復合纖維對瀝青膠漿的增黏作用分析

陳明星，張 俊，蘭建麗，鄭瑞紅

（1.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006；2.靈河高速公路（神河段）建設管理處，山西 忻州 036507）

本文綜合木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維3種纖維的不同特性對纖維進行了復配，使其具有3種纖維的優點和更高的性價比。為進一步認清復合纖維對瀝青膠漿增黏作用的影響，進行了纖維瀝青黏度試驗，研究了纖維增強瀝青混合料的作用機理。

1 試驗材料

本文所采用的瀝青為AH-70重交道路石油瀝青。瀝青常規試驗按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE-20—2011)要求進行[1]，各項性能指標如表1所示。

表1 瀝青技術指標及要求

復合纖維由3種單纖維復配而成，復合纖維為木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維3種纖維按照比例2∶1∶2摻配而成。各種纖維的各項性能試驗結果如表2所示，纖維的微觀構造見圖1。

表2 纖維技術性能表

從表2可見，玄武巖纖維的抗拉變形能力最強，其次是聚酯纖維，然后是木質素纖維，3種纖維表現在瀝青混合料發生裂縫時，可充分發揮其抗拉能力，保證瀝青混合料的整體性。從長徑比可以看出，玄武巖纖維大于聚酯纖維大于木質素纖維。纖維的長徑比增大，其力學強度也隨之增強，但過細過長的纖維在施工中易結團，會影響到施工和易性。3種纖維的熔點遠高于瀝青混合料的拌和溫度要求，可滿足路用材料的要求。

圖1 各種纖維微觀形貌圖

由電鏡掃描圖可以看出，木質素纖維質地疏松，表面粗糙，有大量微孔，具有很強的物理吸附作用，有利于穩定自由瀝青；聚酯纖維表面光滑，外觀規則，有利于增強瀝青黏度和黏結性，可有效抵制瀝青高溫形變；玄武巖纖維呈規則的圓柱狀，表面光滑，有利于加筋增強。

2 試驗方法

黏度試驗可以評價纖維的增黏作用。試驗采用70號基質瀝青，以木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維、復合纖維的瀝青膠漿，摻量為0、0.5%、1%、2%。按《JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行，采用美國BrookfieldDV-Ⅱ+Pro型旋轉黏度儀，如圖2所示，頻率50 Hz，黏度精度為±1.0%，選用SC4-21號轉子，轉速為20 rpm，試驗溫度設定為135℃。

圖2 布氏旋轉黏度儀

3 試驗結果與分析

3.1 黏度比

不同纖維對瀝青的增黏作用影響不同，纖維對瀝青膠漿的增黏作用可以用黏度比RV來表征，RV即纖維瀝青膠漿的黏度與瀝青黏度用的比值，本文采用黏度比RV來評價纖維的增黏作用。由70號瀝青、木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維、復合纖維組成的膠漿性能試驗結果見圖3。

圖3 纖維對瀝青膠漿黏度比的影響（135℃）

由圖3可以看出，不同種類纖維其增黏效果不同。在纖維摻量為0.5%時，纖維的黏度比大致相同，其中聚酯纖維對瀝青的改性效果比較明顯。當纖維用量用至1%時，聚酯纖維的黏度比有了很大的提高，膠漿黏度達到基質瀝青的5.8倍，增黏效果遠超過2%摻量下其他纖維；復合纖維用至1%時的膠漿黏度達到基質瀝青的3.5倍，增黏效果優于木質素纖維和玄武巖纖維。當纖維用量用至2%時，聚酯纖維的增黏效果依然最突出，其瀝青膠漿黏度增大到基質瀝青的8.31倍，這足以說明聚酯纖維的增黏效果是非常好的；復合纖維瀝青膠漿黏度增大到基質瀝青的5.02倍，優于其他纖維的增黏效果。黏度比依次為：聚酯纖維大于復合纖維大于木質素纖維大于玄武巖纖維。復合纖維與木質素纖維增黏效果相近，當纖維摻量為0.5%時，木質素纖維黏度比比復合纖維大，而隨著摻量的增加，復合纖維的增黏優勢逐漸明顯，甚至優于木質素纖維。

3.2 愛因斯坦系數KE

愛因斯坦建立分子尺寸測定模型，通過估算擴散系數和溶液的黏度就可以得出分子的大小，分析填料粒子對瀝青膠漿流變性能的干擾程度，表征填料粒子對瀝青膠漿的增黏速率。不同種類的纖維加入到瀝青中，使瀝青的流動性能產生更大內摩阻力，從而導致瀝青黏度增加。本文用愛因斯坦系數KE來表征纖維對瀝青的增黏效果：

式中：KE為愛因斯坦系數;Ф為瀝青中的填料粒子體積分數。

以愛因斯坦模型為依據，用其估算影響瀝青膠漿流變性能的重要參數，表征纖維對瀝青膠漿的增黏速率。不同纖維種類的纖維瀝青膠漿愛因斯坦系數如圖4所示。

圖4 纖維種類對瀝青膠漿愛因斯坦系數KE的影響

由圖4可以看出，纖維種類對瀝青膠漿愛因斯坦系數有較大影響。在0.5%、1%、2%摻量下構成的趨勢線中，聚酯纖維對瀝青膠漿增黏效果最突出，其愛因斯坦系數遠大于其他纖維，說明聚酯纖維不但黏度比其他纖維大，其增長速率也比其他纖維快，其次為復合纖維和玄武巖纖維。從黏度試驗結果圖3得出，木質素纖維與復合纖維的黏度相差不大，但通過愛因斯坦系數計算，發現復合纖維的愛因斯坦系數遠大于木質素纖維，即其黏度增長速度比木質素纖維快。復合纖維在增黏速率中體現出復合材料的優勢，并與玄武巖纖維接近。

當各纖維用量在0～1%區間內時，愛因斯坦系數隨著纖維摻量的增加而增加，而當纖維用量達到2%時，愛因斯坦系數卻隨之減少。纖維摻量為0.5%時，各纖維的愛因斯坦系數最小，纖維摻量為2%時，愛因斯坦系數其次，當纖維用量為1%時，愛因斯坦系數最高。以復合纖維為例，0.5%、1%摻量下復合纖維的愛因斯坦系數分別為151和411，呈上升規律，而當摻量設為2%時，復合纖維瀝青膠漿的愛因斯坦系數則變為330，比1%摻量時小。雖然纖維瀝青膠漿黏度不斷增長，但當纖維摻量為2%時，其黏度增長率有所降低，從而導致愛因斯坦系數的減少。即當纖維用量較小時，瀝青膠漿的黏度增長幅度較大，隨著摻量的增加，瀝青膠漿的黏度增長幅度不斷減小，因此當纖維摻量為1%時，已可明顯地表現出纖維的增黏作用。

4 纖維對瀝青膠漿的增黏機理

黏度試驗結果表明，纖維能夠使瀝青的黏度增大，并隨著摻量的增加而增加。纖維直徑一般小于20 μm纖維，具有較大的比表面積，纖維分散在瀝青中，使瀝青膠漿的空間結構發生了很大的變化。纖維格柵的生成，增加了瀝青膠漿在特定溫度下流動而產生內摩阻力，使得瀝青膠漿的黏度增大。

現代膠體理論認為，瀝青質是分散相，液態油分是分散介質，當瀝青質分子聚集一起,活性物質樹脂組分即吸附其表面，并逐漸向外擴散，使瀝青質的膠核膠溶于液態油分中,這樣組成的結構單元就形成膠團。膠團可分為溶膠、凝膠、溶—凝膠3種結構。當瀝青加入纖維后，瀝青的油分首先被吸附，因此瀝青質在膠體中的比重增加，瀝青的膠體結構發生改變，即逐漸由溶膠結構轉變為溶—凝膠結構甚至凝膠結構，因此瀝青膠漿的黏度隨之增大。

纖維對瀝青膠漿黏度的影響主要取決于纖維用量、纖維體積率、纖維長徑比等因素。根據愛因斯坦模型，愛因斯坦系數與填料粒子的形狀有關，當填料為圓形時KE為2.5，當填料為長形時KE大于2.5。當纖維作為一種填料粒子，截面小，長徑比非常大，因此KE與纖維的長徑比有關，故纖維瀝青黏度比原樣瀝青黏度大。木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維的長徑比分別是 1∶120、1∶300、1∶500，即玄武巖纖維大于聚酯纖維大于木質素纖維，按照愛因斯坦模型，纖維膠漿所對應的黏度也應符合這一特點，但由試驗結果發現，玄武巖纖維的黏度比木質素纖維、聚酯纖維的黏度低，與預測的順序不完全一致。這是因為玄武巖纖維的密度較大，纖維體積率較低，因此試驗所得的玄武巖纖維瀝青膠漿黏度較低。可以發現，愛因斯坦系數可用于描述瀝青黏度的變化率，不可直接用于評價瀝青黏度。

纖維瀝青膠漿的黏度與纖維的愛因斯坦系數KE和纖維摻量成正比。因此，從復合材料混合率角度考慮，纖維摻加到瀝青混合料中后，纖維瀝青膠漿的黏度高于普通瀝青的黏度，纖維的增黏作用可顯著地提高瀝青抵抗剪切變形的能力，增強混合料內部的黏結力，改善瀝青路面的高溫性能。

5 結論

a）隨著纖維的加入，瀝青的黏度隨之增大，以聚酯纖維、復合纖維效果最為明顯；當纖維摻量為1%時，纖維瀝青的愛因斯坦系數最大，纖維的增黏效果十分明顯。

b）由于纖維具有較大的長徑比，分散在瀝青中，使瀝青膠漿的空間結構發生了很大的變化。當瀝青加入纖維后，瀝青的油分首先被吸附，瀝青質在膠體中的比重增加，瀝青的膠體結構發生改變，即逐漸由溶膠結構轉變為溶—凝膠結構甚至凝膠結構，因此瀝青膠漿的黏度隨之增大。

c）纖維瀝青膠漿的黏度與纖維的愛因斯坦系數KE和纖維摻量成正比。纖維摻加到瀝青混合料中后，纖維瀝青膠漿的黏度高于普通瀝青的黏度，纖維的增黏作用可顯著地提高瀝青抵抗剪切變形的能力，增強混合料內部的黏結力，改善瀝青路面的高溫性能。