宋 挺 區(qū) 樺 林小玉

(1.湖北交投武黃高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限公司 武漢 430205；2.中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司 武漢 430070)

隨著交通量的不斷增長(zhǎng)，公路上對(duì)瀝青混合料路用性能的要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，把纖維視為一種添加劑或者改性劑，添加到瀝青混合料當(dāng)中，成為提高瀝青膠漿粘結(jié)性、改善混合料的抗剪能力、延長(zhǎng)路面使用壽命的常見(jiàn)方法。

玄武巖纖維是由天然玄武巖拉制得到的新型纖維材料，經(jīng)過(guò)高溫拉絲和表面處理之后，玄武巖纖維一般具有耐腐蝕性強(qiáng)、抗高溫性能好、拉伸強(qiáng)度及彈性模量大等特性，與瀝青和集料有較高的契合性，在道路工程建設(shè)中是一種有發(fā)展前景的環(huán)保新型材料。

在瀝青混合料中，瀝青膠漿是以填料為分散相而分散在高稠度的瀝青介質(zhì)中的一種微分散系，它的組成結(jié)構(gòu)決定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫變形能力[1]。根據(jù)美國(guó)夏普技術(shù)的研究結(jié)論，可認(rèn)為瀝青膠漿對(duì)混合料的高溫車(chē)轍作用約為29%左右，對(duì)抗低溫開(kāi)裂作用率約為87%，對(duì)疲勞作用率約為52%[2-3]。Davar等[4]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能提高瀝青混合料的低溫變形能力，從而減少瀝青路面開(kāi)裂；馬立杰等[5]研究表明玄武巖纖維能增加高模量瀝青的柔韌性和強(qiáng)度，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了初步探究；張文剛等[6]基于斷裂力學(xué)及界面理論，探討了路用礦物纖維對(duì)瀝青膠漿的作用效應(yīng)；彭波等[7]提出了纖維瀝青膠漿的作用機(jī)理，認(rèn)為纖維使瀝青膠漿的老化性與水穩(wěn)定性得到改善。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外研究可知，雖然瀝青膠漿在瀝青混凝土中存在比例不算大，但瀝青膠漿的結(jié)構(gòu)及性能直接影響著瀝青混凝土的路用性能。因此，為評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿的作用效果，本文選用DSR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)，對(duì)膠漿的高溫性能、低溫性能進(jìn)行研究。綜合分析玄武巖纖維對(duì)瀝青材料性能的作用效果，了解玄武巖纖維瀝青膠漿的整體性能。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

(1)瀝青

采用SBS(I-D)改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2)礦粉

礦粉選取采用強(qiáng)基性巖石磨細(xì)得到的礦粉。礦粉應(yīng)干燥、潔凈，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

(2)玄武巖纖維

與其他道路纖維相比，玄武巖纖維對(duì)環(huán)境的友好度較高，材料整體彈性模量大，拉伸性能好，且材料性能穩(wěn)定、不容易隨環(huán)境發(fā)生變化。本次試驗(yàn)使用的玄武巖纖維為6mm短切玄武巖纖維。參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004 )、《公路工程玄武巖纖維及其制品》(JT/T 776-2010 )等[8-9]，對(duì)試驗(yàn)用各種纖維的相關(guān)性能進(jìn)行了檢測(cè)，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 玄武巖纖維基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

為分析玄武巖纖維摻量對(duì)瀝青性能的作用效果，本文采用上述6mm短切玄武巖纖維，固定粉膠比為0.8，分別制備玄武巖纖維摻量為1%、2%、3%、4%的纖維瀝青膠漿(瀝青混凝土油石比5.0%時(shí)，纖維在混凝土中的摻量當(dāng)量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%)，分別采用DSR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同玄武巖纖維摻量的瀝青膠漿高溫性能及低溫性能。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)纖維瀝青膠漿高溫流變?cè)囼?yàn)

借鑒美國(guó)SHRP評(píng)價(jià)瀝青的方法，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行瀝青膠漿高溫流變性能試驗(yàn)。DSR采用復(fù)數(shù)剪切模量(G*)、相位角(δ)表征材料的粘彈性。其中，G*為剪切復(fù)數(shù)模量，用以度量瀝青重復(fù)剪切變形時(shí)的總阻力；δ是對(duì)瀝青施加的正弦應(yīng)力與因此產(chǎn)生的正弦應(yīng)變間的相位差[10-13]。采用G*/sinδ表示材料抗高溫變形能力。G*/sinδ越大，表示瀝青膠漿具有更好的的高溫抗車(chē)轍變形能力。

本文選用的平行板模具直徑25mm，板間放置1mm的瀝青膠漿，測(cè)試試驗(yàn)溫度分別為70℃、76℃、82℃、88℃瀝青膠漿的G*、δ。

(2)纖維瀝青膠漿低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)

借鑒美國(guó)SHRP計(jì)劃中的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)，研究瀝青膠漿低溫性能。通過(guò)蠕變勁度S和蠕變速率m評(píng)價(jià)纖維瀝青膠漿低溫抗裂效果。蠕變勁度S可反映瀝青膠漿抵抗荷載的能力。蠕變速率m表示荷載作用下材料勁度的變化率，反映纖維瀝青膠漿應(yīng)力松弛能力，m值越大表示瀝青膠漿在溫度發(fā)生變化時(shí)內(nèi)應(yīng)力消散。本文試驗(yàn)溫度環(huán)境分別設(shè)置為-18℃、-12℃、-6℃。

2 玄武巖纖維微觀特性

纖維微觀特性直接影響著玄武巖纖維吸附瀝青的能力、玄武巖纖維在膠漿中的分散性，并影響瀝青和礦料的結(jié)合能力，因此，纖維性質(zhì)可直接影響到瀝青膠漿及瀝青混凝土材料性質(zhì)。為了便于理解玄武巖纖維與瀝青的相互作用效果，利用掃描電鏡拍攝玄武巖纖維的微觀結(jié)構(gòu)照片，掃描電鏡照片如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維微觀結(jié)構(gòu)照片

由玄武巖纖維掃描電鏡照片可知，玄武巖纖維整體呈現(xiàn)光滑的圓柱狀，相對(duì)其他纖維材料而言整體比表面積更小。這是由于玄武巖熔融形成纖維的過(guò)程中、纖維材料成型前，在表面張力作用下發(fā)生收縮，最終形成表面積最小的圓柱形，同時(shí)由于玄武巖纖維與其它纖維相比具有更大的剛度，應(yīng)用過(guò)程中具有較好的分散性，不易纏繞成團(tuán)[14-15]。

3 玄武巖纖維改性瀝青膠漿性能研究

3.1 玄武巖纖維瀝青膠漿高溫流變性能

不同玄武巖纖維摻量下的膠漿材料DSR試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青膠漿DSR試驗(yàn)結(jié)果

圖2 瀝青膠漿不同纖維摻量及試驗(yàn)溫度下DSR試驗(yàn)結(jié)果

由以上瀝青膠漿不同纖維摻量及試驗(yàn)溫度下的高溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果可知，粉膠比一定時(shí)，隨著試驗(yàn)溫度增加，玄武巖纖維瀝青膠漿抗車(chē)轍因子G*/sinδ存在有不同幅度的下降?？梢哉J(rèn)為，這種現(xiàn)象的原因是瀝青膠漿中的粘性成分比例隨溫度升高而增大，削弱了玄武巖纖維作用效果。隨著玄武巖纖維的摻入，抗車(chē)轍因子G*/sinδ隨之增加，膠漿的抗車(chē)轍因子G* /sinδ隨纖維摻量的增加而提高的幅度越小，88℃環(huán)境下，摻加3%玄武巖纖維的瀝青膠漿抗車(chē)轍因子較不摻加纖維的瀝青膠漿提高了53.8%；纖維摻量提升到4%，瀝青膠漿抗車(chē)轍因子較不摻加纖維的瀝青膠漿提高了59.1%?？梢哉J(rèn)為，這種現(xiàn)象的原因是纖維吸附瀝青、同時(shí)分布在膠漿中產(chǎn)生多向加筋效果，瀝青流動(dòng)性降低從而使材料整體稠度增加，使瀝青的粘結(jié)力增強(qiáng)，膠漿整體的高溫穩(wěn)定性改善。

3.2 玄武巖纖維膠漿低溫流變性能

不同玄武巖纖維摻量下的膠漿材料BBR試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青膠漿BBR試驗(yàn)結(jié)果

圖3 瀝青膠漿不同纖維摻量及試驗(yàn)溫度下DSR試驗(yàn)結(jié)果

觀察不同玄武巖纖維摻量及試驗(yàn)溫度下瀝青膠漿低溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果可知，粉膠比一定時(shí)，纖維摻量增加，玄武巖纖維瀝青膠漿的蠕變勁度值S呈先減少后增大的趨勢(shì)，蠕變速率m呈先增大后減小的趨勢(shì)。-6℃、-12℃、-18℃環(huán)境下，摻加4%玄武巖纖維的瀝青膠漿蠕變勁度較不摻加纖維的瀝青膠漿對(duì)照組分別增加了6%、10%和8%。

瀝青膠漿的蠕變勁度降低，說(shuō)明摻加玄武巖纖維后瀝青膠漿在低溫環(huán)境中具有更好的柔性，使瀝青混凝土也會(huì)具有更好的抗開(kāi)裂性能。蠕變速率增大，表明瀝青材料應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，材料開(kāi)裂的可能性隨之減小。試驗(yàn)過(guò)程中，隨纖維摻配比摻量逐漸增大，瀝青膠漿測(cè)試結(jié)果存在較為明顯的變異性，纖維摻配比增大削弱了其在漿體中的分散均勻性，試驗(yàn)中測(cè)試數(shù)據(jù)的離散性增大[16]。

4 結(jié)論

(1)玄武巖纖維和其他纖維材料相比，表面整體較為光滑，便于纖維均勻分散在膠漿中，不容易結(jié)團(tuán)，有利于材料應(yīng)用。

(2)玄武巖纖維能夠使瀝青流動(dòng)性降低，從而使材料整體稠度增加，使瀝青的粘結(jié)力增強(qiáng)。

(3)玄武巖纖維瀝青膠漿高溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，隨著溫度升高，不同纖維摻量的瀝青膠漿高溫抗車(chē)轍因子隨之升高，但玄武巖纖維的摻入對(duì)瀝青膠漿的抗車(chē)轍性能具有良好改善作用。

(4)玄武巖纖維瀝青膠漿在蠕變過(guò)程中受纖維界面?zhèn)鬟f和阻滯作用，玄武巖纖維的摻入能夠改善瀝青膠漿的低溫性能。玄武巖纖維瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性都得到改善，玄武巖纖維是一種較好的瀝青改性材料。