吳 星，康愛紅,2，吳正光,2，肖 鵬,2，吳幫偉,2，單桂軍

（1. 揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2. 江蘇省玄武巖纖維復(fù)合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225127；3. 江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司，江蘇 儀征 211400）

目前我國(guó)公路里程日益增長(zhǎng)，“十三五”交通發(fā)展規(guī)劃中指出，我們國(guó)家的公路里程要在2020 年末達(dá)到500 萬(wàn)公里[1]。然而，隨著時(shí)間的增加，環(huán)境的變遷，瀝青路面會(huì)不斷遭受著各種形式的破壞[2]。路面的病害形式主要是路面裂縫，其中橫向和縱向的裂縫占比在30%和40%左右[3]。由于玄武巖纖維的各項(xiàng)物理化學(xué)性能都較好[4]，在較為惡劣的環(huán)境下，玄武巖纖維瀝青混合料的抗疲勞性能表現(xiàn)十分優(yōu)秀[5-7]，且其原料在我國(guó)儲(chǔ)量巨大[8]，因此對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料的研究就顯得尤為重要。然而大部分學(xué)者主要對(duì)其宏觀性能進(jìn)行研究[9-14]，但也有一些學(xué)者對(duì)纖維與瀝青膠漿的粘結(jié)做了研究。王恒武等[15]采用Cox 剪滯模型來表征纖維與基體之間的界面粘結(jié)模型；郭寅川等[16]發(fā)現(xiàn)，纖維和瀝青膠漿浸潤(rùn)情況較好可以使二者形成更好的整體，從而提高其抗裂性能。纖維的加入主要是與瀝青結(jié)合，在混合料中起著非常重要的作用，纖維對(duì)瀝青的影響與其對(duì)瀝青混合料的影響具有良好的相關(guān)性[17-18]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都開始關(guān)注纖維瀝青的性能理論研究[19-20]，纖維與瀝青之間的粘附性能對(duì)揭示纖維在瀝青膠漿內(nèi)的作用機(jī)理有著較大的意義，因此有必要對(duì)纖維對(duì)瀝青膠漿的粘附性進(jìn)行研究。

由于市面上對(duì)于纖維與瀝青膠漿之間的粘附性測(cè)試儀器很少，因此本文采用自制的新型瀝青膠漿纖維拉拔試驗(yàn)機(jī)[21]，通過試驗(yàn)及分析確定了纖維與瀝青膠漿的最大粘結(jié)強(qiáng)度與粉膠比、纖維埋置長(zhǎng)度、纖維聚集狀態(tài)的關(guān)系，得出了一定的結(jié)論，對(duì)纖維與瀝青膠漿之間的粘附性能評(píng)價(jià)及表征以及纖維瀝青混合料的深入研究有一定的意義。

1 試驗(yàn)材料

1.1 SB S 改性瀝青

本文所用的瀝青為成品SBS 改性瀝青PG76-22，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，具體性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 SBS 改性瀝青性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

1.2 礦粉

本文所用礦粉是由石灰?guī)r磨制而成，表面較為干凈，各項(xiàng)指標(biāo)也符合《JTG F40-2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，性能參數(shù)見表2。

表2 礦粉性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

1.3 纖維

本文所用纖維為江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維、吉林通鑫玄武巖連續(xù)纖維，兩種纖維都屬于親油類纖維。江蘇天龍玄武巖纖維為400 孔、16 μm，聚集狀態(tài)較差，稱之為1#纖維；吉林通鑫玄武巖纖維為400 孔、17 μm，聚集狀態(tài)較好，為2#纖維。這里所說的聚集狀態(tài)用單束纖維的寬度大小表示。

本文參考了《JTG F40—2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和《GB/T 25045—2010 玄武巖纖維無捻粗紗》等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)所用纖維進(jìn)行了檢測(cè)，試驗(yàn)所得的各項(xiàng)參數(shù)見表3。

表3 纖維性能檢測(cè)結(jié)果

1.4 粉膠比的確定及瀝青膠漿試樣制備

根據(jù)《JTG F40—2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求及本課題組的不同級(jí)配混合料試驗(yàn)結(jié)果，按照規(guī)范要求計(jì)算得到幾種常用級(jí)配對(duì)應(yīng)的粉膠比（FB）如表4 所示，最終確定試驗(yàn)所用粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4。

表中γsb為各級(jí)配的合成毛體積相對(duì)密度，無量綱；γse為各級(jí)配的有效相對(duì)密度，無量綱；γb為所使用SBS 改性瀝青的相對(duì)密度（25 ℃），無量綱；Pba為瀝青混合料中被集料吸收的瀝青結(jié)合料比例；Pa為摻加玄武巖纖維后的最佳油石比，%；Pb為最佳瀝青用量；Pbe為瀝青混合料中的有效瀝青含量；P0.075為礦料級(jí)配中0.075 mm 的通過率（水洗法）。

在試驗(yàn)之前，先將SBS 改性瀝青及礦粉放入烘箱中，在160 ℃保溫3～4 h，之后按照粉膠比的要求，稱取一定的瀝青及礦粉，制作瀝青膠漿并且澆筑試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

表4 不同級(jí)配粉膠比計(jì)算表

2 試驗(yàn)方法

2.1 拉拔試驗(yàn)測(cè)試流程概述

纖維瀝青拉拔儀的溫度控制器的控溫范圍為10～80 ℃，精度為0.1 ℃；拉力傳感器的最大拉力為30 N，精度為0.001 N；位移傳感器的最小單位為1 mm。根據(jù)課題組之前研究中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定（變異系數(shù)最?。┑脑囼?yàn)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為40 ℃[21]。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)纖維埋置長(zhǎng)度較短時(shí)，放置纖維時(shí)產(chǎn)生的人為誤差較大，因此本文中纖維埋置長(zhǎng)度參考之前的研究[21]，采用比常用短切玄武巖纖維更長(zhǎng)的12、20、30 mm 進(jìn)行試驗(yàn)來研究玄武巖纖維與瀝青膠漿之間的粘附性。拉拔速率為10 mm/min[21]，以保證試驗(yàn)過程的穩(wěn)定。在同一粉膠比及同一埋置長(zhǎng)度下做3 次測(cè)試，取平均值為拉拔試驗(yàn)結(jié)果，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，若單個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果與平均值偏差超過10%，則重新取樣做試驗(yàn)。

圖 1(a)中藍(lán)色箭頭指的為瀝青膠漿試樣澆筑模具，瀝青膠漿制作完畢后，先將160 ℃瀝青膠漿倒入試樣模具的對(duì)應(yīng)格柵內(nèi)，待瀝青膠漿達(dá)到模具一半高度時(shí)（圖1(b)），按照埋置長(zhǎng)度放入纖維（圖1(c)），并繼續(xù)倒入瀝青膠漿（圖1(d)），直到倒?jié)M對(duì)應(yīng)的模具格柵，則測(cè)試試樣澆筑完成，待試樣冷卻，將單束纖維的一頭與圖1(a)紅色箭頭標(biāo)記的纖維固定器連接（固定器可以通過螺栓在固定器平臺(tái)上進(jìn)行移動(dòng)，使用不同的澆筑格珊時(shí)，需要移動(dòng)固定器使其中心線與澆筑格珊中心線重合），隨后在控制器（圖1(e)）中設(shè)置溫度和纖維拉拔速度，控溫1 h 后進(jìn)行拉拔測(cè)試，圖1(f)為纖維從瀝青膠漿中拔出后的圖片。

圖1 拉拔試驗(yàn)測(cè)試流程

2.2 纖維與瀝青膠漿界面粘結(jié)力測(cè)定

依據(jù)Broutman[22]提出的單根纖維拔出實(shí)驗(yàn)中提出的界面粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式τ=P/2πrL（其中P為拉拔力，r為纖維半徑），本方法[21]提出改進(jìn)的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法如下所示：

式（1）中：τmax為纖維與瀝青膠漿的最大粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；Fmax為試驗(yàn)過程中纖維所承受的最大拉拔力，N；S為纖維與瀝青膠漿的近似接觸面積，mm2；w為纖維試樣橫截面寬度，mm；h為纖維試樣橫截面高度，mm；對(duì)于400 根/束的纖維試樣，L為纖維埋置長(zhǎng)度，mm；h的計(jì)算按照式（3）計(jì)算，結(jié)果精確至0.001 mm；d為單根纖維直徑，mm。

2.3 瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

美國(guó)SHRP 提出了一種用動(dòng)態(tài)剪切流變儀來測(cè)試瀝青流變性能的方法，本文采用的儀器是Bohlin ADS流變儀（見圖2）。

圖2 動(dòng)態(tài)剪切流變儀

試驗(yàn)對(duì)40 ℃（拉拔試驗(yàn)溫度）至64 ℃（瀝青軟化點(diǎn)）之間的不同溫度下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)粘度進(jìn)行測(cè)試，研究粉膠比對(duì)復(fù)數(shù)粘度的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粉膠比對(duì)τmax 的影響

不同埋置長(zhǎng)度下，粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4時(shí)1#纖維的最大粘結(jié)強(qiáng)度（τmax）如圖3 所示。

圖3 不同F(xiàn)B 下1#玄武巖纖維最大粘結(jié)強(qiáng)度

由圖3 可知，在同一埋置長(zhǎng)度下，1#纖維最大粘結(jié)強(qiáng)度隨著粉膠比的增大而增大。這主要是由于礦粉的增加導(dǎo)致更多的瀝青與礦粉結(jié)合成為結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，使得玄武巖纖維與瀝青膠漿之間的粘結(jié)更加緊密，纖維從瀝青膠漿中拔出時(shí)的摩擦系數(shù)變大，在拉拔過程中所受到的阻力也更大。2#纖維呈現(xiàn)相同規(guī)律，不重復(fù)說明。

3.2 粉膠比對(duì)復(fù)數(shù)粘度的影響

在對(duì)不同粉膠比的瀝青膠漿試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)后，對(duì)不同試驗(yàn)溫度下粉膠比對(duì)復(fù)數(shù)粘度的影響進(jìn)行分析，粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4 時(shí)，不同溫度下的復(fù)數(shù)粘度如表5 所示。

表5 不同粉膠比下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)粘度

由表5 可知，粉膠比的范圍為0.8～1.4 時(shí)，在40 ℃（拉拔試驗(yàn)溫度）至64 ℃（瀝青軟化點(diǎn)）之間的不同溫度下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)粘度隨著粉膠比的增大而增大。這就合理地解釋了最大粘結(jié)強(qiáng)度隨著粉膠比的增大而增大的現(xiàn)象，粉膠比的增大使得瀝青膠漿的粘度增大，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)瀝青薄膜的增多和拔出過程的摩擦力的增大，從而導(dǎo)致τmax的增大。

3.3 纖維埋置長(zhǎng)度對(duì)τmax 的影響

分析在不同粉膠比下纖維埋置長(zhǎng)度對(duì)最大粘結(jié)強(qiáng)度的影響，不同粉膠比下，埋置長(zhǎng)度為12、20、30 mm時(shí)1#纖維的τmax如圖4 所示。

圖4 不同埋置長(zhǎng)度下1#纖維最大粘結(jié)強(qiáng)度

由圖4 可知在同一粉膠比下，埋置長(zhǎng)度對(duì)于最大粘結(jié)強(qiáng)度的影響不大。這主要是由于最大粘結(jié)強(qiáng)度受纖維及瀝青膠漿的自身物理化學(xué)性質(zhì)的影響較大。2#纖維呈現(xiàn)相同規(guī)律，不重復(fù)說明。

3.4 纖維聚集狀態(tài)對(duì)τmax 的影響

本文采用的1#、2#纖維都是400 根每束，因此采用纖維寬度w來反映纖維的聚集狀態(tài)。其中1#纖維的寬度為1.589 mm，2#纖維的寬度為1.063 mm。1#纖維和2#纖維在粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4、埋置長(zhǎng)度為20 mm 時(shí)的最大拉拔力和最大粘結(jié)強(qiáng)度見表6。

表6 不同F(xiàn)B 下兩種纖維的Fmax 和τmax

由表6 可知，在埋深20 mm 時(shí)，1#玄武巖纖維的最大拉拔力總是比2#玄武巖纖維的最大拉拔力大，1#玄武巖纖維大約為2#玄武巖纖維的1.3～2.0 倍，兩種纖維的直徑幾乎相等，但是分散情況的差距較大，最后得到的最大拉拔力差距較大，因此纖維的分散狀況對(duì)于最大拉拔力的影響較大。由于應(yīng)力主要受纖維及膠漿物理化學(xué)性質(zhì)影響，由上表也可以看出，聚集狀態(tài)對(duì)τmax影響不大。在埋深12、30 mm 時(shí)也有相同的規(guī)律。

3.5 測(cè)試結(jié)果變異性分析

同種試驗(yàn)條件下需做3 次試驗(yàn)，變異系數(shù)是指同一實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與測(cè)試數(shù)據(jù)平均數(shù)的比值。在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，如果變異系數(shù)大于15%，則要考慮該數(shù)據(jù)可能不正常，應(yīng)該剔除。1#纖維在粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4，埋置長(zhǎng)度為12、20、30 mm時(shí)的Fmax變異系數(shù)如表7 所示。

表7 不同埋置長(zhǎng)度下1#纖維Fmax 變異系數(shù)

由上表可知在埋置長(zhǎng)度20 mm 時(shí)，1#玄武巖纖維Fmax變異系數(shù)均較小，2#纖維呈現(xiàn)相同規(guī)律。因此，本研究推薦纖維埋置長(zhǎng)度為20 mm 用于測(cè)試?yán)w維與瀝青膠漿的粘附性。

3.6 τmax 與粉膠比和纖維埋置長(zhǎng)度的灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)1#和2#纖維在埋置長(zhǎng)度為12、20、30 mm，粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4 時(shí)的τmax的數(shù)據(jù)（見表8），再按照關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法得到1#、2#纖維的τmax分別與纖維埋置長(zhǎng)度、粉膠比的關(guān)聯(lián)度（用A表示）。選取纖維的τmax和埋置長(zhǎng)度與粉膠比數(shù)據(jù)，接著按照歸一法將所有數(shù)據(jù)同時(shí)除以第一行的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)置該組數(shù)據(jù)，在選用最大拉拔力為參照數(shù)列后，再按照關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算得到玄武巖纖維的τmax關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后按照每個(gè)指標(biāo)之間的每行的關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值求得纖維的τmax關(guān)聯(lián)度。1#、2#纖維的τmax與纖維埋置長(zhǎng)度、粉膠比的關(guān)聯(lián)度匯總見表9。

表8 灰色關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)

由表9 分析可知：τmax1#影響因素排序?yàn)榉勰z比＞埋置長(zhǎng)度，τmax2#呈現(xiàn)相同規(guī)律，由于玄武巖纖維與瀝青膠漿的τmax是與纖維及瀝青膠漿這兩種不同物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的，而粉膠比的改變會(huì)導(dǎo)致瀝青膠漿與纖維的界面接觸性質(zhì)發(fā)生改變，因此玄武巖纖維與瀝青膠漿之間的最大粘結(jié)強(qiáng)度與粉膠比關(guān)系較大。

表9 不同纖維的τmax 與纖維埋置長(zhǎng)度、粉膠比的關(guān)聯(lián)度

3.7 天龍纖維τmax 的量化擬合分析與驗(yàn)證

3.7.1 天龍纖維τmax的量化擬合分析

由于課題組混合料試驗(yàn)使用的纖維為天龍玄武巖纖維即1#纖維，所以選取1#纖維進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度擬合分析。直接用τmax進(jìn)行擬合分析的數(shù)據(jù)較少，因此通過Fmax的擬合結(jié)果推算τmax與粉膠比的關(guān)系。根據(jù)所有Fmax的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB 多項(xiàng)式擬合后選取了R2最大的二元二次多項(xiàng)式Lar 穩(wěn)健擬合形式，擬合結(jié)果如圖5 所示。接著選取建議的20 mm 纖維埋置長(zhǎng)度，按照式（1）—（3）推算出τmax與粉膠比的關(guān)系。

圖5 1# 纖維Fmax 擬合圖像

1#纖維的Fmax擬合方程為

在L=20 mm 時(shí)，利用式（1）計(jì)算得到τmax與粉膠比的關(guān)系公式為

3.7.2 天龍纖維τmax的量化擬合驗(yàn)證

將天龍纖維與SBS 瀝青膠漿粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算擬合公式預(yù)估值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，見表10。

表10 天龍纖維τmax 的量化擬合驗(yàn)證表

由此可知在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)1#纖維即天龍玄武巖纖維與本文使用的SBS 瀝青膠漿的量化計(jì)算擬合粘結(jié)強(qiáng)度公式可以較好地表征玄武巖纖維與SBS 改性瀝青膠漿的粘附性，對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的有限元模型等研究中起到一定的借鑒作用。

由式（5）可看出，在本文常用混合料粉膠比范圍內(nèi)，粉膠比越大玄武巖纖維與瀝青膠漿的最大粘結(jié)強(qiáng)度越大。由于在瀝青混合料中，纖維主要是和細(xì)集料形成的瀝青膠漿相互粘結(jié)，裹腹在粗集料表面嵌擠形成混合料，因此纖維與瀝青膠漿的粘附性能也會(huì)對(duì)混合料性能造成影響。因此，未來需要研究在規(guī)范范圍內(nèi)適當(dāng)增加礦粉的使用或級(jí)配設(shè)計(jì)中0.075 mm 粒徑的含量是否會(huì)導(dǎo)致混合料性能的提升。

3.8 瀝青混合料中纖維與瀝青膠漿τmax 預(yù)測(cè)

對(duì)課題組常用的瀝青混合料的規(guī)范計(jì)算粉膠比對(duì)應(yīng)的τmax進(jìn)行預(yù)估（見表11）。

表11 常用級(jí)配計(jì)算粉膠比對(duì)應(yīng)的τmax

由于在本課題組中使用天龍纖維進(jìn)行混合料試驗(yàn)的級(jí)配對(duì)應(yīng)的玄武巖纖維瀝青混合料均有較好的性能表現(xiàn)，因此在使用與本試驗(yàn)同規(guī)格的其他常用的400根/束的玄武巖纖維進(jìn)行混合料試驗(yàn)之前，可以使用這種新型瀝青膠漿纖維拉拔試驗(yàn)機(jī)，按照此新型粘附性評(píng)價(jià)指標(biāo)和規(guī)范計(jì)算粉膠比進(jìn)行拉拔試驗(yàn)測(cè)試，看是否滿足最大粘結(jié)強(qiáng)度值的要求，以確保其他廠家的玄武巖纖維的質(zhì)量要求能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）本文應(yīng)用最新研制的拉拔儀進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維與SBS 瀝青膠漿中拔出的最大粘結(jié)強(qiáng)度受粉膠比影響較大，成正相關(guān)關(guān)系，與埋置長(zhǎng)度、聚集狀態(tài)關(guān)系不大。

（2）建議在纖維埋置長(zhǎng)度為20 mm 時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)試驗(yàn)變異系數(shù)較小，可以更穩(wěn)定地對(duì)纖維與瀝青膠漿的粘附性進(jìn)行研究。

（3）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二元二次多項(xiàng)式擬合及推算可以在一定范圍內(nèi)較好地量化表征玄武巖纖維與瀝青膠漿的粘附性指標(biāo)。

（4）本文應(yīng)用自制新型拉拔儀研究提出了幾種常用瀝青混合料級(jí)配對(duì)應(yīng)的規(guī)范計(jì)算粉膠比對(duì)應(yīng)的最大粘結(jié)強(qiáng)度要求，可以用于對(duì)市場(chǎng)上同種規(guī)格的玄武巖纖維的質(zhì)量檢驗(yàn)。