黃南華

(招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067)

瀝青路面因其良好的行駛質量、低噪音、施工速度快、優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性、可回收性以及易于維護等優(yōu)點被廣泛應用，且已成為我國道路建設的主要鋪裝形式。然而，在行車荷載和自然環(huán)境等因素的影響下，瀝青路面會出現如車轍、裂縫、坑槽等諸多病害，這些病害會嚴重影響路面的質量，減少使用壽命，增加養(yǎng)護成本?？萍既藛T通過在瀝青和瀝青混合料中加入添加劑以改善瀝青及其混合料性能，延長路面使用年限[1-3]。玄武巖纖維作為諸多添加劑中的一種，屬于礦物纖維，由玄武巖石料在極高的溫度下熔融后拉制而成的連續(xù)纖維，具有強度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點。此外，玄武巖纖維對瀝青具有增粘、阻裂和增大模量的作用，可提高其疲勞耐久性。

很多科研人員將玄武巖纖維用于各種型號的基質瀝青和改性瀝青中，研究玄武巖纖維長度和摻量對瀝青混合料性能的影響，發(fā)現合理的玄武巖纖維長度和摻量可全面提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能[4]。研究表明最佳的玄武巖纖維摻量一般為基質瀝青的0.3%～0.4%。玄武巖纖維用于瀝青混合料中的研究較為常見且詳細，但玄武巖纖維對瀝青的性能影響卻少有報道。為此，本文針對不同玄武巖纖維摻量對瀝青高溫和低溫流變特性的影響，通過軟化點、DSR、延度和BBR四項試驗驗證玄武巖纖維對70#基質瀝青性能的增強效果，并在此基礎上，評價了玄武巖纖維在基質瀝青的應用中較木質素纖維和聚酯纖維的優(yōu)越性。

1 原材料及制備

1.1 玄武巖纖維

所選用玄武巖纖維技術指標見表1。

表1 玄武巖纖維技術指標

1.2 70#基質瀝青

瀝青采用東海牌70#基質瀝青，具體參數見表2。

表2 70#基質瀝青性能指標

1.3 玄武巖纖維瀝青的制備

將70#基質瀝青在160 ℃的烘箱中加熱至流動狀態(tài)后，稱取0%、1%、3%和5%烘干后的玄武巖纖維加入瀝青中，在恒溫電子烤爐上人工攪拌10 min，使玄武巖纖維在瀝青中初步分散，隨即使用分散攪拌器在170 ℃、轉速為1 000 rad/min的條件下拌和，使玄武巖纖維均勻分散在瀝青中。為防止玄武巖纖維沉淀在瀝青底部，應嚴格控制攪拌時間，攪拌結束后立即澆膜進行試驗。

1.4 試驗方法

軟化點、延度、DSR和BBR試驗按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中相關方法的要求進行。

2 結果分析

2.1 軟化點和延度

軟化點是評價瀝青的基礎指標，在一定程度上，瀝青軟化點的高低決定了瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的強弱。延度則反映瀝青在低溫環(huán)境下的變形能力，是評價瀝青塑性的重要指標[5]。因此。分別對不同玄武巖纖維摻量的瀝青進行軟化點和延度試驗，結果見表3。

表3 各玄武巖纖維摻量下瀝青軟化點

根據表3結果可知，軟化點隨著玄武巖纖維摻量的增加而不斷升高，增長幅度在摻量大于3%后降低，說明玄武巖纖維的加入使瀝青的高溫性能得到了一定程度的上升，但隨摻量的增加，上升趨勢有所下降；延度試驗結果表明，玄武巖纖維的摻入使延度不斷降低，根據復合材料理論和現有研究綜合分析，可能是因玄武巖纖維摻入后，致使瀝青澆膜時應力集中，導致纖維瀝青在低溫環(huán)境下極易產生斷裂，表現出纖維瀝青延度降低的假象，有的延度試驗無法用來衡量纖維瀝青的低溫性能，試驗結果與實際情況存在較大差異。

2.2 DSR

由于瀝青材料的感溫特性，在不同溫度環(huán)境下，瀝青抵抗變形的能力會產生相應的變化。美國為了更好地研究瀝青的高溫粘彈特性，研發(fā)了動態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗設備[6-7]。利用DSR設備可對不同纖維摻量的瀝青進行溫度掃描試驗，分析其復數剪切模量、相位角、車轍因子隨著溫度的變化。已有研究表明，車轍因子可較好地表征瀝青的高溫穩(wěn)定性，車轍因子越大，則說明瀝青在高溫下抵抗變形的能力越好。

本試驗采用DSR流變儀在60 ℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃四種試驗溫度下對不同玄武巖纖維摻量的瀝青進行試驗，分別得到剪切模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ，結果見圖1～圖3。

圖1 DSR復數剪切模量試驗結果

圖2 DSR相位角試驗結果

圖3 DSR車轍因子試驗結果

從圖1～圖3可見，玄武巖摻量和溫度對瀝青高溫特性中的G*、δ及G*/sinδ有顯著影響。隨玄武巖纖維摻量的增加，此3項指標均呈上升趨勢。從圖3中可知，各溫度下瀝青的車轍因子都隨玄武巖纖維摻量的增加而增加，各摻量下瀝青的車轍因子都隨溫度的升高而降低，這說明玄武巖纖維可有效提升瀝青的車轍因子。其中，玄武巖纖維摻量為3%時較為合理，提升幅度最大；在60 ℃環(huán)境下，纖維摻量對瀝青的車轍因子影響顯著，隨著溫度的不斷升高，這種影響不斷降低，在環(huán)境溫度達到75 ℃時，纖維摻量給瀝青車轍因子帶來的影響已經微乎其微。

2.3 BBR

彎曲梁流變試驗(BBR)同樣是由美國提出用以衡量瀝青在低溫環(huán)境下抵抗變形的能力[8-10]。經過國內外大量學者的驗證后發(fā)現，彎曲流變試驗的勁度模量S和蠕變柔量m值可有效反映瀝青的低溫流變性能。普通瀝青可通過延度試驗檢驗其低溫性能，但前文延度試驗表明無法對纖維瀝青進行有效評價。為此，基于BBR的彎曲梁流變試驗，測得不同玄武巖摻量瀝青的勁度模量和蠕變柔量。根據SHRP計劃中規(guī)定，60 s的勁度模量應不大于300 MPa，蠕變柔量應不低于0.3。本試驗是在-12 ℃環(huán)境下對不同纖維摻量瀝青進行BBR試驗，得到60 s時的勁度模量S和蠕變柔量m值，其結果見表4。

表4 不同纖維摻量瀝青彎曲梁流變試驗結果

由表4可知，勁度模量均低于300 MPa，m值均高于0.3，二者均符合SHRP規(guī)定要求。勁度模量S越小，表明瀝青的低溫穩(wěn)定性越好，玄武巖纖維摻量為3%時，勁度模量S最小，此時纖維瀝青的低溫穩(wěn)定性最佳；當纖維摻量增加到5%時，勁度模量S反而增大，說明纖維摻量不宜過多，否則對瀝青性能不增強反而減弱。不同摻量下瀝青的m值均高于0.3，且差異性較小，與勁度模量S相同的是，當纖維摻量為5%時，m值迅速降低，表明低溫性能快速減弱。因此，通過分析綜合勁度模量S和m值可知，玄武巖纖維摻量為3%時對瀝青低溫穩(wěn)定性的提升效果最佳。

3 不同纖維性能對比研究

纖維通常占瀝青混合料的0.2%～0.4%，量少但效果顯著，起到了橋接和加筋的關鍵作用，不同纖維因各自獨特的性能，使其在瀝青及瀝青混合料中所起的作用效果和大小也有所不同[11-12]。為了研究不同纖維自身性能的區(qū)別，從物理性能、熱穩(wěn)定性能和吸油率3個角度對玄武巖纖維、木質素纖維和聚酯纖維3種主流纖維的自身性能進行評價。

玄武巖纖維的原材料為玄武巖，取材方便且環(huán)保，其制作工藝也較為簡易且玄武巖纖維的性能優(yōu)良[13-15]，成為近年來瀝青路面最常用的纖維穩(wěn)定劑，應用前景廣闊；木質素纖維是最突出的植物纖維，取材更加廣泛，因其對瀝青具有良好的吸附性及較低的成本，在瀝青混合料中廣泛應用，特別是用于SMA瀝青混合料中居多，但因其較低的強度和不耐高溫和腐蝕等性能缺陷，致使其很難得到進一步推廣；聚酯纖維作為高分子結構物，具有良好的化學穩(wěn)定性、耐酸和耐腐蝕性，力學性能也較為顯著，但也存在耐堿性、耐摩性和耐高溫性能等較差的缺點。

3.1 物理性能

通過對纖維的物理性能進行測試，試驗結果見表5。

表5 纖維物理性能試驗結果

由表5可知，玄武巖纖維的抗拉強度最高，遠高于木質素纖維和聚酯纖維，是木質素纖維的10倍之多。玄武巖纖維在密度方面也有著絕對的優(yōu)勢，是木質素纖維和聚酯纖維的2倍左右。

3.2 熱穩(wěn)定性

瀝青及瀝青混合料通常在較高的溫度下進行預熱、攪拌和壓實工作但對纖維的高溫穩(wěn)定性有著一定的要求，若纖維的高溫穩(wěn)定性不合格會導致其整體性能大打折扣。因此，有必要對纖維的熱穩(wěn)定性進行研究。

3種纖維各取10 g，放置在180 ℃的烘箱中6 h。取出后稱取其質量，根據公式，質量損失=(加熱前質量-加熱后質量)/加熱前質量×100%計算，可得出質量損失率，結果見表6。

表6 180 ℃纖維熱穩(wěn)定性試驗結果

由表6試驗結果可知，180 ℃高溫下，3種纖維都有一定的質量損失率，但木質素的損失率較大，為24.9%，從烘箱取出的木質素纖維其外觀由原有白色變成了黃色，這些現象都說明了木質素纖維的熱穩(wěn)定性存在著較大的問題。而玄武巖纖維的質量損失極小，僅為2.3%，玄武巖纖維在高溫環(huán)境下外觀沒有產生變化，綜合說明玄武巖纖維具有良好的熱穩(wěn)定性。

3.3 吸油性

稱取烘干的3種纖維各5 g，記為m1，將其分別置入玻璃杯中，加入100 mL煤油并攪拌15 min后靜置5 min。稱取試樣篩質量為m2，將各玻璃杯中的纖維倒入試樣篩，啟動纖維吸油率測定儀，時間為10 min，完成后稱取試樣篩和篩內纖維的總質量為m3，試驗結果見表7。

表7 纖維吸油率試驗結果 g

根據公式吸油率x=(m3-m2-m1)/m1×100%計算，分別可得玄武巖纖維、木質素纖維和聚酯纖維的吸油率分別為56.2%、66.6%和29%。木質素纖維的吸油率較好，植物纖維內部空隙率較大，吸油能力較強。玄武巖纖維的吸油率也較好，雖不及木質素纖維，但相差不大。

3.4 經濟性分析

根據市場實際價格對3種纖維的材料增加成本進行預算分析，按常規(guī)用量設定3種纖維的摻量均為瀝青混合料總質量的0.3%，玄武巖纖維和聚酯纖維致使瀝青用量提升0.2%，木質素纖維致使瀝青用量增加0.3%，據此得出1 t瀝青混合料中3種纖維所增加的成本預算，結果見表8。

由表8可知，每t纖維瀝青混合料所增加的費用約為：聚酯纖維61 元/t、玄武巖纖維40 元/t、木質素纖維26.7 元/t，其余運輸費、人工費和拌和費等費用相似，不作分析比較。結合纖維自身特性，建議采用玄武巖纖維。

表8 纖維經濟性分析

4 結論

1) 軟化點試驗初步驗證了玄武巖纖維具有增強瀝青高溫性能的功效，基于DSR的溫度掃描試驗證明玄武巖纖維可對瀝青高溫穩(wěn)定性進行有效提升，在環(huán)境溫度為60 ℃～70 ℃之間時尤為明顯，溫度大于70 ℃時，玄武巖纖維給瀝青高溫性能帶來的提升不顯著。

2) 延度試驗結果存在較大誤差，結合現有研究發(fā)現延度試驗不適用于對纖維瀝青低溫性能的評價，需要進一步研發(fā)試驗方法；但基于BBR的彎曲梁流變試驗可很好地反映玄武巖纖維對瀝青低溫抗裂性的增強，且當玄武巖纖維摻量為3%時，抗裂效果最佳，摻量高于3%后瀝青的低溫性能呈下降趨勢。

3) 3種纖維自身性能研究表明，玄武巖纖維在各方面都表現出色，具有較好的應用前景；聚酯纖維力學性能和熱穩(wěn)定性良好，但吸油率較低；木質素纖維具有較高的吸油率，但力學性能和熱穩(wěn)定性相比之下較差。因此，在纖維的選擇上應根據工程實際和瀝青種類再結合纖維的具體某一或某些性能進行綜合對比后選擇較佳。