陶瓷纖維瀝青混合料路用性能及改性機(jī)理分析

王修山，周恒宇，張小元，凡濤濤

(1. 浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2. 石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引 言

瀝青路面在重載和高溫耦合作用下容易出現(xiàn)車轍變形，此外開(kāi)裂、坑槽、松散、剝落等問(wèn)題也會(huì)影響瀝青路面的正常使用[1-2]。為解決這些問(wèn)題，工程界通常采用聚合物改性和纖維改性等方法來(lái)減少瀝青路面的病害，但聚合物改性價(jià)格較昂貴且施工復(fù)雜，相比之下纖維改性更加方便適用，故受到了更多的關(guān)注[3-5]。近年來(lái)，聚酯纖維、鋼纖維、礦物纖維等都應(yīng)用于工程試驗(yàn)中，但仍有缺陷，比如木質(zhì)素纖維吸附性較好，但力學(xué)穩(wěn)定性差；聚酯纖維力學(xué)性能雖然優(yōu)良，但耐熱性不理想；石棉纖維會(huì)對(duì)身體健康造成損害，目前已被限制使用[6-8]。

陶瓷纖維是由硬質(zhì)黏土熟料經(jīng)高溫熔融，再用高速氣流噴吹形成的連續(xù)纖維，具有耐腐蝕、容重輕、抗機(jī)械振動(dòng)、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[9]。此外，陶瓷纖維還是一種優(yōu)良的耐火隔熱材料，其工作溫度可達(dá)1 000～1 600 ℃，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)、電子器械、混凝土工程等行業(yè)，是替代石棉纖維的新型材料[10-12]。馬一平等[13]使用陶瓷纖維改善硅酸鹽水泥的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性能，其抗彎強(qiáng)度、抗沖擊增韌效果、抗凍融性和耐久性都顯著提升；蘇灝揚(yáng)等[14-16]通過(guò)分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置研究了陶瓷纖維改性水泥混凝土的力學(xué)效應(yīng)，表明陶瓷纖維可提升水泥混凝土的韌性和強(qiáng)度，并基于動(dòng)態(tài)力學(xué)效應(yīng)建立了動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型；任偉波等[17]研究了陶瓷纖維增強(qiáng)地聚合物混凝土，得出加入陶瓷纖維可提升地聚合物混凝土高溫性能的結(jié)論。

以上研究證實(shí)了陶瓷纖維增強(qiáng)水泥混凝土材料的優(yōu)異性能，近年來(lái)關(guān)于陶瓷纖維改性瀝青及混合料的研究也開(kāi)始出現(xiàn)。WAN Jiuming等[18]通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)表明：陶瓷纖維可使瀝青膠漿高溫性能顯著增強(qiáng)，并通過(guò)掃描電鏡和原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)陶瓷纖維在瀝青膠漿中具有良好的分散性；M.ARABANI等[19]研究了陶瓷纖維改性瀝青膠漿的高低溫性能，結(jié)果表明：加入陶瓷纖維可提高瀝青膠漿的高溫性能，但會(huì)使其低溫性能略微下降；M.ARABANI等[20]通過(guò)間接拉伸試驗(yàn)和單軸動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)陶瓷纖維改性瀝青混合料抗疲勞性能和抗永久變形能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：加入陶瓷纖維可提高瀝青混合料的抗永久變形能力和疲勞壽命，并建議陶瓷纖維用量(與瀝青的質(zhì)量比)為3%。

綜上，現(xiàn)有研究主要是針對(duì)陶瓷纖維改性瀝青膠漿，對(duì)陶瓷纖維改性瀝青混合料路用性能的研究較少。基于此，筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)陶瓷纖維改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合SEM電鏡試驗(yàn)觀察陶瓷纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)，探究陶瓷纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 原材料

瀝青為浙江正方交通建設(shè)有限公司提供的70#基質(zhì)瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；集料為產(chǎn)自浙江省蘭溪市的石灰?guī)r，壓碎值為21.4%，洛杉磯磨耗損失為19.7%；礦粉由石灰?guī)r粉磨加工而成，表觀相對(duì)密度為2.682。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance index of 70# base asphalt

纖維為河北某礦產(chǎn)品加工廠提供的含鋯型陶瓷纖維，纖維外觀及微觀形貌如圖1，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。陶瓷纖維導(dǎo)熱系數(shù)低，力學(xué)性能穩(wěn)定，由于纖維過(guò)長(zhǎng)易纏繞結(jié)團(tuán)，因此選取長(zhǎng)度為2～4 mm的纖維用于本次試驗(yàn)。由圖1可看出，纖維形狀為均勻細(xì)長(zhǎng)的圓柱狀，長(zhǎng)徑比較大，纖維之間分散性較好，多以單束形式分布。

圖1 陶瓷纖維外觀及微觀形貌Fig. 1 Appearance and microstructure of ceramic fibers

表2 陶瓷纖維的性能指標(biāo)Table 2 Performance index of ceramic fiber

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料選用AC-13礦料級(jí)配，見(jiàn)表3。通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定不同纖維摻量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)相應(yīng)的最佳油石比分別為5.10%、5.19%、5.26%、5.33%、5.38%、5.40%，最佳油石比下的各項(xiàng)馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)如表4。

表3 AC-13礦料級(jí)配Table 3 AC-13 mineral aggregate gradation

表4 馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)Table 4 Marshall test indexes

1.2.2 瀝青混合料制備

在確定最佳瀝青用量后，考慮到濕法制備瀝青混合料工序復(fù)雜且要求較高，易造成纖維拌合不均勻，因此選用干法制備改性瀝青混合料。按比例分別稱取一定質(zhì)量的集料、纖維和瀝青，集料在拌合過(guò)程前要在160 ℃烘箱中放置12 h，分3次攪拌，先將集料和纖維一起攪拌，然后依次倒入瀝青和礦粉，瀝青要保證溫度在160 ℃左右，每次拌合90 s，最后得到均勻混合料。

1.2.3 路用性能試驗(yàn)

參考文獻(xiàn)[21]，通過(guò)電動(dòng)馬歇爾擊實(shí)儀和輪碾成型機(jī)成型的直徑為101.6 mm、高度為63.5 mm的馬歇爾試件和300×300×50 mm的車轍試件分別用于水穩(wěn)定性試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)；將車轍試件切割為250×30×35 mm的長(zhǎng)方體小梁，用于低溫彎曲試驗(yàn)。

1.2.4 微觀形貌觀測(cè)

為從細(xì)觀尺度分析陶瓷纖維改性瀝青混合料的機(jī)理，利用日本電子JSM-5610LV掃描電鏡觀察陶瓷纖維瀝青混合料微觀形貌，從試件斷裂面處切割出約為1 cm3的立方體試樣，考慮到試樣不具有導(dǎo)電性，試驗(yàn)前使用日本電子JFC-1600型離子濺射儀將試樣于10 mA電流下噴金60 s。

2 路用性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)所用儀器為STCZ-1型車轍試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。由圖2可看出：隨著陶瓷纖維摻量增加，混合料動(dòng)穩(wěn)定度不斷升高，在纖維摻量由0.2%增加到0.3%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度的提升幅度約為9.0%；而纖維摻量由0.4%增加到0.5%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)幅度僅為1.9%，可見(jiàn)當(dāng)纖維摻量超過(guò)一定量后對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度提升已不明顯。在加入0.5%的陶瓷纖維時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值，相比未摻纖維瀝青混合料提高約27.3%。

圖2 車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Rutting test results

瀝青路面對(duì)高溫環(huán)境較為敏感，在荷載耦合作用時(shí)易發(fā)生車轍變形。這是因?yàn)橹饕鹉z結(jié)作用的瀝青膠漿在高溫影響下黏性會(huì)降低、流動(dòng)性升高，對(duì)集料束縛力減弱，因此瀝青膠漿品質(zhì)是決定瀝青混合料高溫性能的主要因素。陶瓷纖維具有較大的比表面積，可供大量瀝青覆蓋在纖維表面，使自由瀝青轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)瀝青，瀝青膠漿溫度敏感性降低，軟化點(diǎn)升高[18-19]，在高溫環(huán)境下依然能保持一定的黏性和穩(wěn)定性。同時(shí)，陶瓷纖維力學(xué)性能優(yōu)良，在混合料中通過(guò)相互搭連形成三維網(wǎng)狀體系，能限制礦質(zhì)顆粒的相對(duì)滑移，使混合料不易發(fā)生較大變形。此外，陶瓷纖維作為一種新型熱阻材料，具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，在高溫環(huán)境下可阻礙熱量在混合料中的傳遞，降低了高溫對(duì)混合料內(nèi)部影響[22]。

2.2 水穩(wěn)定性

通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性和力學(xué)性能。儀器為STM-5型馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀，其結(jié)果如圖3～圖4。

圖3為不同纖維摻量下的馬歇爾穩(wěn)定度(MS)、浸水后的馬歇爾穩(wěn)定度(MS1)和浸水殘留穩(wěn)定度(MS0)。由圖3可看出：試件在浸水后MS1相比MS大幅下降，由于水分滲透和侵蝕削弱了瀝青膠漿與礦料之間的黏結(jié)力，在受力作用下發(fā)生剝落，從而加速了瀝青混合料破壞，導(dǎo)致浸水后的穩(wěn)定度降低。加入陶瓷纖維后瀝青混合料的MS、MS1、MS0均提升，當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)提升效果最好，MS相比未摻纖維瀝青混合料提高約17.5%，MS0提高約6.4%。當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.4%時(shí)，MS、MS1、MS0開(kāi)始下降，但仍高于未摻纖維瀝青混合料。

圖3 浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Results of immersion residual stability test

圖4為凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果。其中：RT1、RT2和TSR分別代表瀝青混合料劈裂強(qiáng)度、凍融后劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比。由圖4可看出：在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，RT2相比RT1大幅下降，由于飽水試樣置于低溫環(huán)境中，孔隙中的液體冷凝結(jié)冰，體積膨脹導(dǎo)致內(nèi)部孔隙開(kāi)裂，使凍融后的強(qiáng)度降低。隨著纖維摻量增加，RT1、RT2、TSR呈先增加后降低的變化規(guī)律，在纖維摻量為0.4%時(shí)達(dá)到峰值，相比未摻纖維瀝青混合料，TSR提高約8.8%，RT1提高約20.2%，與浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖4 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Results of freeze-thaw split test

由水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果可知：加入陶瓷纖維有助于提升瀝青混合料的物理力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能。瀝青膠漿與陶瓷纖維間的浸潤(rùn)作用使界面強(qiáng)度增強(qiáng)，提高了瀝青膠漿的黏性[20]，使其牢牢裹覆在礦料之上，并增加了瀝青膜厚度，可防止水分進(jìn)入瀝青與礦料界面，使二者之間的抗剝落性提升；此外，摻入纖維可減小內(nèi)部間隙，孔隙率減小意味著混合料更加密實(shí)，連通孔隙數(shù)量變少，液體在混合料中難以流動(dòng)，滲透效果減弱。但纖維量過(guò)多會(huì)使分散性變差，易發(fā)生堆疊纏繞，導(dǎo)致混合料孔隙增大，從而降低了混合料水穩(wěn)定性。

2.3 低溫抗裂性

通過(guò)MTS液壓伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，圖5顯示了不同陶瓷纖維摻量下瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變。由圖5可看出：當(dāng)陶瓷纖維摻量低于0.4%時(shí)，隨著纖維含量增多，混合料最大彎拉應(yīng)變逐漸增大；纖維量為0.4%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變達(dá)到峰值，相比未摻纖維瀝青混合料提升約9.6%。隨著纖維量進(jìn)一步增加，混合料最大彎拉應(yīng)變開(kāi)始下降，因?yàn)檫^(guò)多的纖維會(huì)導(dǎo)致分散性變差，不易形成對(duì)性能提升有利結(jié)構(gòu)。

圖5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Results of bending test at low temperature

瀝青路面出現(xiàn)開(kāi)裂主要是因?yàn)榈V料間接觸面發(fā)生拉裂破壞，瀝青混合料是由瀝青膠漿黏結(jié)礦料形成的整體，故礦料間接觸面強(qiáng)度主要受瀝青膠漿影響。研究表明：在瀝青膠漿中加入陶瓷纖維可提升其勁度和黏性[20]，所以改性后的瀝青膠漿具有一定韌性，且與礦料之間的作用力提升，不易發(fā)生拉裂破壞。此外，陶瓷纖維力學(xué)穩(wěn)定性好，在混合料中可起加筋強(qiáng)化作用，通過(guò)搭接形成三維網(wǎng)絡(luò)狀體系，能分散和傳遞外部荷載引起的應(yīng)力，避免因應(yīng)力集中而出現(xiàn)開(kāi)裂破壞，并且阻止裂紋擴(kuò)展。

3 微觀形貌觀測(cè)與機(jī)理分析

為進(jìn)一步分析陶瓷纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)機(jī)理，利用SEM掃描電鏡觀察陶瓷纖維瀝青混合料斷裂面處微觀形貌，如圖6～圖9。

由圖6(a)、圖6(b)可看出：陶瓷纖維為細(xì)長(zhǎng)的柱體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)徑比大，可吸附部分瀝青，并且纖維和瀝青之間浸潤(rùn)性較好，瀝青裹覆在纖維表面形成一定厚度的瀝青膜，能將自由瀝青轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)瀝青。由圖6(c)看到：纖維根部與瀝青緊密黏結(jié)，接觸部分呈突起狀，類似嵌鎖作用約束瀝青，增強(qiáng)了纖維與瀝青間作用力；分析可知：陶瓷纖維通過(guò)吸附作用使結(jié)構(gòu)瀝青含量增多，由于結(jié)構(gòu)瀝青更加穩(wěn)定，溫度敏感性低，故提高了混合料高溫性能[23]。由圖6(d)看到：纖維附近分布的礦料緊密黏聚在一起，而沒(méi)有纖維分布的區(qū)域礦料則較為松散，表明纖維吸附的瀝青黏性更強(qiáng)，與礦料間存在較強(qiáng)作用力，在受到水損侵蝕和重復(fù)荷載時(shí)不易分離，使混合料的水穩(wěn)定性和耐久性增強(qiáng)。

圖6 陶瓷纖維的吸附作用Fig. 6 Adsorption of ceramic fibers

圖7為瀝青混合料裂縫的SEM示意。其中：圖7(a)為未加纖維的瀝青混合料，圖7(b)為加入陶瓷纖維的瀝青混合料。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，未加纖維瀝青混合料的裂縫較大，延伸度較長(zhǎng)，縫隙間沒(méi)有任何連接，僅靠上下端瀝青黏結(jié)作用維持整體穩(wěn)定，使裂縫在擴(kuò)張過(guò)程中不會(huì)受到太大阻力，易發(fā)展成較大裂縫。加入陶瓷纖維后，纖維在混合料中橋接縫隙，可延緩裂紋的擴(kuò)展，因此縫隙較小。由于陶瓷纖維抗拉強(qiáng)度高，外形細(xì)長(zhǎng)，因此在瀝青混合料中起到類似鋼筋加固混凝土的作用。

圖7 瀝青混合料的裂縫Fig. 7 Cracks of asphalt mixture

圖8為瀝青混合料破壞面處纖維示意。由圖8可看出：破壞面處的陶瓷纖維部分埋于瀝青混合料中，裸漏部分的纖維端口發(fā)生斷裂但是并未拔出，說(shuō)明纖維主要損傷是瀝青混合料在拉應(yīng)力作用下的拉伸斷裂而不是從中剝落，表明纖維與瀝青之間結(jié)合強(qiáng)度高，纖維可承擔(dān)由瀝青傳遞的拉應(yīng)力，并發(fā)揮一定的阻裂作用[24-25]。

圖8 瀝青混合料破壞面處纖維Fig. 8 Fiber at the damage interface of asphalt mixture

圖9為陶瓷纖維的搭接作用示意。由圖9(a)看出：陶瓷纖維在瀝青混合料中隨機(jī)分布，纖維之間相互搭接形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀體系，當(dāng)受到外力作用時(shí)纖維可分散和傳遞應(yīng)力，使應(yīng)力分布更加均勻，避免內(nèi)部因應(yīng)力集中而出現(xiàn)開(kāi)裂破壞[26]。由圖9(b)可見(jiàn)：纖維的搭接對(duì)礦料起到“捆綁”作用，纖維因受力出現(xiàn)彎曲變形，與礦料間相互擠壓，隨著受力增加二者之間摩擦力增大，使瀝青混合料的內(nèi)摩擦角提升，約束了礦質(zhì)顆粒位移，使瀝青混合料的抗變形能力和疲勞壽命增強(qiáng)[27]。

圖9 陶瓷纖維的搭接作用Fig. 9 Overlap of ceramic fibers

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)不同摻量陶瓷纖維改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并從微觀尺度分析其改性機(jī)制，得到如下結(jié)論：

1)加入陶瓷纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能和物理力學(xué)性能的提升較明顯，相比未摻纖維瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度提高約27.3%，馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度分別提高約17.5%和20%。

2)陶瓷纖維改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性和低溫性能有小幅增強(qiáng)，其中浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比相比未摻纖維瀝青混合料分別提高約6.4%和8.8%，破壞彎拉應(yīng)變提高約9.6%。

3)分析試驗(yàn)結(jié)果可知：加入0.4%的陶瓷纖維對(duì)各項(xiàng)路用性能的提升效果最好，因此以0.4%陶瓷纖維作為改性瀝青混合料的最佳摻量。

4)根據(jù)SEM試驗(yàn)觀察到陶瓷纖維通過(guò)吸附增黏、加筋阻裂和搭接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等作用改性瀝青混合料，從微觀角度解釋了加入陶瓷纖維后宏觀路用性能提升的原因。