复合纤维对沥青胶浆的增黏作用分析

陈明星，张 俊，兰建丽，郑瑞红

（1.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006；2.灵河高速公路（神河段）建设管理处，山西 忻州 036507）

本文综合木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维3种纤维的不同特性对纤维进行了复配，使其具有3种纤维的优点和更高的性价比。为进一步认清复合纤维对沥青胶浆增黏作用的影响，进行了纤维沥青黏度试验，研究了纤维增强沥青混合料的作用机理。

1 试验材料

本文所采用的沥青为AH-70重交道路石油沥青。沥青常规试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE-20—2011)要求进行[1]，各项性能指标如表1所示。

表1 沥青技术指标及要求

复合纤维由3种单纤维复配而成，复合纤维为木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维3种纤维按照比例2∶1∶2掺配而成。各种纤维的各项性能试验结果如表2所示，纤维的微观构造见图1。

表2 纤维技术性能表

从表2可见，玄武岩纤维的抗拉变形能力最强，其次是聚酯纤维，然后是木质素纤维，3种纤维表现在沥青混合料发生裂缝时，可充分发挥其抗拉能力，保证沥青混合料的整体性。从长径比可以看出，玄武岩纤维大于聚酯纤维大于木质素纤维。纤维的长径比增大，其力学强度也随之增强，但过细过长的纤维在施工中易结团，会影响到施工和易性。3种纤维的熔点远高于沥青混合料的拌和温度要求，可满足路用材料的要求。

图1 各种纤维微观形貌图

由电镜扫描图可以看出，木质素纤维质地疏松，表面粗糙，有大量微孔，具有很强的物理吸附作用，有利于稳定自由沥青；聚酯纤维表面光滑，外观规则，有利于增强沥青黏度和黏结性，可有效抵制沥青高温形变；玄武岩纤维呈规则的圆柱状，表面光滑，有利于加筋增强。

2 试验方法

黏度试验可以评价纤维的增黏作用。试验采用70号基质沥青，以木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、复合纤维的沥青胶浆，掺量为0、0.5%、1%、2%。按《JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行，采用美国BrookfieldDV-Ⅱ+Pro型旋转黏度仪，如图2所示，频率50 Hz，黏度精度为±1.0%，选用SC4-21号转子，转速为20 rpm，试验温度设定为135℃。

图2 布氏旋转黏度仪

3 试验结果与分析

3.1 黏度比

不同纤维对沥青的增黏作用影响不同，纤维对沥青胶浆的增黏作用可以用黏度比RV来表征，RV即纤维沥青胶浆的黏度与沥青黏度用的比值，本文采用黏度比RV来评价纤维的增黏作用。由70号沥青、木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、复合纤维组成的胶浆性能试验结果见图3。

图3 纤维对沥青胶浆黏度比的影响（135℃）

由图3可以看出，不同种类纤维其增黏效果不同。在纤维掺量为0.5%时，纤维的黏度比大致相同，其中聚酯纤维对沥青的改性效果比较明显。当纤维用量用至1%时，聚酯纤维的黏度比有了很大的提高，胶浆黏度达到基质沥青的5.8倍，增黏效果远超过2%掺量下其他纤维；复合纤维用至1%时的胶浆黏度达到基质沥青的3.5倍，增黏效果优于木质素纤维和玄武岩纤维。当纤维用量用至2%时，聚酯纤维的增黏效果依然最突出，其沥青胶浆黏度增大到基质沥青的8.31倍，这足以说明聚酯纤维的增黏效果是非常好的；复合纤维沥青胶浆黏度增大到基质沥青的5.02倍，优于其他纤维的增黏效果。黏度比依次为：聚酯纤维大于复合纤维大于木质素纤维大于玄武岩纤维。复合纤维与木质素纤维增黏效果相近，当纤维掺量为0.5%时，木质素纤维黏度比比复合纤维大，而随着掺量的增加，复合纤维的增黏优势逐渐明显，甚至优于木质素纤维。

3.2 爱因斯坦系数KE

爱因斯坦建立分子尺寸测定模型，通过估算扩散系数和溶液的黏度就可以得出分子的大小，分析填料粒子对沥青胶浆流变性能的干扰程度，表征填料粒子对沥青胶浆的增黏速率。不同种类的纤维加入到沥青中，使沥青的流动性能产生更大内摩阻力，从而导致沥青黏度增加。本文用爱因斯坦系数KE来表征纤维对沥青的增黏效果：

式中：KE为爱因斯坦系数;Ф为沥青中的填料粒子体积分数。

以爱因斯坦模型为依据，用其估算影响沥青胶浆流变性能的重要参数，表征纤维对沥青胶浆的增黏速率。不同纤维种类的纤维沥青胶浆爱因斯坦系数如图4所示。

图4 纤维种类对沥青胶浆爱因斯坦系数KE的影响

由图4可以看出，纤维种类对沥青胶浆爱因斯坦系数有较大影响。在0.5%、1%、2%掺量下构成的趋势线中，聚酯纤维对沥青胶浆增黏效果最突出，其爱因斯坦系数远大于其他纤维，说明聚酯纤维不但黏度比其他纤维大，其增长速率也比其他纤维快，其次为复合纤维和玄武岩纤维。从黏度试验结果图3得出，木质素纤维与复合纤维的黏度相差不大，但通过爱因斯坦系数计算，发现复合纤维的爱因斯坦系数远大于木质素纤维，即其黏度增长速度比木质素纤维快。复合纤维在增黏速率中体现出复合材料的优势，并与玄武岩纤维接近。

当各纤维用量在0～1%区间内时，爱因斯坦系数随着纤维掺量的增加而增加，而当纤维用量达到2%时，爱因斯坦系数却随之减少。纤维掺量为0.5%时，各纤维的爱因斯坦系数最小，纤维掺量为2%时，爱因斯坦系数其次，当纤维用量为1%时，爱因斯坦系数最高。以复合纤维为例，0.5%、1%掺量下复合纤维的爱因斯坦系数分别为151和411，呈上升规律，而当掺量设为2%时，复合纤维沥青胶浆的爱因斯坦系数则变为330，比1%掺量时小。虽然纤维沥青胶浆黏度不断增长，但当纤维掺量为2%时，其黏度增长率有所降低，从而导致爱因斯坦系数的减少。即当纤维用量较小时，沥青胶浆的黏度增长幅度较大，随着掺量的增加，沥青胶浆的黏度增长幅度不断减小，因此当纤维掺量为1%时，已可明显地表现出纤维的增黏作用。

4 纤维对沥青胶浆的增黏机理

黏度试验结果表明，纤维能够使沥青的黏度增大，并随着掺量的增加而增加。纤维直径一般小于20 μm纤维，具有较大的比表面积，纤维分散在沥青中，使沥青胶浆的空间结构发生了很大的变化。纤维格栅的生成，增加了沥青胶浆在特定温度下流动而产生内摩阻力，使得沥青胶浆的黏度增大。

现代胶体理论认为，沥青质是分散相，液态油分是分散介质，当沥青质分子聚集一起,活性物质树脂组分即吸附其表面，并逐渐向外扩散，使沥青质的胶核胶溶于液态油分中,这样组成的结构单元就形成胶团。胶团可分为溶胶、凝胶、溶—凝胶3种结构。当沥青加入纤维后，沥青的油分首先被吸附，因此沥青质在胶体中的比重增加，沥青的胶体结构发生改变，即逐渐由溶胶结构转变为溶—凝胶结构甚至凝胶结构，因此沥青胶浆的黏度随之增大。

纤维对沥青胶浆黏度的影响主要取决于纤维用量、纤维体积率、纤维长径比等因素。根据爱因斯坦模型，爱因斯坦系数与填料粒子的形状有关，当填料为圆形时KE为2.5，当填料为长形时KE大于2.5。当纤维作为一种填料粒子，截面小，长径比非常大，因此KE与纤维的长径比有关，故纤维沥青黏度比原样沥青黏度大。木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维的长径比分别是 1∶120、1∶300、1∶500，即玄武岩纤维大于聚酯纤维大于木质素纤维，按照爱因斯坦模型，纤维胶浆所对应的黏度也应符合这一特点，但由试验结果发现，玄武岩纤维的黏度比木质素纤维、聚酯纤维的黏度低，与预测的顺序不完全一致。这是因为玄武岩纤维的密度较大，纤维体积率较低，因此试验所得的玄武岩纤维沥青胶浆黏度较低。可以发现，爱因斯坦系数可用于描述沥青黏度的变化率，不可直接用于评价沥青黏度。

纤维沥青胶浆的黏度与纤维的爱因斯坦系数KE和纤维掺量成正比。因此，从复合材料混合率角度考虑，纤维掺加到沥青混合料中后，纤维沥青胶浆的黏度高于普通沥青的黏度，纤维的增黏作用可显著地提高沥青抵抗剪切变形的能力，增强混合料内部的黏结力，改善沥青路面的高温性能。

5 结论

a）随着纤维的加入，沥青的黏度随之增大，以聚酯纤维、复合纤维效果最为明显；当纤维掺量为1%时，纤维沥青的爱因斯坦系数最大，纤维的增黏效果十分明显。

b）由于纤维具有较大的长径比，分散在沥青中，使沥青胶浆的空间结构发生了很大的变化。当沥青加入纤维后，沥青的油分首先被吸附，沥青质在胶体中的比重增加，沥青的胶体结构发生改变，即逐渐由溶胶结构转变为溶—凝胶结构甚至凝胶结构，因此沥青胶浆的黏度随之增大。

c）纤维沥青胶浆的黏度与纤维的爱因斯坦系数KE和纤维掺量成正比。纤维掺加到沥青混合料中后，纤维沥青胶浆的黏度高于普通沥青的黏度，纤维的增黏作用可显著地提高沥青抵抗剪切变形的能力，增强混合料内部的黏结力，改善沥青路面的高温性能。