粗集料、石灰巖細集料和礦粉等原材料的性能，檢測原材料的各項技術指標均滿足規范要求。

圖1 熱拌瀝青混凝土200℃烘箱老化情況對比

1.3 混合料級配

室內試驗研究采用上面層常用的AC-13C中值級配和SMA-13級配，如表5所示。

表5 室內混合料用級配%

2 玄武巖纖維增強瀝青膠漿性能研究

礦粉∶瀝青為0.8∶1，玄武巖纖維與瀝青質量比為0∶1，0.005∶1，0.01∶1，0.015∶1，0.02∶1，0.025∶1，0.03∶1，通過膠體磨法室內制備纖維瀝青膠漿。

2.1 纖維瀝青膠漿室內制備

膠體磨也稱勻化機、勻油機、混煉磨等，是膠體磨法改性瀝青生產設備的關鍵和核心。膠體磨法的工作原理是通過高速剪切，制備得到細密而均勻的改性瀝青，改性劑在基質瀝青中呈細顆粒狀分布，細度在10 μm以下。本試驗采用英國Silveson公司出產的L4RT型膠體磨制備改性瀝青。

為了避免在膠體磨高速剪切下，纖維被打斷、沿轉子軸向爬桿包裹和向膠體底部聚集等現象，結合現有條件綜合考慮，選擇手動攪拌法和膠體磨法相結合的方式制備纖維瀝青膠漿。共混前將礦粉、纖維、攪拌棒(細鐵棒)和膠體磨轉子放入120℃烘箱中，與瀝青同時加熱1 h。首先使用電熱爐及紅外溫度計，使瀝青溫度達到170℃，維持較好的流動性;在瀝青中分批量加入玄武巖纖維，手動攪拌后再分批量加入礦粉一起攪拌，約10～15min。將初步混合的纖維瀝青膠漿，使用膠體磨持續高速剪切分散2 h，然后低速攪拌30min，以排除氣泡使玄武巖纖維瀝青膠漿均勻穩定。

2.2 纖維瀝青膠漿高溫性能研究

采用動態剪切流變試驗和重復蠕變試驗來評價纖維瀝青膠漿的高溫性能，這兩個試驗都在動態剪切流變儀DSR上完成。

不同劑量的改性劑，對瀝青膠漿的改性效果也不同。同時，作為黏彈性材料的瀝青膠漿，溫度和頻率對其力學性質會產生重要影響。因此，有必要研究瀝青膠漿的力學性質隨玄武巖纖維摻量、溫度和頻率的變化規律。

2.2.1 纖維摻量對瀝青膠漿高溫性能的影響

由于生產瀝青膠漿所采用的改性瀝青PG等級為PG76-22，剪切試驗溫度采用76℃，剪切荷載的作用頻率為10 rad/s。相關研究顯示，采用車轍因子評價瀝青膠漿的高溫抗車轍性能時，相對于SHRP規范的G*/sinδ，Lenoble方法的車轍因子G*/tanδ可更準確反映相位角的改變對實際抗車轍能力的影響，采用對數表示的lg(G*/sinδ)或lg(G*/tanδ)與瀝青混合料的動穩定度具有更好的相關性。試驗結果如圖2和圖3。

可以看出:

1)在瀝青膠漿中加入玄武巖纖維，提高車轍因子降低相位角，表明玄武巖纖維的加入可以增加瀝青膠漿黏彈性質中的彈性成分，同時增大剪切模量，改善瀝青膠漿的高溫穩定性。

圖2 車轍因子隨纖維摻量變化情況

2)隨著纖維摻量的增加，瀝青膠漿的車轍因子先增大后減小，相位角先減小后增大，在纖維與瀝青的質量比達0.015∶1時分別達到峰值和谷值。表明瀝青膠漿中玄武巖纖維的劑量影響著纖維改善膠漿高溫穩定的效果，存在劑量的臨界值。

3)試驗過程中發現，在纖維與瀝青質量比高于0.02∶1時，DSR試驗結果變異性較大，主要是隨纖維產量的增加，纖維在膠漿中的分散性變差，影響膠漿的整體均勻性。

2.2.2 溫度對瀝青膠漿高溫性能的影響

由于瀝青膠漿屬于粘彈性材料，其粘彈性性質必然會受到溫度變化的影響。以玄武巖纖維與瀝青質量比為0∶1與0.015∶1為例，剪切荷載的作用頻率設定為10 rad/s，研究溫度變化對瀝青膠漿車轍因子及相位角的變化規律，結果見圖4。

圖4 溫度對瀝青膠漿的車轍因子與相位角的影響

由圖4可以看出:

1)纖維摻加量0∶1與0.015∶1的瀝青膠漿的車轍因子和相位角隨溫度變化的總體趨勢相似，說明溫度的影響是獨立的，但摻入纖維可降低瀝青膠漿的溫度敏感性，且隨著溫度升高更加顯著。

2)隨著溫度升高，瀝青膠漿的剪切模量減小，相位角增大。這是由于應變控制的DSR試驗中，隨溫度升高，膠漿所受的剪應力減小。相位角隨溫度升高而增大，表明溫度升高，使膠漿的彈性成分與黏性成分的比值降低。

2.2.3 頻率對瀝青膠漿高溫性能的影響

圖3 瀝青膠漿高溫車轍指標隨纖維摻量變化情況

瀝青路面結構在行車荷載作用下主要表現為動態加載效應，在不同的荷載作用頻率下，瀝青材料會呈現出不同的黏彈性質。本研究對摻加0∶1與0.015∶1玄武巖纖維的兩組瀝青膠漿，在76℃條件下，進行0.01～100 rad/s荷載作用頻率下的動態剪切試驗，結果見圖5。

圖5 荷載頻率對瀝青膠漿的車轍因子與相位角的影響

由圖5可以看出，瀝青膠漿的車轍因子隨荷載作用頻率的增大而增大，相位角則隨荷載頻率的增大而減小。這說明荷載作用頻率越大，則單次荷載作用時瀝青膠漿與外加荷載的作用時間越短，瀝青膠漿產生的變形越小，導致剪切模量增大，而變形中的彈性成分增多，降低了膠漿的相位角，增大了瀝青膠漿的車轍因子。

2.3 纖維瀝青膠漿低溫性能研究

為更好地反映瀝青膠漿低溫抗裂性能，采用美國SHRP中的彎曲梁流變儀通過測定瀝青膠漿PAV殘留物在路面低溫設計溫度下的蠕變勁度S和蠕變速率m來反映瀝青結合料的低溫抗開裂能力。

試驗期間，位移傳感器監視著整個過程，在計算機屏幕上繪制隨時間變化的荷載和變形的曲線圖，4 min后，試驗荷載自動解除，流變儀計算蠕變勁度和m值。

摻加不同玄武巖纖維劑量的瀝青膠漿，BBR試驗中60 s的勁度模量及其變化率趨勢見圖6。

由圖6可以看出:

1)隨玄武巖纖維摻量的增加，瀝青膠漿的勁度模量先減小后緩慢增大，m值先增大后減小。勁度模量及其變化率分別在玄武巖纖維摻量0.015∶1處，出現谷值和峰值。相對于不加纖維的情況，加入纖維后瀝青膠漿的勁度模量大大降低。這說明在瀝青膠漿中摻入玄武巖纖維，可以增強瀝青膠漿的低溫柔性，對應瀝青混合料路面在低溫時韌性較好，在車輪荷載作用下產生的彎拉應力較小，具有較好的低溫抗裂能力。

圖6 瀝青膠漿的勁度模量及其變化率隨玄武巖纖維摻量變化情況

2)隨著瀝青膠漿中玄武巖纖維摻量的增加，BBR試驗結果變異性越來越大。當纖維與瀝青的質量比超過0.015∶1時，試驗中勁度模量的最小值變化較小。表明，隨纖維摻量增加，纖維在膠漿中的分散均勻性變差，增大了試驗結果的變異性。

2.4 纖維瀝青膠漿疲勞性能研究

瀝青混合料的疲勞是材料在荷載重復作用下產生不可恢復的強度衰減積累所引起的一種現象。本研究采用SHRP研究的膠結料老化方法，即采用長期壓力老化方法，把膠結料試件暴露到加熱和壓力環境中，模擬路面在多年使用中的老化。

關于瀝青膠結料的抗疲勞性能的研究，目前使用較為成熟的指標主要有SHRP瀝青膠結料規范中的G*/sinδ評價指標。對玄武巖纖維與瀝青摻量比分別為0∶1，0.005∶1，0.01∶1，0.015∶1，0.02∶1，0.025∶1，0.03∶1的7種瀝青膠漿，PAV老化后，進行31℃的動態剪切流變試驗，試驗結果見圖7。

圖7 疲勞開裂因子與相位角隨玄武巖纖維摻量變化曲線

由圖7可以看出:

1)隨纖維摻量的增加，瀝青膠漿的相位角明顯降低，表明玄武巖纖維的摻入，提高了瀝青膠漿中的彈性成分。當纖維與瀝青的質量比超過0.015∶1時，繼續摻加纖維，膠漿的相位角出現緩慢增大的趨勢，表明當膠漿中纖維摻量過多時，反而會降低膠漿中的黏彈性成分比例。

2)摻加纖維的瀝青膠漿的疲勞開裂因子均大于未加纖維的瀝青膠漿，即降低了膠漿抗疲勞性能，表明基于耗散能量的評價方法不適于評價摻加纖維改性的瀝青膠漿的抗疲勞性能。

為了更好地研究玄武巖纖維對瀝青膠漿的抗疲勞性能的影響，對不同纖維摻量的瀝青膠漿進行應變水平為3%，加載頻率為10 Hz的25℃條件下的DSR時間掃描試驗，記錄復數勁度模量下降到初始模量50%時的循環加載次數N50，即疲勞壽命，見圖8。

圖8 不同玄武巖纖維摻量的瀝青膠漿的循環加載次數N50

由圖8可見，在瀝青膠漿中摻加玄武巖纖維，可提高瀝青膠漿的復數模量降低到初始模量50%時承受的荷載作用次數，即可延長瀝青膠漿的疲勞壽命。同時當玄武巖纖維與瀝青的質量比達到0.015∶1時，纖維對瀝青膠漿疲勞壽命提高幅度最為顯著。

3 結語

通過對玄武巖纖維的成分、密度、力學性能、瀝青吸持能力及吸濕性能的測試，證實了玄武巖纖維具有高吸油率、高強度、高模量、低吸濕性，是一種性能優異的路用纖維。

在瀝青膠漿中摻入纖維，可大幅度提高瀝青膠漿的高溫性能，同時加強瀝青膠漿的韌性，從而提高瀝青膠漿的低溫性能和疲勞性能。同時纖維的用量對瀝青膠漿的性能提升也有顯著影響，隨纖維摻量增加，纖維對瀝青膠漿的改善效果增強，當超過一定的劑量后，改善效果有所降低，因此存在一定的合適劑量。

［1］中華人民共和國交通運輸部.JTG E20—2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］孟勇軍，張肖寧.添加劑對瀝青膠漿高溫性能的影響［J］.公路交通科技，2006，26(12):14-17.

［3］張智強，周進川，饒梟宇.SBS對基質瀝青低溫性能改善效果研究［J］.重慶建筑大學學報，2004(3):89-92.