玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青膠漿試驗(yàn)與性能研究

張慶宇，翟曉靜，丁永盛

(1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050035;2.河北蔚縣交通運(yùn)輸局，河北蔚縣 075700)

玄武巖纖維GBF?是采用組分相近的玄武巖高溫熔制而成的一種高性能無(wú)機(jī)纖維。以純天然玄武巖礦石為原料，將礦石破碎后放進(jìn)池窯中，經(jīng)1 450℃ ～1 500℃的高溫熔融后，通過(guò)噴絲拉拔形成連續(xù)纖維。玄武巖纖維和集料屬于同一種材料(大部分都為玄武巖或者石灰?guī)r)，具有天然的與砂漿混凝土和瀝青混凝土的親和力和耐堿性，因此能更有效地參與礦料和瀝青混合料之間的結(jié)合。

1 玄武巖纖維GBF?性能

1.1 玄武巖纖維性能檢測(cè)

1.1.1 密度測(cè)定

精確稱量?jī)煞軬BF?纖維，放置在兩個(gè)400ml的燒杯中。放入真空儀中，進(jìn)行抽真空15min，稱量各項(xiàng)質(zhì)量。從表1中可以看出，GBF?纖維的密度比玄武巖礦石的密度(約3.0)稍小，但遠(yuǎn)大于木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的密度。

表1 玄武巖纖維體積密度測(cè)定

1.1.2 力學(xué)性能

常見(jiàn)路用纖維力學(xué)性能比較見(jiàn)表2，可以看出，相比木質(zhì)素纖維和聚酯纖維，玄武巖纖維具有突出的拉伸強(qiáng)度、較高的彈性模量及適宜的斷裂延伸率。是一種力學(xué)性能較好的加強(qiáng)纖維。

表2 常見(jiàn)路用纖維力學(xué)性能比較

1.1.3 吸持瀝青能力

纖維的吸油性能反映了纖維吸持瀝青的能力。采用網(wǎng)籃試驗(yàn)測(cè)定玄武巖纖維吸油率。纖維吸油率比較見(jiàn)表3，可以看出，玄武巖纖維的吸油率優(yōu)于聚酯纖維，比木質(zhì)素纖維稍低。

表3 纖維吸油率比較

1.1.4 吸濕性能

纖維的吸濕性能對(duì)纖維增強(qiáng)瀝青混凝土具有重要意義。吸濕性大的纖維不僅存放時(shí)易吸水結(jié)團(tuán)降低拌合分散性，還會(huì)使纖維瀝青界面產(chǎn)生濕脹，易造成瀝青混凝土的水損害。纖維含水率比較見(jiàn)表4，可以看出，玄武巖纖維較低的吸水率，有助于減少瀝青路面水損壞。

表4 纖維含水率比較

1.1.5 耐熱性能

熱拌瀝青混凝土生產(chǎn)過(guò)程中必須經(jīng)歷接近200℃的高溫，因此，要求添加的纖維具有一定的熱穩(wěn)定性，保證纖維不會(huì)在拌和、運(yùn)輸及攤鋪施工過(guò)程中出現(xiàn)性能大幅度下降。為評(píng)價(jià)纖維的高溫耐熱性能，將纖維放入200℃烘箱中，放置2 h后觀察纖維顏色變化，見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯?00℃烘箱中放置2 h，木質(zhì)素纖維由灰色變?yōu)樯钭厣?，有明顯的焦糊味;聚酯纖維由白色變?yōu)榈S色，略有糊味;玄武巖纖維顏色無(wú)變化，無(wú)不良?xì)馕丁?/p>

1.2 原材料性能檢測(cè)

采用工程常用的PG等級(jí)為76-22的SBS改性瀝青，按照規(guī)程［1］測(cè)試SBS改性瀝青、玄武巖粗集料、石灰?guī)r細(xì)集料和礦粉等原材料的性能，檢測(cè)原材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

圖1 熱拌瀝青混凝土200℃烘箱老化情況對(duì)比

1.3 混合料級(jí)配

室內(nèi)試驗(yàn)研究采用上面層常用的AC-13C中值級(jí)配和SMA-13級(jí)配，如表5所示。

表5 室內(nèi)混合料用級(jí)配%

2 玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青膠漿性能研究

礦粉∶瀝青為0.8∶1，玄武巖纖維與瀝青質(zhì)量比為0∶1，0.005∶1，0.01∶1，0.015∶1，0.02∶1，0.025∶1，0.03∶1，通過(guò)膠體磨法室內(nèi)制備纖維瀝青膠漿。

2.1 纖維瀝青膠漿室內(nèi)制備

膠體磨也稱勻化機(jī)、勻油機(jī)、混煉磨等，是膠體磨法改性瀝青生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵和核心。膠體磨法的工作原理是通過(guò)高速剪切，制備得到細(xì)密而均勻的改性瀝青，改性劑在基質(zhì)瀝青中呈細(xì)顆粒狀分布，細(xì)度在10 μm以下。本試驗(yàn)采用英國(guó)Silveson公司出產(chǎn)的L4RT型膠體磨制備改性瀝青。

為了避免在膠體磨高速剪切下，纖維被打斷、沿轉(zhuǎn)子軸向爬桿包裹和向膠體底部聚集等現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)有條件綜合考慮，選擇手動(dòng)攪拌法和膠體磨法相結(jié)合的方式制備纖維瀝青膠漿。共混前將礦粉、纖維、攪拌棒(細(xì)鐵棒)和膠體磨轉(zhuǎn)子放入120℃烘箱中，與瀝青同時(shí)加熱1 h。首先使用電熱爐及紅外溫度計(jì)，使瀝青溫度達(dá)到170℃，維持較好的流動(dòng)性;在瀝青中分批量加入玄武巖纖維，手動(dòng)攪拌后再分批量加入礦粉一起攪拌，約10～15min。將初步混合的纖維瀝青膠漿，使用膠體磨持續(xù)高速剪切分散2 h，然后低速攪拌30min，以排除氣泡使玄武巖纖維瀝青膠漿均勻穩(wěn)定。

2.2 纖維瀝青膠漿高溫性能研究

采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)來(lái)評(píng)價(jià)纖維瀝青膠漿的高溫性能，這兩個(gè)試驗(yàn)都在動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR上完成。

不同劑量的改性劑，對(duì)瀝青膠漿的改性效果也不同。同時(shí)，作為黏彈性材料的瀝青膠漿，溫度和頻率對(duì)其力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此，有必要研究瀝青膠漿的力學(xué)性質(zhì)隨玄武巖纖維摻量、溫度和頻率的變化規(guī)律。

2.2.1 纖維摻量對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響

由于生產(chǎn)瀝青膠漿所采用的改性瀝青PG等級(jí)為PG76-22，剪切試驗(yàn)溫度采用76℃，剪切荷載的作用頻率為10 rad/s。相關(guān)研究顯示，采用車轍因子評(píng)價(jià)瀝青膠漿的高溫抗車轍性能時(shí)，相對(duì)于SHRP規(guī)范的G*/sinδ，Lenoble方法的車轍因子G*/tanδ可更準(zhǔn)確反映相位角的改變對(duì)實(shí)際抗車轍能力的影響，采用對(duì)數(shù)表示的lg(G*/sinδ)或lg(G*/tanδ)與瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度具有更好的相關(guān)性。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3。

可以看出:

1)在瀝青膠漿中加入玄武巖纖維，提高車轍因子降低相位角，表明玄武巖纖維的加入可以增加瀝青膠漿黏彈性質(zhì)中的彈性成分，同時(shí)增大剪切模量，改善瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性。

圖2 車轍因子隨纖維摻量變化情況

2)隨著纖維摻量的增加，瀝青膠漿的車轍因子先增大后減小，相位角先減小后增大，在纖維與瀝青的質(zhì)量比達(dá)0.015∶1時(shí)分別達(dá)到峰值和谷值。表明瀝青膠漿中玄武巖纖維的劑量影響著纖維改善膠漿高溫穩(wěn)定的效果，存在劑量的臨界值。

3)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在纖維與瀝青質(zhì)量比高于0.02∶1時(shí)，DSR試驗(yàn)結(jié)果變異性較大，主要是隨纖維產(chǎn)量的增加，纖維在膠漿中的分散性變差，影響膠漿的整體均勻性。

2.2.2 溫度對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響

由于瀝青膠漿屬于粘彈性材料，其粘彈性性質(zhì)必然會(huì)受到溫度變化的影響。以玄武巖纖維與瀝青質(zhì)量比為0∶1與0.015∶1為例，剪切荷載的作用頻率設(shè)定為10 rad/s，研究溫度變化對(duì)瀝青膠漿車轍因子及相位角的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 溫度對(duì)瀝青膠漿的車轍因子與相位角的影響

由圖4可以看出:

1)纖維摻加量0∶1與0.015∶1的瀝青膠漿的車轍因子和相位角隨溫度變化的總體趨勢(shì)相似，說(shuō)明溫度的影響是獨(dú)立的，但摻入纖維可降低瀝青膠漿的溫度敏感性，且隨著溫度升高更加顯著。

2)隨著溫度升高，瀝青膠漿的剪切模量減小，相位角增大。這是由于應(yīng)變控制的DSR試驗(yàn)中，隨溫度升高，膠漿所受的剪應(yīng)力減小。相位角隨溫度升高而增大，表明溫度升高，使膠漿的彈性成分與黏性成分的比值降低。

2.2.3 頻率對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響

圖3 瀝青膠漿高溫車轍指標(biāo)隨纖維摻量變化情況

瀝青路面結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下主要表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)加載效應(yīng)，在不同的荷載作用頻率下，瀝青材料會(huì)呈現(xiàn)出不同的黏彈性質(zhì)。本研究對(duì)摻加0∶1與0.015∶1玄武巖纖維的兩組瀝青膠漿，在76℃條件下，進(jìn)行0.01～100 rad/s荷載作用頻率下的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 荷載頻率對(duì)瀝青膠漿的車轍因子與相位角的影響

由圖5可以看出，瀝青膠漿的車轍因子隨荷載作用頻率的增大而增大，相位角則隨荷載頻率的增大而減小。這說(shuō)明荷載作用頻率越大，則單次荷載作用時(shí)瀝青膠漿與外加荷載的作用時(shí)間越短，瀝青膠漿產(chǎn)生的變形越小，導(dǎo)致剪切模量增大，而變形中的彈性成分增多，降低了膠漿的相位角，增大了瀝青膠漿的車轍因子。

2.3 纖維瀝青膠漿低溫性能研究

為更好地反映瀝青膠漿低溫抗裂性能，采用美國(guó)SHRP中的彎曲梁流變儀通過(guò)測(cè)定瀝青膠漿PAV殘留物在路面低溫設(shè)計(jì)溫度下的蠕變勁度S和蠕變速率m來(lái)反映瀝青結(jié)合料的低溫抗開(kāi)裂能力。

試驗(yàn)期間，位移傳感器監(jiān)視著整個(gè)過(guò)程，在計(jì)算機(jī)屏幕上繪制隨時(shí)間變化的荷載和變形的曲線圖，4 min后，試驗(yàn)荷載自動(dòng)解除，流變儀計(jì)算蠕變勁度和m值。

摻加不同玄武巖纖維劑量的瀝青膠漿，BBR試驗(yàn)中60 s的勁度模量及其變化率趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出:

1)隨玄武巖纖維摻量的增加，瀝青膠漿的勁度模量先減小后緩慢增大，m值先增大后減小。勁度模量及其變化率分別在玄武巖纖維摻量0.015∶1處，出現(xiàn)谷值和峰值。相對(duì)于不加纖維的情況，加入纖維后瀝青膠漿的勁度模量大大降低。這說(shuō)明在瀝青膠漿中摻入玄武巖纖維，可以增強(qiáng)瀝青膠漿的低溫柔性，對(duì)應(yīng)瀝青混合料路面在低溫時(shí)韌性較好，在車輪荷載作用下產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力較小，具有較好的低溫抗裂能力。

圖6 瀝青膠漿的勁度模量及其變化率隨玄武巖纖維摻量變化情況

2)隨著瀝青膠漿中玄武巖纖維摻量的增加，BBR試驗(yàn)結(jié)果變異性越來(lái)越大。當(dāng)纖維與瀝青的質(zhì)量比超過(guò)0.015∶1時(shí)，試驗(yàn)中勁度模量的最小值變化較小。表明，隨纖維摻量增加，纖維在膠漿中的分散均勻性變差，增大了試驗(yàn)結(jié)果的變異性。

2.4 纖維瀝青膠漿疲勞性能研究

瀝青混合料的疲勞是材料在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的強(qiáng)度衰減積累所引起的一種現(xiàn)象。本研究采用SHRP研究的膠結(jié)料老化方法，即采用長(zhǎng)期壓力老化方法，把膠結(jié)料試件暴露到加熱和壓力環(huán)境中，模擬路面在多年使用中的老化。

關(guān)于瀝青膠結(jié)料的抗疲勞性能的研究，目前使用較為成熟的指標(biāo)主要有SHRP瀝青膠結(jié)料規(guī)范中的G*/sinδ評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)玄武巖纖維與瀝青摻量比分別為0∶1，0.005∶1，0.01∶1，0.015∶1，0.02∶1，0.025∶1，0.03∶1的7種瀝青膠漿，PAV老化后，進(jìn)行31℃的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 疲勞開(kāi)裂因子與相位角隨玄武巖纖維摻量變化曲線

由圖7可以看出:

1)隨纖維摻量的增加，瀝青膠漿的相位角明顯降低，表明玄武巖纖維的摻入，提高了瀝青膠漿中的彈性成分。當(dāng)纖維與瀝青的質(zhì)量比超過(guò)0.015∶1時(shí)，繼續(xù)摻加纖維，膠漿的相位角出現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)，表明當(dāng)膠漿中纖維摻量過(guò)多時(shí)，反而會(huì)降低膠漿中的黏彈性成分比例。

2)摻加纖維的瀝青膠漿的疲勞開(kāi)裂因子均大于未加纖維的瀝青膠漿，即降低了膠漿抗疲勞性能，表明基于耗散能量的評(píng)價(jià)方法不適于評(píng)價(jià)摻加纖維改性的瀝青膠漿的抗疲勞性能。

為了更好地研究玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿的抗疲勞性能的影響，對(duì)不同纖維摻量的瀝青膠漿進(jìn)行應(yīng)變水平為3%，加載頻率為10 Hz的25℃條件下的DSR時(shí)間掃描試驗(yàn)，記錄復(fù)數(shù)勁度模量下降到初始模量50%時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)N50，即疲勞壽命，見(jiàn)圖8。

圖8 不同玄武巖纖維摻量的瀝青膠漿的循環(huán)加載次數(shù)N50

由圖8可見(jiàn)，在瀝青膠漿中摻加玄武巖纖維，可提高瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量降低到初始模量50%時(shí)承受的荷載作用次數(shù)，即可延長(zhǎng)瀝青膠漿的疲勞壽命。同時(shí)當(dāng)玄武巖纖維與瀝青的質(zhì)量比達(dá)到0.015∶1時(shí)，纖維對(duì)瀝青膠漿疲勞壽命提高幅度最為顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)玄武巖纖維的成分、密度、力學(xué)性能、瀝青吸持能力及吸濕性能的測(cè)試，證實(shí)了玄武巖纖維具有高吸油率、高強(qiáng)度、高模量、低吸濕性，是一種性能優(yōu)異的路用纖維。

在瀝青膠漿中摻入纖維，可大幅度提高瀝青膠漿的高溫性能，同時(shí)加強(qiáng)瀝青膠漿的韌性，從而提高瀝青膠漿的低溫性能和疲勞性能。同時(shí)纖維的用量對(duì)瀝青膠漿的性能提升也有顯著影響，隨纖維摻量增加，纖維對(duì)瀝青膠漿的改善效果增強(qiáng)，當(dāng)超過(guò)一定的劑量后，改善效果有所降低，因此存在一定的合適劑量。

［1］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG E20—2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］孟勇軍，張肖寧.添加劑對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響［J］.公路交通科技，2006，26(12):14-17.

［3］張智強(qiáng)，周進(jìn)川，饒梟宇.SBS對(duì)基質(zhì)瀝青低溫性能改善效果研究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(3):89-92.