任秉龍

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030032)

對于年溫差較大，低溫時間長，積雪嚴(yán)重地區(qū)，為了提高瀝青混合料的抗凍、抗溫縮開裂能力，常采用改性瀝青、高標(biāo)號瀝青等措施，尤其是在SBS改性瀝青中添加纖維更為有效。如內(nèi)蒙古興安盟阿爾山市及周邊，極端最低氣溫為-45.7 ℃，積雪期長達152 d，對瀝青低溫性能要求更為明顯。玄武巖纖維作為一種無污染的天然礦物纖維，力學(xué)強度及其他性能穩(wěn)定，很適合在寒冷、高海拔、常年積雪的地域使用。

目前，國內(nèi)外研究人員對玄武巖纖維瀝青的研究較多。張玉貞等認(rèn)為，隨粉膠比、纖維含量的增大，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量、車轍因子均呈增大的趨勢，隨溫度的升高，瀝青膠漿的溫度敏感性能變強；熊剛等認(rèn)為，玄武巖纖維對瀝青混合料的高溫抗車轍、低溫抗裂性能、抗水損壞性能均有改善；胡志釗等認(rèn)為，玄武巖纖維瀝青混合料高溫抗剪切變形能力和抵抗劈裂能力均高于木質(zhì)素纖維；宋云祥等研究表明：瀝青中添加玄武巖纖維后，原瀝青中的自由瀝青向結(jié)構(gòu)瀝青轉(zhuǎn)化，提高了纖維瀝青混合料的高溫低溫性能，但過多的纖維明顯影響了混合料的施工工作性能；韋佑坡認(rèn)為SBS改性瀝青中添加玄武巖纖維后，纖維瀝青的車轍因子明顯提高，隨玄武巖纖維的增加，表觀黏度明顯增加，且明顯提高了瀝青混合料的動態(tài)蠕變次數(shù)。以上研究主要考慮玄武巖纖維瀝青的纖維含量、黏度，混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性能等方面，但在纖維瀝青低溫性能方面全面研究的較少，作用機理方面研究更少。

常規(guī)采用的針入度、延度、當(dāng)量脆點等指標(biāo)評價瀝青膠漿的低溫性能，但經(jīng)驗性太強，該文以玄武巖纖維對瀝青的吸附能力、玄武巖纖維膠漿的低溫最大拉力和低溫應(yīng)變能、凍融后錐入抗剪強度4個評價指標(biāo)，以玄武巖纖維的長度、摻量、普通瀝青的瀝青標(biāo)號為3個參數(shù)，采用四因素三水平正交試驗，研究其參數(shù)的變化對玄武巖纖維膠漿低溫性能的影響規(guī)律，同時得到低溫性能最優(yōu)的最佳組合，最后采用掃描電鏡研究玄武巖纖維對普通瀝青性能的改善機理。

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗材料

項目選用70#、90#、110#普通瀝青，纖維選用6、9、15 mm玄武巖纖維，纖維質(zhì)量摻量為4%、7%、10%；礦粉原材料為石灰?guī)r，瀝青、纖維指標(biāo)見表1、2。纖維瀝青膠漿制作時，選用粉膠比為1∶2。制作方法為：將礦粉逐漸加入(160±5) ℃的普通瀝青中，普通攪拌機攪拌均勻，再將經(jīng)計算的纖維加入，進一步攪拌至無結(jié)團和纏繞即可。

表1 不同瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青膠漿低溫指標(biāo)正交設(shè)計

對于低溫多雪地區(qū)，通過改變纖維長度、摻量及瀝青標(biāo)號，研究瀝青膠漿低溫最大拉力和低溫應(yīng)變能、凍融后錐入抗剪強度、纖維對瀝青的吸附能力。采用L9(34)正交表，其中四因素中的前三因素為纖維長度(A)、纖維摻量(B)、瀝青標(biāo)號(C)，最后一因素選擇空。三水平中，纖維長度：6、9、15 mm，纖維摻量：4%、7%、10%，瀝青標(biāo)號：70#、90#、110#，三水平以1、2、3表示。

表2 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.3 試驗方法

1.3.1 板帶拉伸試驗

在玻璃板上將攪拌好的瀝青制作板帶拉伸試件，試件尺寸為長12 cm、寬8 cm、厚0.5 cm，平行試驗3次一組。采用MTS萬能材料試驗機開展纖維瀝青的抗拉強度試驗，將澆筑好的瀝青板帶夾持于MTS拉伸夾具中，在試驗溫度-20 ℃下保溫6 h后，以拉伸速度10 mm/min試驗，測試?yán)^程中試件荷載變形曲線，曲線圖中最大荷載用于計算瀝青膠漿的低溫最大拉力。由材料力學(xué)可知：材料被破壞時是內(nèi)部存儲的能量向外耗散的過程，并非應(yīng)力或應(yīng)變單一變量將材料破壞。所以，在低溫情況下，低溫應(yīng)變能用于評價材料的開裂破壞應(yīng)運而生，該文采用低溫應(yīng)變能評價低溫積雪地區(qū)纖維瀝青膠漿的低溫性能，計算式為：

(1)

式中：F為試件在某一時刻的應(yīng)力(kPa);δ為試件在某一時刻的應(yīng)變;δ0為試件的最大應(yīng)變;W為試件的低溫應(yīng)變能。

1.3.2 瀝青膠漿凍融錐入度試驗

輻射是熱量以波的形式，由一個物體轉(zhuǎn)到另一個物體的現(xiàn)象，通過物理和光學(xué)原理可將玻璃表面的發(fā)射率降低，可減少玻璃的輻射傳熱；對流熱損失主要是通過中空玻璃間隔內(nèi)氣體移動時所進行的熱交換產(chǎn)生的，設(shè)置適當(dāng)?shù)拈g隔層厚度使對流損失達到最??；傳導(dǎo)是物體內(nèi)部的熱由高溫側(cè)向低溫側(cè)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，窗戶上的傳導(dǎo)損失主要是通過窗框和玻璃發(fā)生的，通過改進窗戶材料，使用更絕熱的邊部密封材料可以有效地減少這些損失。此外，保溫百葉的設(shè)置在起到對室內(nèi)裝飾作用的同時又能減少窗的傳熱。

將針入度儀的針更換為重226 g、錐角為30°的圓堆體，同時采用大試樣器皿盛裝瀝青，作為錐入度試驗儀。將制備好的纖維瀝青裝入試模，冷卻后，在-20 ℃下保溫3 h，再在25 ℃水中保溫1 h，以此作為一次凍融循環(huán)，一共進行4次凍融循環(huán)，每組試件由3個試樣組成。瀝青冷卻后，在25 ℃的條件下，錐入時間為5 s，計算凍融后錐入抗剪強度，抗剪強度τ計算公式見式(2):

(2)

式中：G為試錘的作用荷載(kN)；h為錐入深度(m)；α為試錘的傾斜角度(°)。

1.3.3 纖維吸油量試驗

將待測瀝青分別稱取300 g，置于3個已知質(zhì)量的0.25 mm網(wǎng)籃中，網(wǎng)籃下部接一鐵盤，在130 ℃的烘箱中，每隔0.5 h，稱網(wǎng)籃加剩余瀝青及纖維的質(zhì)量，計算瀝青的剩余量(%)，用于評價不同規(guī)格、用量的纖維吸油率。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果與分析

對不同因素組合進行正交試驗，試驗表中A、B、C含義見前文1.2節(jié)，正交試驗結(jié)果見表3、4，纖維瀝青膠漿最優(yōu)方案見表5。

表3 瀝青膠漿試驗結(jié)果

表4 纖維瀝青膠漿極差

表5 纖維瀝青膠漿最優(yōu)方案

正交試驗的極差反映各參數(shù)對試驗結(jié)果的影響嚴(yán)重程度，極差越大，此參數(shù)對試驗結(jié)果的影響程度越大，反之越小。從表4可知：纖維摻量對瀝青的吸附能力影響最大，纖維長度對瀝青的低溫最大拉力、低溫應(yīng)變能影響最大，瀝青標(biāo)號對凍融后錐入抗剪強度影響最大，所以在玄武巖纖維瀝青設(shè)計過程中，纖維長度、纖維摻量影響程度更為明顯，是設(shè)計重點。

最優(yōu)方案為在改變影響因素時，產(chǎn)生最優(yōu)試驗結(jié)果時對應(yīng)的因素長度、摻量或瀝青標(biāo)號。玄武巖纖維對瀝青的吸附能力不得過高，也不得過低，所以不采用瀝青的吸附能力極值作為纖維最佳長度、最佳摻量的評價指標(biāo)。該文采用表5中低溫最大拉力、低溫應(yīng)變能、凍融后錐入抗剪強度評價各纖維參數(shù)的最佳值，以綜合平衡法評價，纖維瀝青膠漿最優(yōu)方案為A2B2C3，即9 mm長玄武巖纖維、7%纖維摻量、110#普通瀝青拌和的纖維瀝青膠漿低溫性能最優(yōu)。

2.2 對瀝青吸附力的影響分析

2.3 對低溫最大拉力、低溫應(yīng)變能的影響分析

瀝青標(biāo)號對纖維瀝青低溫最大拉力影響程度相對較小，而纖維長度對纖維瀝青低溫最大拉力影響最大。纖維瀝青在低溫板帶拉升過程中，瀝青和纖維形成三相共混體，纖維在瀝青中起到加筋和阻裂的作用，可顯著提高瀝青的低溫抗變形及抗開裂能力，但纖維在瀝青中的不均勻分布，在拉升過程中會導(dǎo)致纖維的相對滑移，形成受拉薄弱面，最終導(dǎo)致應(yīng)力集中破壞。

從低溫應(yīng)變能方面看，纖維摻量對低溫應(yīng)變能的影響略低于纖維長度，而纖維瀝青的低溫性能評價同時采用考慮應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)將更為全面。所以，為提高纖維瀝青的低溫性能，首先應(yīng)考慮纖維的長度，再考慮纖維的摻量，兩參數(shù)考慮程度基本相同。

2.4 對凍融后錐入抗剪強度的影響分析

3個參數(shù)對纖維瀝青凍融后錐入抗剪強度的影響最為顯著的為瀝青標(biāo)號，其次為纖維長度和摻量。在25 ℃條件下，瀝青表現(xiàn)為硬性、脆性，而瀝青在錐入度試驗時，經(jīng)過5 s沉錐，錐體有足夠的時間扎入纖維分布的瀝青基體中，此時瀝青的性能將表現(xiàn)更為重要。所以在考慮凍融后低溫纖維瀝青抗剪強度時，瀝青類型選擇將會優(yōu)先。

3 玄武巖纖維與瀝青的作用機理研究

玄武巖纖維及玄武巖纖維瀝青的掃描電鏡圖像見圖1。

圖1 玄武巖纖維及其在瀝青中的SEM圖像

由圖1(a)可知：玄武巖纖維并非完全圓柱體，而是呈片狀、扁圓狀、柱體中線連續(xù)凹陷狀，同時伴有不規(guī)則的突起或凹陷，此種結(jié)構(gòu)的纖維，比表面積明顯大于完全光滑圓柱體結(jié)構(gòu)，瀝青包裹后將會有更大的摩擦力，可大幅度增強纖維與瀝青的黏結(jié)強度。由圖1(b)可知：玄武巖纖維與瀝青包裹嚴(yán)實，表面界面浸潤理論認(rèn)為，兩相之間的強度主要為兩相的機械搭接和浸潤吸附，對于非人為機械搭接的材料，其結(jié)構(gòu)強度主要由浸潤吸附實現(xiàn)。纖維表面的不均勻形狀及表面凸起、凹陷明顯增加了瀝青在纖維表面的浸潤效果，在宏觀上表現(xiàn)為玄武巖纖維在瀝青中具有極高的抗拔強度。

4 結(jié)論

(1) 纖維摻量對瀝青的吸附能力影響最大，纖維長度對瀝青的低溫最大拉力、低溫應(yīng)變能影響最大，而瀝青標(biāo)號對凍融后錐入抗剪強度影響最大，所以在玄武巖纖維瀝青設(shè)計過程中，纖維長度、纖維摻量影響指標(biāo)較多，是設(shè)計重點。

(2) 基于綜合平衡法理論，纖維瀝青膠漿最優(yōu)方案為A2B2C3，即9 mm長玄武巖纖維、7%摻量、110#普通瀝青拌和的纖維瀝青膠漿在低溫地區(qū)使用性能最優(yōu)。

(3) 玄武巖纖維與瀝青共混后，在掃描電鏡(SEM)下，玄武巖纖維的表面凹凸及不規(guī)則的缺陷，使瀝青的浸潤更加充分，呈三維分布的玄武巖纖維與瀝青的握裹力更加牢固。