陶瓷纖維瀝青混合料路用性能及改性機理分析

王修山，周恒宇，張小元，凡濤濤

(1. 浙江理工大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310018； 2. 石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043)

0 引 言

瀝青路面在重載和高溫耦合作用下容易出現(xiàn)車轍變形，此外開裂、坑槽、松散、剝落等問題也會影響瀝青路面的正常使用[1-2]。為解決這些問題，工程界通常采用聚合物改性和纖維改性等方法來減少瀝青路面的病害，但聚合物改性價格較昂貴且施工復雜，相比之下纖維改性更加方便適用，故受到了更多的關(guān)注[3-5]。近年來，聚酯纖維、鋼纖維、礦物纖維等都應用于工程試驗中，但仍有缺陷，比如木質(zhì)素纖維吸附性較好，但力學穩(wěn)定性差；聚酯纖維力學性能雖然優(yōu)良，但耐熱性不理想；石棉纖維會對身體健康造成損害，目前已被限制使用[6-8]。

陶瓷纖維是由硬質(zhì)黏土熟料經(jīng)高溫熔融，再用高速氣流噴吹形成的連續(xù)纖維，具有耐腐蝕、容重輕、抗機械振動、價格低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點[9]。此外，陶瓷纖維還是一種優(yōu)良的耐火隔熱材料，其工作溫度可達1 000～1 600 ℃，被廣泛應用于機械生產(chǎn)、電子器械、混凝土工程等行業(yè)，是替代石棉纖維的新型材料[10-12]。馬一平等[13]使用陶瓷纖維改善硅酸鹽水泥的力學強度和耐久性能，其抗彎強度、抗沖擊增韌效果、抗凍融性和耐久性都顯著提升；蘇灝揚等[14-16]通過分離式霍普金森壓桿試驗裝置研究了陶瓷纖維改性水泥混凝土的力學效應，表明陶瓷纖維可提升水泥混凝土的韌性和強度，并基于動態(tài)力學效應建立了動態(tài)統(tǒng)計損傷本構(gòu)模型；任偉波等[17]研究了陶瓷纖維增強地聚合物混凝土，得出加入陶瓷纖維可提升地聚合物混凝土高溫性能的結(jié)論。

以上研究證實了陶瓷纖維增強水泥混凝土材料的優(yōu)異性能，近年來關(guān)于陶瓷纖維改性瀝青及混合料的研究也開始出現(xiàn)。WAN Jiuming等[18]通過動態(tài)剪切流變試驗表明：陶瓷纖維可使瀝青膠漿高溫性能顯著增強，并通過掃描電鏡和原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)陶瓷纖維在瀝青膠漿中具有良好的分散性；M.ARABANI等[19]研究了陶瓷纖維改性瀝青膠漿的高低溫性能，結(jié)果表明：加入陶瓷纖維可提高瀝青膠漿的高溫性能，但會使其低溫性能略微下降；M.ARABANI等[20]通過間接拉伸試驗和單軸動態(tài)蠕變試驗對陶瓷纖維改性瀝青混合料抗疲勞性能和抗永久變形能力進行了研究，結(jié)果表明：加入陶瓷纖維可提高瀝青混合料的抗永久變形能力和疲勞壽命，并建議陶瓷纖維用量(與瀝青的質(zhì)量比)為3%。

綜上，現(xiàn)有研究主要是針對陶瓷纖維改性瀝青膠漿，對陶瓷纖維改性瀝青混合料路用性能的研究較少?；诖?，筆者通過室內(nèi)試驗對陶瓷纖維改性瀝青混合料的路用性能進行評價，并結(jié)合SEM電鏡試驗觀察陶瓷纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)，探究陶瓷纖維對瀝青混合料的增強機理。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

瀝青為浙江正方交通建設(shè)有限公司提供的70#基質(zhì)瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標見表1；集料為產(chǎn)自浙江省蘭溪市的石灰?guī)r，壓碎值為21.4%，洛杉磯磨耗損失為19.7%；礦粉由石灰?guī)r粉磨加工而成，表觀相對密度為2.682。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標Table 1 Performance index of 70# base asphalt

纖維為河北某礦產(chǎn)品加工廠提供的含鋯型陶瓷纖維，纖維外觀及微觀形貌如圖1，性能指標見表2。陶瓷纖維導熱系數(shù)低，力學性能穩(wěn)定，由于纖維過長易纏繞結(jié)團，因此選取長度為2～4 mm的纖維用于本次試驗。由圖1可看出，纖維形狀為均勻細長的圓柱狀，長徑比較大，纖維之間分散性較好，多以單束形式分布。

圖1 陶瓷纖維外觀及微觀形貌Fig. 1 Appearance and microstructure of ceramic fibers

表2 陶瓷纖維的性能指標Table 2 Performance index of ceramic fiber

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設(shè)計

瀝青混合料選用AC-13礦料級配，見表3。通過馬歇爾試驗確定不同纖維摻量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)相應的最佳油石比分別為5.10%、5.19%、5.26%、5.33%、5.38%、5.40%，最佳油石比下的各項馬歇爾試驗指標如表4。

表3 AC-13礦料級配Table 3 AC-13 mineral aggregate gradation

表4 馬歇爾試驗指標Table 4 Marshall test indexes

1.2.2 瀝青混合料制備

在確定最佳瀝青用量后，考慮到濕法制備瀝青混合料工序復雜且要求較高，易造成纖維拌合不均勻，因此選用干法制備改性瀝青混合料。按比例分別稱取一定質(zhì)量的集料、纖維和瀝青，集料在拌合過程前要在160 ℃烘箱中放置12 h，分3次攪拌，先將集料和纖維一起攪拌，然后依次倒入瀝青和礦粉，瀝青要保證溫度在160 ℃左右，每次拌合90 s，最后得到均勻混合料。

1.2.3 路用性能試驗

參考文獻[21]，通過電動馬歇爾擊實儀和輪碾成型機成型的直徑為101.6 mm、高度為63.5 mm的馬歇爾試件和300×300×50 mm的車轍試件分別用于水穩(wěn)定性試驗和車轍試驗；將車轍試件切割為250×30×35 mm的長方體小梁，用于低溫彎曲試驗。

1.2.4 微觀形貌觀測

為從細觀尺度分析陶瓷纖維改性瀝青混合料的機理，利用日本電子JSM-5610LV掃描電鏡觀察陶瓷纖維瀝青混合料微觀形貌，從試件斷裂面處切割出約為1 cm3的立方體試樣，考慮到試樣不具有導電性，試驗前使用日本電子JFC-1600型離子濺射儀將試樣于10 mA電流下噴金60 s。

2 路用性能試驗結(jié)果

2.1 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗所用儀器為STCZ-1型車轍試驗機，試驗結(jié)果如圖2。由圖2可看出：隨著陶瓷纖維摻量增加，混合料動穩(wěn)定度不斷升高，在纖維摻量由0.2%增加到0.3%時，動穩(wěn)定度的提升幅度約為9.0%；而纖維摻量由0.4%增加到0.5%時，動穩(wěn)定度增長幅度僅為1.9%，可見當纖維摻量超過一定量后對動穩(wěn)定度提升已不明顯。在加入0.5%的陶瓷纖維時，動穩(wěn)定度達到最大值，相比未摻纖維瀝青混合料提高約27.3%。

圖2 車轍試驗結(jié)果Fig. 2 Rutting test results

瀝青路面對高溫環(huán)境較為敏感，在荷載耦合作用時易發(fā)生車轍變形。這是因為主要起膠結(jié)作用的瀝青膠漿在高溫影響下黏性會降低、流動性升高，對集料束縛力減弱，因此瀝青膠漿品質(zhì)是決定瀝青混合料高溫性能的主要因素。陶瓷纖維具有較大的比表面積，可供大量瀝青覆蓋在纖維表面，使自由瀝青轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)瀝青，瀝青膠漿溫度敏感性降低，軟化點升高[18-19]，在高溫環(huán)境下依然能保持一定的黏性和穩(wěn)定性。同時，陶瓷纖維力學性能優(yōu)良，在混合料中通過相互搭連形成三維網(wǎng)狀體系，能限制礦質(zhì)顆粒的相對滑移，使混合料不易發(fā)生較大變形。此外，陶瓷纖維作為一種新型熱阻材料，具有較低的導熱系數(shù)，在高溫環(huán)境下可阻礙熱量在混合料中的傳遞，降低了高溫對混合料內(nèi)部影響[22]。

2.2 水穩(wěn)定性

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料水穩(wěn)定性和力學性能。儀器為STM-5型馬歇爾穩(wěn)定度試驗儀，其結(jié)果如圖3～圖4。

圖3為不同纖維摻量下的馬歇爾穩(wěn)定度(MS)、浸水后的馬歇爾穩(wěn)定度(MS1)和浸水殘留穩(wěn)定度(MS0)。由圖3可看出：試件在浸水后MS1相比MS大幅下降，由于水分滲透和侵蝕削弱了瀝青膠漿與礦料之間的黏結(jié)力，在受力作用下發(fā)生剝落，從而加速了瀝青混合料破壞，導致浸水后的穩(wěn)定度降低。加入陶瓷纖維后瀝青混合料的MS、MS1、MS0均提升，當纖維摻量為0.4%時，各項指標提升效果最好，MS相比未摻纖維瀝青混合料提高約17.5%，MS0提高約6.4%。當纖維摻量超過0.4%時，MS、MS1、MS0開始下降，但仍高于未摻纖維瀝青混合料。

圖3 浸水殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig. 3 Results of immersion residual stability test

圖4為凍融劈裂試驗結(jié)果。其中：RT1、RT2和TSR分別代表瀝青混合料劈裂強度、凍融后劈裂強度和凍融劈裂強度比。由圖4可看出：在經(jīng)過凍融循環(huán)后，RT2相比RT1大幅下降，由于飽水試樣置于低溫環(huán)境中，孔隙中的液體冷凝結(jié)冰，體積膨脹導致內(nèi)部孔隙開裂，使凍融后的強度降低。隨著纖維摻量增加，RT1、RT2、TSR呈先增加后降低的變化規(guī)律，在纖維摻量為0.4%時達到峰值，相比未摻纖維瀝青混合料，TSR提高約8.8%，RT1提高約20.2%，與浸水馬歇爾試驗結(jié)果基本一致。

圖4 凍融劈裂試驗結(jié)果Fig. 4 Results of freeze-thaw split test

由水穩(wěn)定性試驗結(jié)果可知：加入陶瓷纖維有助于提升瀝青混合料的物理力學性能和水穩(wěn)定性能。瀝青膠漿與陶瓷纖維間的浸潤作用使界面強度增強，提高了瀝青膠漿的黏性[20]，使其牢牢裹覆在礦料之上，并增加了瀝青膜厚度，可防止水分進入瀝青與礦料界面，使二者之間的抗剝落性提升；此外，摻入纖維可減小內(nèi)部間隙，孔隙率減小意味著混合料更加密實，連通孔隙數(shù)量變少，液體在混合料中難以流動，滲透效果減弱。但纖維量過多會使分散性變差，易發(fā)生堆疊纏繞，導致混合料孔隙增大，從而降低了混合料水穩(wěn)定性。

2.3 低溫抗裂性

通過MTS液壓伺服萬能材料試驗機進行低溫彎曲試驗，圖5顯示了不同陶瓷纖維摻量下瀝青混合料的最大彎拉應變。由圖5可看出：當陶瓷纖維摻量低于0.4%時，隨著纖維含量增多，混合料最大彎拉應變逐漸增大；纖維量為0.4%時，最大彎拉應變達到峰值，相比未摻纖維瀝青混合料提升約9.6%。隨著纖維量進一步增加，混合料最大彎拉應變開始下降，因為過多的纖維會導致分散性變差，不易形成對性能提升有利結(jié)構(gòu)。

圖5 低溫彎曲試驗結(jié)果Fig. 5 Results of bending test at low temperature

瀝青路面出現(xiàn)開裂主要是因為礦料間接觸面發(fā)生拉裂破壞，瀝青混合料是由瀝青膠漿黏結(jié)礦料形成的整體，故礦料間接觸面強度主要受瀝青膠漿影響。研究表明：在瀝青膠漿中加入陶瓷纖維可提升其勁度和黏性[20]，所以改性后的瀝青膠漿具有一定韌性，且與礦料之間的作用力提升，不易發(fā)生拉裂破壞。此外，陶瓷纖維力學穩(wěn)定性好，在混合料中可起加筋強化作用，通過搭接形成三維網(wǎng)絡(luò)狀體系，能分散和傳遞外部荷載引起的應力，避免因應力集中而出現(xiàn)開裂破壞，并且阻止裂紋擴展。

3 微觀形貌觀測與機理分析

為進一步分析陶瓷纖維對瀝青混合料的增強機理，利用SEM掃描電鏡觀察陶瓷纖維瀝青混合料斷裂面處微觀形貌，如圖6～圖9。

由圖6(a)、圖6(b)可看出：陶瓷纖維為細長的柱體結(jié)構(gòu)，長徑比大，可吸附部分瀝青，并且纖維和瀝青之間浸潤性較好，瀝青裹覆在纖維表面形成一定厚度的瀝青膜，能將自由瀝青轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)瀝青。由圖6(c)看到：纖維根部與瀝青緊密黏結(jié)，接觸部分呈突起狀，類似嵌鎖作用約束瀝青，增強了纖維與瀝青間作用力；分析可知：陶瓷纖維通過吸附作用使結(jié)構(gòu)瀝青含量增多，由于結(jié)構(gòu)瀝青更加穩(wěn)定，溫度敏感性低，故提高了混合料高溫性能[23]。由圖6(d)看到：纖維附近分布的礦料緊密黏聚在一起，而沒有纖維分布的區(qū)域礦料則較為松散，表明纖維吸附的瀝青黏性更強，與礦料間存在較強作用力，在受到水損侵蝕和重復荷載時不易分離，使混合料的水穩(wěn)定性和耐久性增強。

圖6 陶瓷纖維的吸附作用Fig. 6 Adsorption of ceramic fibers

圖7為瀝青混合料裂縫的SEM示意。其中：圖7(a)為未加纖維的瀝青混合料，圖7(b)為加入陶瓷纖維的瀝青混合料。通過對比可見，未加纖維瀝青混合料的裂縫較大，延伸度較長，縫隙間沒有任何連接，僅靠上下端瀝青黏結(jié)作用維持整體穩(wěn)定，使裂縫在擴張過程中不會受到太大阻力，易發(fā)展成較大裂縫。加入陶瓷纖維后，纖維在混合料中橋接縫隙，可延緩裂紋的擴展，因此縫隙較小。由于陶瓷纖維抗拉強度高，外形細長，因此在瀝青混合料中起到類似鋼筋加固混凝土的作用。

圖7 瀝青混合料的裂縫Fig. 7 Cracks of asphalt mixture

圖8為瀝青混合料破壞面處纖維示意。由圖8可看出：破壞面處的陶瓷纖維部分埋于瀝青混合料中，裸漏部分的纖維端口發(fā)生斷裂但是并未拔出，說明纖維主要損傷是瀝青混合料在拉應力作用下的拉伸斷裂而不是從中剝落，表明纖維與瀝青之間結(jié)合強度高，纖維可承擔由瀝青傳遞的拉應力，并發(fā)揮一定的阻裂作用[24-25]。

圖8 瀝青混合料破壞面處纖維Fig. 8 Fiber at the damage interface of asphalt mixture

圖9為陶瓷纖維的搭接作用示意。由圖9(a)看出：陶瓷纖維在瀝青混合料中隨機分布，纖維之間相互搭接形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀體系，當受到外力作用時纖維可分散和傳遞應力，使應力分布更加均勻，避免內(nèi)部因應力集中而出現(xiàn)開裂破壞[26]。由圖9(b)可見：纖維的搭接對礦料起到“捆綁”作用，纖維因受力出現(xiàn)彎曲變形，與礦料間相互擠壓，隨著受力增加二者之間摩擦力增大，使瀝青混合料的內(nèi)摩擦角提升，約束了礦質(zhì)顆粒位移，使瀝青混合料的抗變形能力和疲勞壽命增強[27]。

圖9 陶瓷纖維的搭接作用Fig. 9 Overlap of ceramic fibers

4 結(jié) 論

通過對不同摻量陶瓷纖維改性瀝青混合料的路用性能進行評價，并從微觀尺度分析其改性機制，得到如下結(jié)論：

1)加入陶瓷纖維對瀝青混合料高溫性能和物理力學性能的提升較明顯，相比未摻纖維瀝青混合料，動穩(wěn)定度提高約27.3%，馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強度分別提高約17.5%和20%。

2)陶瓷纖維改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性和低溫性能有小幅增強，其中浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比相比未摻纖維瀝青混合料分別提高約6.4%和8.8%，破壞彎拉應變提高約9.6%。

3)分析試驗結(jié)果可知：加入0.4%的陶瓷纖維對各項路用性能的提升效果最好，因此以0.4%陶瓷纖維作為改性瀝青混合料的最佳摻量。

4)根據(jù)SEM試驗觀察到陶瓷纖維通過吸附增黏、加筋阻裂和搭接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等作用改性瀝青混合料，從微觀角度解釋了加入陶瓷纖維后宏觀路用性能提升的原因。