玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿性能的影響研究

鮑意　劉亮　沈晉

摘要：文章為研究玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿性能的影響，在石油瀝青中添加不同規(guī)格的玄武巖纖維，通過石油瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）來研究不同摻量、不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維對(duì)石油瀝青工作性能、低溫抗斷裂性能、高溫流變性能的影響。結(jié)果表明：隨著玄武巖纖維摻量的增加，石油瀝青的黏度逐漸增加，工作溫度提高；隨著玄武巖纖維摻量的增加，-5 ℃時(shí)低溫抗斷裂性能顯著提高，-10 ℃、-15 ℃時(shí)低溫抗斷裂性能先增加后降低；結(jié)合本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，玄武巖纖維最佳摻量為4%，玄武巖纖維長(zhǎng)度為6 mm較適宜；相比不添加纖維，玄武巖纖維的加入可以很好地提高瀝青膠漿的車轍因子。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；瀝青膠漿；黏溫曲線；高溫流變

0引言

隨著交通量的增加，瀝青路面的損壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，瀝青路面的抗水損壞和抗高溫剪切是目前瀝青路面研究的重點(diǎn)［1-2］。玄武巖纖維作為一種新型環(huán)保材料，具有高韌性、高粘結(jié)性［3-4］，是一種能提高路面抗車轍性的良好材料，相比木質(zhì)素纖維易老化、彈性模量低、抗腐蝕性差等缺點(diǎn)，玄武巖纖維不僅能夠彌補(bǔ)木質(zhì)纖維的不足，而且還具有改善瀝青-礦料界面作用的優(yōu)點(diǎn)，能滿足瀝青路面的耐久性要求。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了較多研究，如韋佑坡等［5］研究表明玄武巖纖維與瀝青具有較好的粘結(jié)性，對(duì)瀝青膠結(jié)料具有阻裂作用，在瀝青混合料中能分散應(yīng)力，提高瀝青路面的整體強(qiáng)度；覃瀟等［6］將玄武巖纖維添加到瀝青混合料中，對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料的機(jī)理進(jìn)行了研究，得出其對(duì)瀝青混合料的高溫、水穩(wěn)性能有很好的改善作用；呂偉民［7］對(duì)玄武巖纖維、瀝青與礦粉三者混合而成的纖維瀝青膠漿的作用機(jī)理進(jìn)行闡述，并對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度形成和抗裂性能進(jìn)行了相關(guān)機(jī)理分析。現(xiàn)有研究多集中在瀝青混合料的性能上，對(duì)玄武巖改性瀝青膠漿的研究較少，對(duì)玄武巖瀝青膠漿的工作性能、抗裂性能、高溫性能的評(píng)價(jià)和綜合研究較少。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，在改性瀝青中添加不同規(guī)格的玄武巖纖維，通過改性瀝青的布氏黏度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）來研究不同摻量、不同長(zhǎng)度玄武巖纖維對(duì)改性瀝青工作性能、抗裂性能、高溫性能的影響，為玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿性能的影響研究提供借鑒。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

石油瀝青：A級(jí)70#道路石油瀝青，針入度（25 ℃、100 g、5 s）為71.0（0.1 mm）；軟化點(diǎn)為48.5 ℃；延度（10 ℃）為30.0 cm；延度（15 ℃）＞100 cm。

玄武巖纖維：技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

為了便于研究玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿性能的影響，石油瀝青與礦粉的質(zhì)量比為5∶1，纖維摻量分別為改性瀝青質(zhì)量的0、2%、4%、6%、8%，玄武巖纖維長(zhǎng)度分別采用4 mm、6 mm和8 mm的規(guī)格。

（1）布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)過程》（JTG E20-2011）的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)布氏旋轉(zhuǎn)測(cè)試溫度為135 ℃和175 ℃，分別對(duì)玄武巖纖維長(zhǎng)度為6 mm時(shí)不同玄武巖纖維摻量下的瀝青布氏黏度，以及玄武巖纖維摻量為4%時(shí)不同玄武巖纖維長(zhǎng)度的瀝青布氏黏度進(jìn)行測(cè)試，并繪制黏溫曲線。

（2）采用直接拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別設(shè)置為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃，拉伸速度為1 mm/min。

（3）采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試不加纖維的對(duì)照瀝青和纖維摻量為4%的6 mm長(zhǎng)的玄武巖纖維瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試，正弦震蕩荷載頻率為10 rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

摻入玄武巖纖維后，瀝青的性狀發(fā)生變化，對(duì)瀝青混合料的施工性能有很大的影響，通過布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)瀝青的黏溫曲線進(jìn)行繪制，可以直觀地反映瀝青的工作性能。如圖1和圖2所示分別為不同纖維摻量下的黏溫曲線和不同纖維長(zhǎng)度下的黏溫曲線。

從圖1可以看出，隨著纖維摻量的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，其主要原因是玄武巖與瀝青、礦粉等膠結(jié)相互粘結(jié)在一起，由于玄武巖纖維具有長(zhǎng)度，在瀝青膠漿內(nèi)部具有拉伸和阻力作用，瀝青的流動(dòng)性降低，且纖維摻量越多，這種阻力作用越強(qiáng)。因此，隨著纖維摻量的增加，瀝青膠漿的黏度不斷增大。但纖維摻量的增加不利于瀝青膠漿的工作性能，當(dāng)摻量＞6%時(shí)，通過黏溫曲線看出，瀝青混合料的碾壓溫度和拌和溫度就明顯增加，大大增加能耗，不滿足施工要求。

如圖2所示，當(dāng)纖維摻量為4%時(shí)，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，其主要原因是纖維長(zhǎng)度過長(zhǎng)，纖維在瀝青膠漿中的連接作用范圍越大，瀝青膠漿內(nèi)部的瀝青、礦粉和纖維之間相互交錯(cuò)越復(fù)雜，瀝青膠漿的黏度越大。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為8 mm時(shí)，通過黏溫曲線可以看出，瀝青混合料的碾壓溫度和拌和溫度增加明顯，顯然不利于其工作性能要求。

2.2 低溫抗斷裂性能

瀝青的抗低溫?cái)嗔研阅苁菫r青的重要性能指標(biāo)，由于玄武巖纖維與瀝青之間具有較好的粘結(jié)性能，其對(duì)瀝青抗裂性能有重要的影響。如圖3所示為長(zhǎng)度6 mm的纖維在不同摻量下的低溫拉伸性能曲線。

由圖3可以看出，在-5 ℃時(shí)，隨著纖維摻量的增加，瀝青的低溫破壞應(yīng)力逐漸增加，瀝青低溫抗裂性能提升。其主要原因是纖維與瀝青、礦粉之間相互粘結(jié)在一起，受到粘結(jié)、咬合和摩擦等作用［8］，增強(qiáng)了內(nèi)部連結(jié)力，提高了瀝青的抗拉能力，且纖維摻量越高，抗拉能力越強(qiáng)。當(dāng)在-10 ℃、-15 ℃時(shí)，瀝青的低溫破壞應(yīng)力先增加后降低，其主要原因?yàn)闉r青和玄武巖纖維是兩種不同性質(zhì)的材料，環(huán)境溫度過低，使材料自身發(fā)生收縮變形，兩種材料之間的應(yīng)力不同，隨著玄武巖纖維摻量的增加，溫度越低，材料之間的差異性越明顯。因此，即使玄武巖纖維增加，瀝青膠漿的低溫抗裂性能也會(huì)顯著降低。

2.3 高溫流變性能

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試不加纖維的對(duì)照瀝青和纖維摻量為4%的6 mm長(zhǎng)的玄武巖纖維瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試，其車轍因子試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，玄武巖纖維瀝青膠漿在不同溫度下的車轍因子比不加纖維瀝青的大，說明其抵抗高溫變形能力較強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性較好。其主要原因是玄武巖纖維具有增粘及穩(wěn)定作用，在瀝青中的分散性良好，具有較大的瀝青-纖維界面，粘結(jié)強(qiáng)度大，抵抗高溫變形能力強(qiáng)［9］，有利于降低瀝青的溫度敏感性。

3 結(jié)語

（1）隨著玄武巖纖維摻量的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，工作溫度增加；隨著纖維長(zhǎng)度的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，工作溫度增加。

（2）當(dāng)在-5 ℃時(shí)，隨著纖維摻量的增加，瀝青的低溫破壞應(yīng)力逐漸增加，瀝青低溫抗裂性能提升；當(dāng)在-10 ℃、-15 ℃時(shí)，瀝青的低溫破壞應(yīng)力先增加后降低。

（3）玄武巖纖維瀝青膠漿在不同溫度下的車轍因子比不加纖維瀝青的大，其抵抗高溫變形能力較強(qiáng)。

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作者簡(jiǎn)介：鮑 意（1992—），工程師，研究方向：道路工程。