玄武巖纖維摻量對瀝青膠漿路用性能的影響研究

吳繼軍，史民強(qiáng)

（山西省公路工程監(jiān)理技術(shù)咨詢有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國交通行業(yè)的高速發(fā)展，越來越大的交通量以及軸載量使得對路面性能提出更高的要求，然而傳統(tǒng)的瀝青材料在很多情況下已經(jīng)無法滿足這樣的要求，促使大量的科研工作者去尋找更加優(yōu)秀的外摻劑提高瀝青路面的性能。通過大量的試驗(yàn)研究以及工程實(shí)踐證明，許多聚酯、玻璃、木質(zhì)素等，在瀝青混合料中能夠起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)瀝青混合料黏聚性的作用。但同時(shí)纖維瀝青砂漿材料是較復(fù)雜的纖維瀝青混合物，由瀝青砂漿（包括瀝青黏結(jié)劑、填料和較細(xì)的骨料）和纖維組成，在高溫下表現(xiàn)出復(fù)雜的熱流變行為。纖維在瀝青砂漿中能夠充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，起到穩(wěn)定、連接的作用，極大地提高瀝青混合料的各方面性能。所以找出纖維混合料外摻劑的基本參數(shù)與其性能之間的規(guī)律，顯得尤為重要。

劉向杰等[1]通過瀝青膠漿網(wǎng)籃析出試驗(yàn)、原材料性能試驗(yàn)、瀝青膠漿抗剪、抗裂試驗(yàn)得到玄武巖瀝青混合料的各項(xiàng)物理性能，證明了玄武巖纖維能夠增強(qiáng)瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度，提高其吸附性。吳立群[2]提出了一種構(gòu)建玄武巖纖維瀝青膠漿三維數(shù)值模型的方法，將瀝青膠漿高溫下的流變性能作為試驗(yàn)和模擬的驗(yàn)證評判指標(biāo)，對比研究了纖維長度、分布方向等對瀝青膠漿流變性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明在扭矩荷載作用下，3 mm纖維易發(fā)生拔出現(xiàn)象，不適合應(yīng)用于膠漿增韌加筋，6 mm、9 mm和12 mm纖維表現(xiàn)良好。陳凱[3]通過各類瀝青常規(guī)試驗(yàn)測試了加入玄武巖纖維的瀝青混合料的各類性能，對加入不同膠粉比的瀝青混合料的高低溫路用性能進(jìn)行了測試，研究證明，在不同膠粉比下，玄武巖纖維對瀝青混合料的抗剪切性能和高溫路用性能都有提升，且隨著膠粉比的增大，對性能提升幅度也變大。此外還有李紅波[4-5]等人進(jìn)行了試驗(yàn)或應(yīng)用研究。研究表明，通過添加玄武巖纖維可以適當(dāng)提高瀝青混合料的高溫路用性能，而溫度的提升會起到相反的作用。

基于上述情況，本文將通過動態(tài)剪切流變試驗(yàn)以及彎曲梁流變試驗(yàn)分析不同玄武巖纖維摻量的瀝青膠漿在高溫與低溫的路用性能變化，嘗試得出玄武巖纖維摻量與瀝青混合料高、低溫下路用性能之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

該次試驗(yàn)使用AH-70號基質(zhì)瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)

1.1.2 礦粉

選用石灰?guī)r磨碎的礦粉，要求其潔凈，常溫下干燥且不含其他雜質(zhì)，具體的性能指標(biāo)如表2。

表2 礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 玄武巖外摻劑

采用山東宏聚工程材料有限公司所生產(chǎn)的玄武巖纖維，纖維長度根據(jù)建議采用6 mm（參考玄武巖纖維對瀝青膠漿流變性能影響研究），其技術(shù)指標(biāo)如表3。

表3 玄武巖纖維主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青膠漿的制作步驟

試驗(yàn)采用瀝青剪切儀進(jìn)行加入不同摻量纖維的膠漿樣品制備，步驟如下：

a）將準(zhǔn)備好的纖維、礦料進(jìn)行烘干處理，放入130℃的烘箱中進(jìn)行干燥。

b）將纖維與礦料進(jìn)行拌和，并且分批均勻地加入到溫度加熱至160℃±5℃的基質(zhì)瀝青中，并用玻璃棒進(jìn)行攪拌。

c）混合均勻后，倒入瀝青剪切儀中，并將轉(zhuǎn)速調(diào)整至2 000 r/min，攪拌大約30 min，使三者充分混合。

d）將轉(zhuǎn)速調(diào)整至1 000 r/min，20 min低速攪拌，防止膠漿內(nèi)部因轉(zhuǎn)速太快而產(chǎn)生氣泡，保證膠漿的均勻與穩(wěn)定程度。

1.3 試驗(yàn)方法

制備玄武巖纖維摻量不同的瀝青膠漿，摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2.0%的情況下進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)與彎曲梁蠕變試驗(yàn)。

對于不同摻量玄武巖纖維的瀝青膠漿的高溫評價(jià)，通過動態(tài)剪切流變儀對瀝青膠漿分別在60℃、66℃、72℃、78℃下的抗車轍因子，蠕變恢復(fù)率R等高溫流變評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行測量，得出數(shù)值觀察變化進(jìn)行分析。

對于不同摻量玄武巖纖維的瀝青膠漿低溫路用性能評價(jià)，利用彎曲梁流變試驗(yàn)，測試得到在負(fù)溫情況下瀝青膠漿的蠕變勁度與蠕變速率，根據(jù)美國的SHRP計(jì)劃，瀝青在低溫環(huán)境下隨溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力變化即為蠕變荷載，而彎曲蠕變勁度是在試驗(yàn)過程中小梁破壞時(shí)最大應(yīng)力與最大應(yīng)變的比值，根據(jù)其數(shù)值對瀝青低溫下的變形能力作出評價(jià)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫路用性能

2.1.1 對車轍因子的影響規(guī)律

從圖1中能夠看出，玄武巖纖維摻量對瀝青膠漿的車轍因子影響的整體幅度不大。

圖1 玄武巖纖維摻量對瀝青膠漿車轍因子影響規(guī)律

隨著瀝青膠漿中玄武巖纖維摻量的增長，車轍因子也隨之逐漸增大，呈現(xiàn)出正比關(guān)系。說明玄武巖纖維摻量的提高，能夠較好地增強(qiáng)瀝青膠漿在高溫情況下抵抗車轍的能力。另外，玄武巖纖維摻量從0.5%提高到1.0%，車轍因子提升了7%，摻量從1.0%提高到1.5%，車轍因子提高了4.8%，而摻量從1.5%提高到2.0%，車轍因子提高了2.7%，能夠看出，玄武巖纖維摻量的不斷提高，膠漿的高溫路用性能的提升幅度逐漸變小，綜合考慮成本的情況下，在一定范圍內(nèi)存在最優(yōu)摻量1%～1.5%.

2.1.2 對蠕變恢復(fù)率R的影響規(guī)律

由圖2可知，在3.2 kPa應(yīng)力水平下，各摻量的蠕變恢復(fù)率R值明顯比0.1 kPa下的值小許多，說明重載情況和超載情況是影響路面永久變形的關(guān)鍵因素。在0.1 kPa下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，R值有著明顯的提升，且提升幅度與3.2 kPa下提升的幅度相差無幾。例如，在0.1 kPa作用下，纖維摻量從1.0%提升到1.5%，蠕變恢復(fù)率R提升了67%，而在3.2 kPa的作用下，R值同樣提升了62%，可以看出在一定壓力范圍內(nèi)，瀝青膠漿在重壓與輕壓下的敏感度大致相同，證明此時(shí)的瀝青膠漿保證了其原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖2 纖維摻量對膠漿蠕變恢復(fù)率R的影響規(guī)律

2.2 低溫路用性能

2.2.1 對蠕變速率的影響

從圖3中可以得知，隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青膠漿蠕變速率在-5℃與-10℃的情況下都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。瀝青膠漿蠕變速率的提升并不能直接說明瀝青膠漿低溫性能的提升，還需結(jié)合加壓荷載，勁度模量等綜合說明。但可以看出，溫度越低瀝青膠漿的蠕變速率越小，在一定負(fù)溫范圍內(nèi)，玄武巖纖維摻量對瀝青膠漿低溫性能的改善效果是大致相同的，且超過適度的摻量會起到相反的效果。

圖3 玄武巖纖維摻量與瀝青膠漿蠕變速率的關(guān)系

2.2.2 對勁度模量的影響

由圖4可知，勁度模量在-10℃時(shí)呈現(xiàn)出先減后增，而在-5℃時(shí)呈現(xiàn)緩慢增加。能夠看出，玄武巖纖維的摻量能夠在很大程度上提升瀝青膠漿在較低溫度下的路用性能。簡單分析可知，隨著纖維摻量較少時(shí)，對周圍瀝青組分的吸附不夠明顯，無法形成較為穩(wěn)定的新的混合體系，但是隨著摻量的逐步提升，纖維通過對瀝青質(zhì)的吸附，與瀝青各組分形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，并且由于纖維含量的提升，瀝青的韌性也得到提升，所以在低溫下?lián)碛懈玫男阅埽藭r(shí)勁度模量逐漸下降，但在-5℃時(shí)，影響相對較弱。另外，纖維的過量加入會導(dǎo)致許多纖維無法均勻地分布在瀝青膠漿中，反而對原來形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)造成破壞，使玄武巖纖維無法很好地吸附周圍的瀝青，導(dǎo)致勁度模量的再次提升。

圖4 玄武巖纖維摻量與瀝青膠漿勁度模量的關(guān)系

3 作用機(jī)理及應(yīng)用前景

瀝青膠漿通過摻入適量、長度合適、形狀合理的玄武巖纖維，使纖維均勻地分散在膠漿中，形成三維隨機(jī)分布并且相互搭接的穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)。通過復(fù)合材料界面的理論分析，玄武巖纖維和瀝青之間有著較大的接觸面，證明瀝青相對纖維相有很好的浸潤性，使界面的黏結(jié)力大于瀝青相本身的黏結(jié)力。當(dāng)瀝青膠漿受到外力產(chǎn)生裂縫時(shí)，此時(shí)的玄武巖纖維能夠很好地起到加固連接作用，類似于混凝土中的鋼筋，提高了瀝青膠漿的韌性與穩(wěn)定性。

通過研究分析以及大量的工程實(shí)踐，玄武巖纖維在道路工程中具有如下的應(yīng)用優(yōu)勢與前景：a）其與瀝青膠漿具有較高的親和力，能夠很好地形成混溶體系，擁有諸多優(yōu)良的物理與化學(xué)性能，例如提升瀝青膠漿在極端溫度下的韌性與穩(wěn)定性，防止裂縫的產(chǎn)生；b）玄武巖瀝青的生產(chǎn)使用過程都較為環(huán)保，且在進(jìn)行道路維護(hù)時(shí)，不影響瀝青膠漿的冷、熱再生；c）施工時(shí)不需要其他的工程設(shè)備，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，能夠進(jìn)行廣泛的利用。

4 結(jié)語

通過動態(tài)剪切流變試驗(yàn)與彎曲梁流變試驗(yàn)，得到瀝青膠漿在不同玄武巖纖維摻量下高溫與低溫性能的變化規(guī)律：

a）在一定范圍內(nèi)，玄武巖纖維摻量與瀝青膠漿的車轍因子成正比關(guān)系，車轍因子隨著纖維摻量的不斷提升而逐漸增大，纖維摻量每提升0.5%，車轍因子就會提高5%左右，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知最優(yōu)摻量在1%～1.5%之間。

b）在分別施加0.1 kPa與3.2 kPa條件下，通過提高玄武巖纖維的摻量，能夠顯著提升瀝青膠漿的蠕變恢復(fù)率R，并且每次R值的提升都超過了原本的50%，但兩種條件下的R值卻相差較大，0.1 kPa下R值明顯大于3.2 kPa下的值，說明重壓與超載仍是決定路面永久變形的關(guān)鍵因素。

c）在-10℃的情況下，4種玄武巖纖維摻量中，摻量為1%時(shí)瀝青膠漿的蠕變速率值最大，勁度模量最小。說明一定摻量的玄武巖纖維，在瀝青膠漿中起到了類似“加筋”的作用，與瀝青均勻混合形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，但若是摻量過多，則難以混合均勻，導(dǎo)致纖維容易成團(tuán)，反而破壞了原來的穩(wěn)定體系，導(dǎo)致低溫性能再次下降。在-5℃時(shí)規(guī)律與-10℃大致相同，但勁度模量的變化則趨于平穩(wěn)。