玄武岩纤维增强沥青胶浆试验与性能研究

张庆宇，翟晓静，丁永盛

(1.河北交通职业技术学院，河北石家庄 050035;2.河北蔚县交通运输局，河北蔚县 075700)

玄武岩纤维GBF®是采用组分相近的玄武岩高温熔制而成的一种高性能无机纤维。以纯天然玄武岩矿石为原料，将矿石破碎后放进池窑中，经1 450℃ ～1 500℃的高温熔融后，通过喷丝拉拔形成连续纤维。玄武岩纤维和集料属于同一种材料(大部分都为玄武岩或者石灰岩)，具有天然的与砂浆混凝土和沥青混凝土的亲和力和耐碱性，因此能更有效地参与矿料和沥青混合料之间的结合。

1 玄武岩纤维GBF®性能

1.1 玄武岩纤维性能检测

1.1.1 密度测定

精确称量两份GBF®纤维，放置在两个400ml的烧杯中。放入真空仪中，进行抽真空15min，称量各项质量。从表1中可以看出，GBF®纤维的密度比玄武岩矿石的密度(约3.0)稍小，但远大于木质素纤维和聚酯纤维的密度。

表1 玄武岩纤维体积密度测定

1.1.2 力学性能

常见路用纤维力学性能比较见表2，可以看出，相比木质素纤维和聚酯纤维，玄武岩纤维具有突出的拉伸强度、较高的弹性模量及适宜的断裂延伸率。是一种力学性能较好的加强纤维。

表2 常见路用纤维力学性能比较

1.1.3 吸持沥青能力

纤维的吸油性能反映了纤维吸持沥青的能力。采用网篮试验测定玄武岩纤维吸油率。纤维吸油率比较见表3，可以看出，玄武岩纤维的吸油率优于聚酯纤维，比木质素纤维稍低。

表3 纤维吸油率比较

1.1.4 吸湿性能

纤维的吸湿性能对纤维增强沥青混凝土具有重要意义。吸湿性大的纤维不仅存放时易吸水结团降低拌合分散性，还会使纤维沥青界面产生湿胀，易造成沥青混凝土的水损害。纤维含水率比较见表4，可以看出，玄武岩纤维较低的吸水率，有助于减少沥青路面水损坏。

表4 纤维含水率比较

1.1.5 耐热性能

热拌沥青混凝土生产过程中必须经历接近200℃的高温，因此，要求添加的纤维具有一定的热稳定性，保证纤维不会在拌和、运输及摊铺施工过程中出现性能大幅度下降。为评价纤维的高温耐热性能，将纤维放入200℃烘箱中，放置2 h后观察纤维颜色变化，见图1。可以看出，在200℃烘箱中放置2 h，木质素纤维由灰色变为深棕色，有明显的焦糊味;聚酯纤维由白色变为淡黄色，略有糊味;玄武岩纤维颜色无变化，无不良气味。

1.2 原材料性能检测

采用工程常用的PG等级为76-22的SBS改性沥青，按照规程［1］测试SBS改性沥青、玄武岩粗集料、石灰岩细集料和矿粉等原材料的性能，检测原材料的各项技术指标均满足规范要求。

图1 热拌沥青混凝土200℃烘箱老化情况对比

1.3 混合料级配

室内试验研究采用上面层常用的AC-13C中值级配和SMA-13级配，如表5所示。

表5 室内混合料用级配%

2 玄武岩纤维增强沥青胶浆性能研究

矿粉∶沥青为0.8∶1，玄武岩纤维与沥青质量比为0∶1，0.005∶1，0.01∶1，0.015∶1，0.02∶1，0.025∶1，0.03∶1，通过胶体磨法室内制备纤维沥青胶浆。

2.1 纤维沥青胶浆室内制备

胶体磨也称匀化机、匀油机、混炼磨等，是胶体磨法改性沥青生产设备的关键和核心。胶体磨法的工作原理是通过高速剪切，制备得到细密而均匀的改性沥青，改性剂在基质沥青中呈细颗粒状分布，细度在10 μm以下。本试验采用英国Silveson公司出产的L4RT型胶体磨制备改性沥青。

为了避免在胶体磨高速剪切下，纤维被打断、沿转子轴向爬杆包裹和向胶体底部聚集等现象，结合现有条件综合考虑，选择手动搅拌法和胶体磨法相结合的方式制备纤维沥青胶浆。共混前将矿粉、纤维、搅拌棒(细铁棒)和胶体磨转子放入120℃烘箱中，与沥青同时加热1 h。首先使用电热炉及红外温度计，使沥青温度达到170℃，维持较好的流动性;在沥青中分批量加入玄武岩纤维，手动搅拌后再分批量加入矿粉一起搅拌，约10～15min。将初步混合的纤维沥青胶浆，使用胶体磨持续高速剪切分散2 h，然后低速搅拌30min，以排除气泡使玄武岩纤维沥青胶浆均匀稳定。

2.2 纤维沥青胶浆高温性能研究

采用动态剪切流变试验和重复蠕变试验来评价纤维沥青胶浆的高温性能，这两个试验都在动态剪切流变仪DSR上完成。

不同剂量的改性剂，对沥青胶浆的改性效果也不同。同时，作为黏弹性材料的沥青胶浆，温度和频率对其力学性质会产生重要影响。因此，有必要研究沥青胶浆的力学性质随玄武岩纤维掺量、温度和频率的变化规律。

2.2.1 纤维掺量对沥青胶浆高温性能的影响

由于生产沥青胶浆所采用的改性沥青PG等级为PG76-22，剪切试验温度采用76℃，剪切荷载的作用频率为10 rad/s。相关研究显示，采用车辙因子评价沥青胶浆的高温抗车辙性能时，相对于SHRP规范的G*/sinδ，Lenoble方法的车辙因子G*/tanδ可更准确反映相位角的改变对实际抗车辙能力的影响，采用对数表示的lg(G*/sinδ)或lg(G*/tanδ)与沥青混合料的动稳定度具有更好的相关性。试验结果如图2和图3。

可以看出:

1)在沥青胶浆中加入玄武岩纤维，提高车辙因子降低相位角，表明玄武岩纤维的加入可以增加沥青胶浆黏弹性质中的弹性成分，同时增大剪切模量，改善沥青胶浆的高温稳定性。

图2 车辙因子随纤维掺量变化情况

2)随着纤维掺量的增加，沥青胶浆的车辙因子先增大后减小，相位角先减小后增大，在纤维与沥青的质量比达0.015∶1时分别达到峰值和谷值。表明沥青胶浆中玄武岩纤维的剂量影响着纤维改善胶浆高温稳定的效果，存在剂量的临界值。

3)试验过程中发现，在纤维与沥青质量比高于0.02∶1时，DSR试验结果变异性较大，主要是随纤维产量的增加，纤维在胶浆中的分散性变差，影响胶浆的整体均匀性。

2.2.2 温度对沥青胶浆高温性能的影响

由于沥青胶浆属于粘弹性材料，其粘弹性性质必然会受到温度变化的影响。以玄武岩纤维与沥青质量比为0∶1与0.015∶1为例，剪切荷载的作用频率设定为10 rad/s，研究温度变化对沥青胶浆车辙因子及相位角的变化规律，结果见图4。

图4 温度对沥青胶浆的车辙因子与相位角的影响

由图4可以看出:

1)纤维掺加量0∶1与0.015∶1的沥青胶浆的车辙因子和相位角随温度变化的总体趋势相似，说明温度的影响是独立的，但掺入纤维可降低沥青胶浆的温度敏感性，且随着温度升高更加显著。

2)随着温度升高，沥青胶浆的剪切模量减小，相位角增大。这是由于应变控制的DSR试验中，随温度升高，胶浆所受的剪应力减小。相位角随温度升高而增大，表明温度升高，使胶浆的弹性成分与黏性成分的比值降低。

2.2.3 频率对沥青胶浆高温性能的影响

图3 沥青胶浆高温车辙指标随纤维掺量变化情况

沥青路面结构在行车荷载作用下主要表现为动态加载效应，在不同的荷载作用频率下，沥青材料会呈现出不同的黏弹性质。本研究对掺加0∶1与0.015∶1玄武岩纤维的两组沥青胶浆，在76℃条件下，进行0.01～100 rad/s荷载作用频率下的动态剪切试验，结果见图5。

图5 荷载频率对沥青胶浆的车辙因子与相位角的影响

由图5可以看出，沥青胶浆的车辙因子随荷载作用频率的增大而增大，相位角则随荷载频率的增大而减小。这说明荷载作用频率越大，则单次荷载作用时沥青胶浆与外加荷载的作用时间越短，沥青胶浆产生的变形越小，导致剪切模量增大，而变形中的弹性成分增多，降低了胶浆的相位角，增大了沥青胶浆的车辙因子。

2.3 纤维沥青胶浆低温性能研究

为更好地反映沥青胶浆低温抗裂性能，采用美国SHRP中的弯曲梁流变仪通过测定沥青胶浆PAV残留物在路面低温设计温度下的蠕变劲度S和蠕变速率m来反映沥青结合料的低温抗开裂能力。

试验期间，位移传感器监视着整个过程，在计算机屏幕上绘制随时间变化的荷载和变形的曲线图，4 min后，试验荷载自动解除，流变仪计算蠕变劲度和m值。

掺加不同玄武岩纤维剂量的沥青胶浆，BBR试验中60 s的劲度模量及其变化率趋势见图6。

由图6可以看出:

1)随玄武岩纤维掺量的增加，沥青胶浆的劲度模量先减小后缓慢增大，m值先增大后减小。劲度模量及其变化率分别在玄武岩纤维掺量0.015∶1处，出现谷值和峰值。相对于不加纤维的情况，加入纤维后沥青胶浆的劲度模量大大降低。这说明在沥青胶浆中掺入玄武岩纤维，可以增强沥青胶浆的低温柔性，对应沥青混合料路面在低温时韧性较好，在车轮荷载作用下产生的弯拉应力较小，具有较好的低温抗裂能力。

图6 沥青胶浆的劲度模量及其变化率随玄武岩纤维掺量变化情况

2)随着沥青胶浆中玄武岩纤维掺量的增加，BBR试验结果变异性越来越大。当纤维与沥青的质量比超过0.015∶1时，试验中劲度模量的最小值变化较小。表明，随纤维掺量增加，纤维在胶浆中的分散均匀性变差，增大了试验结果的变异性。

2.4 纤维沥青胶浆疲劳性能研究

沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。本研究采用SHRP研究的胶结料老化方法，即采用长期压力老化方法，把胶结料试件暴露到加热和压力环境中，模拟路面在多年使用中的老化。

关于沥青胶结料的抗疲劳性能的研究，目前使用较为成熟的指标主要有SHRP沥青胶结料规范中的G*/sinδ评价指标。对玄武岩纤维与沥青掺量比分别为0∶1，0.005∶1，0.01∶1，0.015∶1，0.02∶1，0.025∶1，0.03∶1的7种沥青胶浆，PAV老化后，进行31℃的动态剪切流变试验，试验结果见图7。

图7 疲劳开裂因子与相位角随玄武岩纤维掺量变化曲线

由图7可以看出:

1)随纤维掺量的增加，沥青胶浆的相位角明显降低，表明玄武岩纤维的掺入，提高了沥青胶浆中的弹性成分。当纤维与沥青的质量比超过0.015∶1时，继续掺加纤维，胶浆的相位角出现缓慢增大的趋势，表明当胶浆中纤维掺量过多时，反而会降低胶浆中的黏弹性成分比例。

2)掺加纤维的沥青胶浆的疲劳开裂因子均大于未加纤维的沥青胶浆，即降低了胶浆抗疲劳性能，表明基于耗散能量的评价方法不适于评价掺加纤维改性的沥青胶浆的抗疲劳性能。

为了更好地研究玄武岩纤维对沥青胶浆的抗疲劳性能的影响，对不同纤维掺量的沥青胶浆进行应变水平为3%，加载频率为10 Hz的25℃条件下的DSR时间扫描试验，记录复数劲度模量下降到初始模量50%时的循环加载次数N50，即疲劳寿命，见图8。

图8 不同玄武岩纤维掺量的沥青胶浆的循环加载次数N50

由图8可见，在沥青胶浆中掺加玄武岩纤维，可提高沥青胶浆的复数模量降低到初始模量50%时承受的荷载作用次数，即可延长沥青胶浆的疲劳寿命。同时当玄武岩纤维与沥青的质量比达到0.015∶1时，纤维对沥青胶浆疲劳寿命提高幅度最为显著。

3 结语

通过对玄武岩纤维的成分、密度、力学性能、沥青吸持能力及吸湿性能的测试，证实了玄武岩纤维具有高吸油率、高强度、高模量、低吸湿性，是一种性能优异的路用纤维。

在沥青胶浆中掺入纤维，可大幅度提高沥青胶浆的高温性能，同时加强沥青胶浆的韧性，从而提高沥青胶浆的低温性能和疲劳性能。同时纤维的用量对沥青胶浆的性能提升也有显著影响，随纤维掺量增加，纤维对沥青胶浆的改善效果增强，当超过一定的剂量后，改善效果有所降低，因此存在一定的合适剂量。

［1］中华人民共和国交通运输部.JTG E20—2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］孟勇军，张肖宁.添加剂对沥青胶浆高温性能的影响［J］.公路交通科技，2006，26(12):14-17.

［3］张智强，周进川，饶枭宇.SBS对基质沥青低温性能改善效果研究［J］.重庆建筑大学学报，2004(3):89-92.