陶瓷纖維的添加對(duì)瀝青流變性能的影響研究

周海成，潘勤學(xué)

(1. 河北雄安新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)服務(wù)中心，河北 保定 071700;2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

由于瀝青路面的維修和養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用不斷增加，人們對(duì)如何提高路面的耐久性進(jìn)行了廣泛的研究。瀝青黏結(jié)劑是瀝青混合料的主要成分之一，其性能對(duì)瀝青混合料的路用性能有著重要影響。改善瀝青黏結(jié)劑的流變性能能提高瀝青混合料的耐久性，從而減少車(chē)轍、低溫開(kāi)裂等各種路面病害。其中采用瀝青改性是提高瀝青流變性能并得到高性能瀝青混合料的方法之一。這項(xiàng)技術(shù)可以改善瀝青黏結(jié)劑的流變性能，從而提高瀝青路面的耐久性。一般來(lái)說(shuō)，瀝青改性可通過(guò)幾種添加劑實(shí)現(xiàn)，其中包括聚合物[1-2]、橡膠[3]、天然材料[4]、納米材料[5]和纖維[6]等。

從1970年開(kāi)始，纖維已經(jīng)被用在道路建設(shè)中作為增強(qiáng)材料[7]。纖維可以根據(jù)來(lái)源分為：有機(jī)纖維、金屬纖維、礦物纖維、玻璃纖維或合成纖維(聚酯，聚丙烯，芳綸等)。纖維可以添加到瀝青中，也可以直接添加到瀝青混合料中，而纖維對(duì)瀝青性能的影響取決于纖維本身的性質(zhì)[8]。近年來(lái)，許多研究集中在不同類(lèi)型的纖維對(duì)改性瀝青黏結(jié)劑流變性能的影響上。例如，劉杰[9]等將鎳鐵渣纖維作為瀝青改性劑，并發(fā)現(xiàn)該纖維可以改善瀝青黏結(jié)劑的高低溫性能。王宏[10]采用聚酯纖維來(lái)提高硬質(zhì)瀝青混合料的韌性和柔性。俞紅光[11]等對(duì)比了玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響，并發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維比其他2種纖維更能改善瀝青混合料的低溫性能。

另外，一些其他纖維對(duì)瀝青混合料影響的研究表明，從水合硅酸鎂礦物加工中獲得的石棉，也被用作瀝青改性劑來(lái)制備瀝青混合料[12]。然而，由于石棉的使用會(huì)造成健康和環(huán)境的影響，這種材料在近幾十年已經(jīng)被禁止。目前，為了減少使用石棉而造成的危害，陶瓷纖維成為替代石棉纖維的安全材料。陶瓷纖維是一種硅酸鋁纖維耐火材料，它的制備通常是在電弧爐中熔化和吹制高嶺土熔體、氧化鋁與硅粉[13]。陶瓷纖維外觀(guān)呈白色，具有重量輕、優(yōu)越的絕熱性和熱穩(wěn)定性。

迄今為止，陶瓷纖維已經(jīng)被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)，包括鋼鐵行業(yè)、有色金屬行業(yè)和石化行業(yè)等。然而關(guān)于陶瓷纖維在瀝青黏結(jié)劑中應(yīng)用的研究依舊很少。因此，本文研究了這種傳統(tǒng)耐火性纖維對(duì)瀝青流變性能的影響，該纖維是改善瀝青混合料流變性能較理想的添加劑。在本研究中，制備了3種不同摻量2%、4%和6%的陶瓷纖維改性瀝青，做了一系列性能試驗(yàn)，如針入度、軟化點(diǎn)、延度和SHRP試驗(yàn)。其中SHRP試驗(yàn)包括旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(RV)、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)、壓力老化儀(PAV)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)硅酸鋁纖維改性瀝青進(jìn)行了彎曲梁流變儀(BBR)和紅外光譜測(cè)試。最后，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)和間接拉伸疲勞試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證黏結(jié)劑特性試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

70號(hào)道路石油基質(zhì)瀝青由山東博恒經(jīng)貿(mào)有限公司提供，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of asphalt

本研究使用的陶瓷纖維是由Sepid陶瓷纖維公司生產(chǎn)，屬于含有大量的氧化鋯的陶瓷纖維，其陶瓷纖維技術(shù)指標(biāo)如下：最大工作溫度為1 400 ℃，安全工作溫度為1 350 ℃，纖維直徑為2.5 μm，纖維長(zhǎng)度為20 mm，密度為80 kg/m3。

1.2 改性瀝青制備

首先，為了確保纖維充分干燥并能保證剪切溫度，在烘箱中以160 ℃的溫度加熱24 h。然后，將2%、4%和6%的陶瓷纖維分批且緩慢地添加到基質(zhì)瀝青中。在160 ℃的加熱條件下，采用高速剪切儀以1 500 r/min的剪切速率對(duì)試樣剪切約45 min。在纖維與基質(zhì)瀝青的混合過(guò)程中，由于溫度和剪切條件的影響，改性瀝青試樣會(huì)發(fā)生老化。為了模擬控制老化對(duì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果的影響，并比較相同條件下的瀝青試驗(yàn)結(jié)果，基質(zhì)瀝青也在160 ℃的加熱條件下以1 500 r/min的剪切速率剪切約45 min。

1.3 級(jí)配與油石比

瀝青黏結(jié)劑作為瀝青混合料的主要成分之一，其性能可以作為評(píng)價(jià)瀝青混合料性能的合適指標(biāo)，但在某些情況下，可能會(huì)有不同的結(jié)果。在本文，以石灰石作為集料制備瀝青混合料，選擇AC-13型瀝青混合料級(jí)配，如圖1所示。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定基質(zhì)瀝青混合料的油石比為5.0%，而改性瀝青混合料的油石比為5.5%。

圖1 AC-13級(jí)配Figure 1 AC-13 grading

1.4 試驗(yàn)方法

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)對(duì)基質(zhì)瀝青和陶瓷纖維改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀來(lái)評(píng)價(jià)陶瓷纖維改性瀝青的高低溫性能。為了評(píng)價(jià)瀝青混合料的車(chē)轍性能，采用了瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)。車(chē)轍板的尺寸為300 mm × 300 mm × 50 mm。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0719，車(chē)轍試驗(yàn)的測(cè)試溫度為60 ℃且輪壓為0.7 MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 軟化點(diǎn)

由圖1可以看出與基質(zhì)瀝青相比，添加陶瓷纖維提高了改性瀝青的軟化點(diǎn)，這表明改性瀝青中纖維摻量越高，其對(duì)溫度變化的敏感性越低。換句話(huà)說(shuō)，陶瓷改性瀝青對(duì)溫度變化的敏感性低于基質(zhì)瀝青。這種性能增強(qiáng)可以從兩個(gè)方面來(lái)解釋?zhuān)簞偠仍鰪?qiáng)和熱量隔離作用。一方面，陶瓷纖維存在于瀝青中起到加筋作用，與瀝青基體形成了交聯(lián)骨架，使得瀝青黏結(jié)劑強(qiáng)度增加。在相同的溫度下，與基質(zhì)瀝青相比陶瓷纖維改性瀝青不會(huì)發(fā)生高溫變形。另一方面，由于陶瓷纖維是一個(gè)耐火絕熱性材料，陶瓷改性瀝青的熱力學(xué)常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而降低了瀝青黏結(jié)劑對(duì)溫度變化的敏感性。

圖2 陶瓷纖維對(duì)瀝青軟化點(diǎn)影響Figure 2 Effect of ceramic fiber on softening point of asphalt

2.2 針入度

從圖3可以看出，增加陶瓷纖維摻量會(huì)降低瀝青混合料的針入度。在瀝青中添加2%的陶瓷纖維，改性瀝青的針入度顯著降低，由71(0.1 mm)降低到52(0.1 mm)。隨著陶瓷纖維摻量的增加，瀝青的針入度沒(méi)有顯著變化。這說(shuō)明陶瓷纖維的加入提高了瀝青的剛度，使瀝青在相同應(yīng)力下承受的應(yīng)變較小。

圖3 陶瓷纖維對(duì)瀝青針入度影響Figure 3 Effect of ceramic fiber on penetration of asphalt

2.3 延度

從圖4可以看出，陶瓷纖維的加入增加了瀝青的剛度，并顯著降低了其延度。造成這種現(xiàn)象的原因是瀝青與陶瓷纖維之間的黏結(jié)性降低，同時(shí)陶瓷纖維對(duì)瀝青的吸附性能降低了瀝青的延度。因此，在拉伸應(yīng)力的作用下，含有陶瓷纖維的瀝青會(huì)容易發(fā)生斷裂。因此，陶瓷纖維改性瀝青不適合寒冷地區(qū)。

圖4 陶瓷纖維對(duì)瀝青延度影響Figure 4 Effect of ceramic fiber on asphalt ductility

2.4 黏度

從圖5可以看出，陶瓷纖維的添加提高了瀝青的黏度。黏度的增加是由于纖維對(duì)瀝青輕質(zhì)組分的吸收導(dǎo)致瀝青基體和纖維之間的黏結(jié)。此外，瀝青中纖維的作用與骨架作用相同，在相同的測(cè)試溫度下，纖維增加了瀝青的剛度。同時(shí)陶瓷纖維的添加提高了混合料施工拌和溫度，從而降低了施工和易性。與基質(zhì)瀝青相比，摻量為2%和4%陶瓷纖維的改性瀝青分別提高了107%和190%。而添加6%的陶瓷纖維對(duì)瀝青的黏度有顯著的影響，超過(guò)了規(guī)范值3 Pa·s。因此，添加4% 陶瓷纖維能滿(mǎn)足施工和易性。

圖5 陶瓷纖維對(duì)瀝青黏度影響Figure 5 Effect of ceramic fiber on asphalt viscosity

2.5 多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)陶瓷纖維改性瀝青的高溫性能，使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行了多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)。MSCR的測(cè)試溫度為60 ℃，測(cè)試的瀝青均是經(jīng)過(guò)RTFO短期老化以后的試樣。改性瀝青和基質(zhì)瀝青的MSCR測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6和圖7為4種瀝青在0.1 kPa和3.2 kPa下的恢復(fù)率(R)和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)。Jnr能反映瀝青的抗車(chē)轍變形能力，而R能反映彈性恢復(fù)性能。Jnr越小而R越高的瀝青具有較好的抗車(chē)轍性能和較好的彈性。

圖6 在0.1 kPa下MSCR試驗(yàn)結(jié)果Figure 6 MSCR test results at 0.1 kPa

圖7 在3.2 kPa下MSCR試驗(yàn)結(jié)果Figure 7 MSCR test results at 3.2 kPa

從圖6和圖7中可以看出，隨著加載應(yīng)力的增大，Jnr增大，R減小，說(shuō)明低應(yīng)力水平有利于瀝青路面的永久變形抗力。在0.1 kPa的加載應(yīng)力水平下，經(jīng)摻量為2%、4%和6%陶瓷纖維改性的瀝青比基質(zhì)瀝青分別提高了4.8%、30.9%和37.5%。在3.2 kPa的加載應(yīng)力水平下，經(jīng)摻量為2%、4%和6%陶瓷纖維改性的瀝青比基質(zhì)瀝青分別提高了4.8%、30.9%和37.5%。換言之，陶瓷纖維改性瀝青的彈性恢復(fù)率要優(yōu)于基質(zhì)瀝青。如圖6所示，陶瓷纖維改性瀝青的Jnr低于基質(zhì)瀝青的Jnr。在0.1 kPa的加載應(yīng)力水平下，經(jīng)摻量為2%、4%和6%陶瓷纖維改性的瀝青比基質(zhì)瀝青分別提高了4.8%、30.9%和37.5%。在3.2 kPa的加載應(yīng)力水平下，經(jīng)摻量為2%、4%和6%陶瓷纖維改性的瀝青比基質(zhì)瀝青分別提高了4.8%、30.9%和37.5%?？偟膩?lái)說(shuō)，陶瓷纖維能增強(qiáng)瀝青在高溫下的永久變形抗力。

2.6 低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

寒冷地區(qū)的瀝青路面在快速的溫度變化過(guò)程中會(huì)發(fā)生低溫開(kāi)裂。當(dāng)路面收縮時(shí)，張力開(kāi)始在瀝青路面層中聚集。如果收縮發(fā)生得非?？欤瑥埩?huì)累積，最終超過(guò)瀝青路面釋放應(yīng)力的能力。采用長(zhǎng)期老化(PAV)來(lái)模擬路面在其使用壽命期間的老化。通過(guò)彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)研究了陶瓷纖維對(duì)瀝青低溫抗裂性能的影響。然后，在-12 ℃的測(cè)試溫度下對(duì)長(zhǎng)期老化的瀝青試樣進(jìn)行測(cè)試，圖8為BBR試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 BBR試驗(yàn)結(jié)果Figure 8 BBR test results

圖8結(jié)果表明，陶瓷纖維改性瀝青具有比基質(zhì)瀝青更高的蠕變剛度。在基質(zhì)瀝青中添加2%陶瓷纖維后，瀝青的蠕變剛度從60 MPa提高到130 MPa。隨著陶瓷纖維摻量的增加，改性瀝青的蠕變剛度有所降低。陶瓷纖維在瀝青加載過(guò)程中吸收了部分應(yīng)力，提高了其抗蠕變能力。根據(jù)Superpave瀝青規(guī)范，蠕變剛度不超過(guò)300 MPa，而陶瓷纖維改性瀝青在允許范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求。

相反，陶瓷纖維的添加降低了瀝青的m值，即蠕變剛度和時(shí)間曲線(xiàn)的斜率。陶瓷纖維改性瀝青的剛度變化率隨時(shí)間的增加而減小，這可以歸因于瀝青中陶瓷纖維的存在增大了瀝青的蠕變阻力。在60 s內(nèi)測(cè)量m值時(shí)，根據(jù)Superpave的規(guī)范，m值必須大于等于0.3?？梢园l(fā)現(xiàn)陶瓷纖維改性瀝青不符合規(guī)范要求。

2.7 紅外光譜試驗(yàn)

為了分析陶瓷纖維與基質(zhì)瀝青之間可能存在的相互作用，對(duì)基質(zhì)瀝青和陶瓷纖維改性瀝青進(jìn)行了紅外光譜(FTIR)試驗(yàn)。圖9為基質(zhì)瀝青和陶瓷纖維改性瀝青的FTIR譜圖。

圖9 FTIR試驗(yàn)結(jié)果Figure 9 FTIR test results

由圖9可知，基質(zhì)瀝青的光譜圖與陶瓷纖維改性瀝青的相似。2 920 cm-1的吸收峰是亞甲基的C-H不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)引起。在2 845 cm-1處觀(guān)察到的吸收峰對(duì)應(yīng)于甲基的C-H對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。在1 597 cm-1處的吸收峰是由C=C伸縮振動(dòng)引起的，而在1 450和1 380 cm-1處的峰是由甲基的C-H彎曲振動(dòng)引起的。在1 030 cm-1處觀(guān)察到亞砜基團(tuán)的S=O鍵伸縮振動(dòng)。在870、810和755 cm-1處的吸收峰值是由芳烴的C-H彎曲振動(dòng)引起的。總的來(lái)說(shuō)，與基質(zhì)瀝青相比，陶瓷纖維改性瀝青沒(méi)有出現(xiàn)新的吸收峰，可以推斷陶瓷纖維與瀝青基體的混合是一個(gè)物理過(guò)程。

2.8 車(chē)轍試驗(yàn)

車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明陶瓷纖維對(duì)瀝青混合料的抗車(chē)轍性能有一定的影響。隨著瀝青混合料中陶瓷纖維摻量的增加，最大車(chē)轍深度減小。車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了SHRP試驗(yàn)的結(jié)果，表明瀝青混合料的抗車(chē)轍能力有所提高。在承載載荷作用下纖維能使得瀝青的黏度增加，從而使得瀝青混合料強(qiáng)度的提高，是造成改性瀝青高溫性能提升的主要原因。

圖10 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Figure 10 Rutting test results

3 結(jié)語(yǔ)

a.瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷纖維改性瀝青的溫度敏感性較低，抗開(kāi)裂性能較強(qiáng)，但不適合低溫條件下使用。

b.陶瓷纖維能增加瀝青混合料抗車(chē)轍變形能力，因?yàn)樵跒r青混合料中使用這種纖維能增加瀝青的剛度和彈性性能。

c.陶瓷纖維增加了瀝青的蠕變剛度，而降低了其蠕變速度。

d.根據(jù)瀝青與其混合料的試驗(yàn)結(jié)果，4%陶瓷纖維可以作為改性瀝青的最佳摻量。