玄武巖纖維對瀝青混合料的增強作用與機理

陶美凈，高春妹，齊 瑞

(吉林建筑大學 交通科學與工程學院，吉林 長春 130118)

0 前 言

瀝青路面是公路建設的主體，在我國公路建設中，90%以上都是瀝青路面，因此，解決瀝青路面的病害提高路面性能問題成為人們關注的焦點。目前，提高瀝青混合料路面性能的研究方向有兩個：一是通過改善集料級配，以瀝青結構類型和設計程序為基礎，提高瀝青在高溫下的不變形性；二是通過改善瀝青性能和質量，提高瀝青機械性能，降低溫度敏感性[1]。近年來，越來越多的新材料被引入瀝青路面技術領域。因此，出現第三個方向即改善其性能，即在瀝青中添加特定的添加劑(纖維等)以改善其物理和機械性能。玄武巖纖維材料屬于無機纖維材料，其強度高、具有良好的耐久性、化學穩定性和環境友好性，因此被稱為“無污染高性能材料”。玄武巖纖維作為一種增強材料越來越受到人們的關注，公路研究人員對玄武巖纖維增強瀝青混合料的性能進行了大量的課題研究。Madan L R等[2]對玄武巖纖維的生產和應用做了詳細的分析報告，報告顯示：玄武巖纖維的強度比其他纖維強度高很多，而且耐腐蝕、耐高溫，具有綠色環保等優點。Maria W等[3]通過彎曲、強度等試驗發現，將玄武巖纖維加入混凝土中提高了混凝土的耐酸堿穩定性、耐高低溫穩定性等物理機械性能。Li等[4]在不同的低溫和纖維含量下進行了三點彎曲梁試驗，分析了各評價指標隨纖維含量和溫度的變化趨勢。玄武巖纖維顯著地提高了瀝青混合料的耐低溫性能，增強了其對低溫環境的適應性。徐詠梅等[5]為比較木質素纖維、玄武巖纖維對瀝青混合料高溫性能的改善效果。在60℃下進行車轍試驗，實驗條件相同，試驗結果得到兩種纖維瀝青混合料的動穩定度均符合規范標準，但玄武巖纖維的改善效果優于木質素纖維。Wang等[6]研究了不同長度的玄武巖纖維對多孔瀝青混合料路用性能的影響，結果表明長度為9 mm摻量為0.3%的纖維改善效果最好。Wu等[7]和Cheng等[8]均觀察到玄武巖纖維對提高瀝青混合料低溫抗裂性能的影響是相當明顯的。綜上，玄武巖纖維對增強瀝青混合料性能在宏觀上已經逐漸得到證實，但從微觀角度深入分析纖維對瀝青混合料的增強作用機理并不全面。因此，本文首先對玄武巖纖維對瀝青混合料的增強作用進行系統的分析討論，并應用掃描電鏡法從微觀角度闡述了纖維增強瀝青混合料路用性能的作用機理。

1 玄武巖纖維對瀝青混合料的增強作用

1.1 吸附作用

玄武巖纖維絲比表面積大，能夠吸附大量的瀝青，使瀝青用量增加，使瀝青膜增厚。因此，瀝青膜與集料之間的孔隙減小，使瀝青較長時間的維持其粘彈性，增強內部的穩定性，降低了瀝青的溫度敏感性，從而改善了瀝青混合料的高低溫性能[9]。

1.2 穩定作用

夏季路面溫度升高，在車輛荷載的反復作用下，自由瀝青會隨著混合料內部空隙流出，而泛油現象對于瀝青路面壽命的影響是極大的，摻入纖維能夠顯著改善這一狀況。雖然在瀝青混合料中纖維的摻量較少，但其截面微小，在瀝青混合料中分散開以后，仍具有龐大的數量，眾多的纖維與瀝青中的酸性樹脂組分通過浸潤、吸附作用形成牢固的結構瀝青膜，纖維在瀝青混合料中縱橫交錯，形成空間骨架結構，以使其抵抗塑性變形的能力增加，纖維的摻入，結構瀝青增加，自由瀝青含量相對降低，瀝青膠漿粘性增大，溫度穩定性得到改善[10]。

1.3 增韌作用

瀝青混合料作為粘彈性材料，它的韌性會因為溫度的變化而變化，溫度較高，其韌性升高；溫度降低，韌性降低。因此在低溫情況下受荷載作用是瀝青路面會因為韌性不足導致開裂。玄武巖纖維的彈性模量大，能夠增強瀝青混合料抵抗變形的能力，從而提高其低溫開裂性能[11]。

1.4 阻裂作用

斷裂力學理論中，材料產生裂縫現象普遍存在。瀝青路面在受到強大的外力作用時，自身的內部作用力不足以抵擋外力作用，便會產生開裂，形成路面裂縫，大大縮短了路面的使用壽命[12]。瀝青混合料是不同集料通過瀝青的粘結作用構成的多維結構，一旦瀝青遭到破壞，整個混合料的力學行為都會受到嚴重損傷[13]。此時，纖維的加入可以幫助混合料維持整體性能，纖維在混合料中均勻分散，形成纖維網，能夠在斷裂處起到銜接作用，有效地阻止了裂縫的擴大，提高了抵擋外部作用力的能力，使瀝青混合料成為強度更高的復合材料。

1.5 增粘作用

纖維瀝青混合料屬于典型的復合材料，對于復合材料，可以以加權平均值的算法來預測評估復合材料的多種性能，例如模量。這就是復合材料混合定律，則性能廣義表達式為：

(1)

式中，M為塑性流動強度，模量等力學變量；j為顯微構造系數，當復合材料由強相和弱相的多種材料組成時：若強相為主導地位則j>0，反之則j<0；V為體積分數。

從復合材料角度來看，纖維瀝青混合料是由集料為骨架，瀝青與礦粉結合產生膠結力再由纖維產生加筋作用而構成的以弱相支撐的固液體系，則將上式轉化為：

(2)

式中，s為強相，固體粒子；w為弱相，流體。

將纖維摻入瀝青混合料中，纖維隨機分布，與瀝青膠漿及其它纖維粘結，形成纖維網格。纖維網格可以使瀝青膠漿產生流動時依靠纖維本身的強度使其流動受阻，產生抑制流動，增強粘度的作用。此時可以得到以愛因斯坦混合率推導的固液混合結構的復合材料粘度公式：

M=Mw(1+KEVS)

(3)

從上式來看，摻入纖維的混合料的粘度以后會較原有的混合料的粘度要高，因此從復合材料的理論分析出發，證明了摻加纖維來提升瀝青混合料的粘結力的可行性與正確性。

2 基于微觀分析的作用機理分析

2.1 微觀測試方案

瀝青混合料中加入玄武巖纖維的目的是為改善混合料的路用性能，其中高溫穩定性能、水穩定性能的有效提高主要事因為纖維在瀝青混合料中產生的吸附作用，低溫抗裂性能則取決于阻裂作用[14]。所以本次從微觀分析的角度主要對吸附作用和阻裂作用進行分析。取自玄武巖纖維瀝青混凝土試件間接受拉時的破裂面(見圖1)，通過場發射環境掃描電子顯微鏡(ESEM)試驗儀器采集圖像，從微觀角度分析纖維在瀝青混合料中的增強機理[15]。

圖1 間接受拉試件的破裂面

2.2 纖維吸附瀝青效果分析

如圖2為通過ESEM采集到的玄武巖纖維與瀝青之間的粘結界面圖像。從圖2可以看出，纖維表面吸附著大量的瀝青，包裹緊密，且纖維嵌入到瀝青中，形成機械錨固作用，緊密牢固。這說明纖維與瀝青混合料的結合是非常理想的。

(a)

(b)

圖2為放大800倍的圖像，纖維直徑極小，為 20 μm左右，纖維長度為6 mm時，每10 g纖維的比表面積超過12m[16]。說明纖維具有較大比表面積，分散的纖維在混合料內部包裹住了大量的瀝青，并且呈現面接觸而不是點接觸，說明纖維與瀝青的浸潤結合效果良好。由浸潤理論可知，纖維與瀝青混合料之間主要是以機械連接和浸潤吸附的方式結合，由于纖維表面粗糙，有凸出和凹陷，所以瀝青與纖維表面的結合更加緊密牢固，其作用類似于機械之間的錨合作用[17-18]，使纖維不易脫落。纖維的加入使原本未與實體接觸的自由瀝青轉變為被約束的結構瀝青，結構瀝青由此增多，結構瀝青黏性大、裹覆力大，具有良好的溫度敏感性、穩定性，因而玄武巖纖維能夠提高瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性。

2.3 纖維阻裂效果分析

瀝青混合料發生的破壞形式主要為剪切破壞，破壞大多發生在混合料內部空隙處，并開始沿著內部原空隙處繼續擴散，特別是在瀝青與礦料的交界處。在車輛剪切力等作用影響下，混合料內部會產生細微裂紋，由于纖維處于無規律的分布狀態，裂縫周圍可能會存在大量纖維乃至纖維束，這些相互密切搭接的纖維會對裂縫起到約束作用，從而阻止了裂縫的進一步擴展。纖維成絲狀，相當于鋼筋在柱中所起的作用，在受到破壞時能起到一定的拉伸作用來維持整個體系的完整性。

圖3為未加玄武巖纖維的瀝青混合料破裂面處微觀圖片。從圖3可以看到，沒有加入纖維時，破裂面存在很多裂縫，而且還存有多處不同剝離程度的層次，層與層之間依靠的是瀝青的黏結力，但由于已經受到破壞，所以這些層之間的連接是非常薄弱的。

(a)

(b)

從圖4(a)中可以看出，斷裂面處有大量纖維，這些纖維縱橫交錯分布，形成了空間網絡結構，可以很好地傳遞應力或消散應力，同時增強了瀝青混合料整體抵抗外力的能力。圖4(b)則是纖維橫跨在裂縫處，起到搭橋作用，當瀝青混凝土路面受到荷載應力和溫度應力的共同作用而發生裂縫時，分散在其中的玄武巖纖維可以對裂縫的產生和發展進行阻止，猶如是水泥混凝土中的鋼筋一樣有效阻止裂縫的擴展，提高瀝青混合料的低溫抗裂新性能。

(a)

(b)

3 結 論

1)通過斷裂力學理論與復合材料理論等分析了玄武巖纖維對瀝青混合料的增強作用，系統的闡述了纖維的吸附、穩定、增韌、阻裂及增粘作用。

2)通過掃描電鏡(ESEM)圖像確認了纖維與瀝青之間具有較好的粘結效果。圖中的玄武巖纖維表面包裹著大量的瀝青，說明纖維對瀝青的吸附能力較強。

3)未添加纖維的瀝青混合料存在著不同程度的裂縫，界面相互分離，加入纖維的瀝青混合料中，裂縫之間有纖維連接，阻止了裂縫的擴展。

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