不同类型纤维沥青胶浆性能试验研究

张 敏

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司) 太原市 030032)

在夏季高温及冬季低温条件下，沥青路面会出现明显车辙、裂缝等病害。在不同温度下，沥青具有不同的劲度、稠度或粘度，沥青的感温性能与其标号、是否改性、是否添加外掺剂有关。纤维外掺剂在我国得到了较大面积的应用，尤其是玄武岩纤维、聚丙烯纤维具有高的弹性模量、高的高温稳定性及耐腐蚀性能，可用于提高路面的整体高温抗变形能力及低温抗裂性能。Lee S J，Rust J P，Hamouda H[1]等人对玄武岩纤维用于沥青路面的性能进行了研究，发现添加玄武岩纤维的沥青混合料的低温抗裂性能和疲劳性能得到大幅度的提升。Serfess J P，Samanos J[2]得出在沥青混合料中加入纤维后，可以明显提高沥青用量，提高路面的抗水损害能力。吕伟民等人[3-4]认为，沥青混合料中，沥青与矿粉拌和而成的沥青胶浆对混合料的各项性能起关键性作用，添加纤维后，纤维对沥青胶浆的性能会产生重要影响。张文刚等人[5]认为，路用矿物纤维通过提高沥青混合料的弹性模量、强度、抗拉强度以及纤维-基体界面附近形成的残余应力应变场和显微裂纹起到的增韧作用，改善了沥青混合料的路用性能。可见，现有纤维主要集中于纤维沥青混合料性能提升方面，而纤维对沥青胶浆性能的提升方面研究相对较少，本文主要改变纤维类型开展试验，以纤维的吸油率、沉锥抗剪强度、抗裂性能、高温动态抗剪强度方面系统研究纤维对普通沥青性能的提升程度。

1 试验

1.1 试验原材料

沥青采用壳牌70号普通沥青，矿粉为石灰岩磨细矿粉，纤维分别为山东廊坊鹤翔建材有限公司的木质素纤维、峡西同盛华工程科技有限公司的6mm聚丙烯纤维、武汉市中鼎经济发展有限责任公司的6mm、9mm玄武岩纤维。沥青技术指标见表1，纤维技术指标见表2。

表1 沥青技术指标

表2 纤维技术指标

1.2 纤维沥青的制作

沥青胶浆制作方法为：首先加热普通沥青到160℃，逐渐加入矿粉搅拌均匀，矿粉与沥青的比为1∶50，再分别在沥青胶浆中加入玄武岩纤维、木质素纤维、聚丙烯纤维，纤维与沥青胶浆的质量比为1∶10。其它试验时，沥青胶浆制作方法同前，玄武岩纤维掺量选择经验质量掺量7%，木质素纤维掺量选择经验质量掺量3%，6mm聚丙烯纤维掺量选择经验质量掺量5%。

1.3 纤维沥青试验方法

(1)纤维吸油率试验

将三种沥青分别称取300g，置于三个已知质量的0.25mm网篮中，网篮下部接一铁盘，在130℃的烘箱中，恒温1h，1h后称网篮加剩余沥青及纤维的质量，计算沥青的析出量，用于评价各种纤维的吸油率。

(2)沥青胶浆锥入度试验

锥入度试验，采用沥青针入度所用的针入度仪，将针入度仪的针更换为重226g、锥角为30的圆堆体，同时采用大试样器皿盛装沥青，沥青冷却后，在25℃的条件下，测定纤维沥青胶浆锥入时间为5s，计算其抗剪强度的大小，抗剪强度计算公式见式(1)。

(1)

其中：τ为抗剪强度(kPa)，Q为落锥的荷载(kN)，为锥入深度(mm)，α为落锥角度(°)。

(3)板带拉伸试验

采用MTS万能材料试验机开展三种纤维沥青的抗拉强度试验，将浇筑好的沥青板带夹持于MTS拉伸夹具中，试验温度25℃，拉伸速度10mm/min，沥青板带拉伸试件长12cm、宽8cm、厚0.5cm。

(4)动态剪切流变试验

在中、高温区，0～60℃范围内，采用AASTHO T315的试验方法，使用动态剪切流变仪对沥青进行温度扫描，试验温度为46～82℃，间隔6℃，试验频率为10rad/s。

2 结果与讨论

2.1 纤维的吸油率

测定3种纤维对沥青的吸附性能，结果见表3。

表3 纤维吸收沥青后沥青析出率

从表3可以看出，纤维吸收沥青后沥青析出率顺序为6mm聚丙烯纤维>9mm玄武岩纤维>6mm玄武岩纤维>木质素纤维。纤维吸油率的大小与纤维表观状态有关，在扫描电境下，木质素纤维表面多为凹凸不平的表面，且多呈片状，平均纤维厚度为4.6um，相对聚丙烯纤维、玄武岩纤维具有更大的比表面积，沥青析出率最小，吸油率最大。聚丙烯纤维与玄武岩纤维具有相近的直径，但聚丙烯纤维单丝较玄武岩纤维更为光滑，相同长度的两种纤维沥青析出率玄武岩纤维小于聚丙烯纤维，玄武岩纤维吸油率大；但9mm玄武岩纤维相对6mm玄武岩纤维比表面积小，吸油率自然小，沥青析出率自然大。

2.2 纤维沥青胶浆的锥入抗剪性能

选用4种纤维沥青胶浆，进行25℃锥入度试验，试验结果见图1。

图1 不同纤维沥青的锥入抗剪强度

从图1可以看出，抗剪强度排序为6mm聚丙烯纤维沥青>6mm玄武岩纤维沥青>9mm玄武岩纤维沥青>木质素纤维沥青>未掺纤维沥青。6mm玄武岩纤维沥青胶浆的锥入抗剪强度高于9mm玄武岩纤维，是由于9mm玄武岩纤维在沥青中的分布不及6mm纤维分散更为均匀，均匀分布的情况下，纤维与沥青的握裹力更强。木质素纤维为有机纤维，自身强度低，吸收沥青效果明显，但自身强度不高导致对沥青锥入抗剪强度的提升效果不明显。而聚丙烯纤维本身强度较高，且在扫描电境下，表面纹理较多，纤维端部有明显的钩状突起，进一步加大了纤维在沥青中的阻滞作用，锥入抗剪强度明显高于其它纤维的抗剪强度。

2.3 纤维沥青胶浆抗裂性能

依据吸油率和锥入抗剪性能，6mm玄武岩纤维沥青性能优于9mm玄武岩纤维沥青，所以选择6mm的玄武岩纤维进行试验，按照板带拉伸试验方法进行三种纤维的试验，试验结果见图2。

图2 不同纤维沥青胶浆最大抗拉荷载

从图2可知，抗拉强度排序为聚丙烯纤维沥青>玄武岩纤维沥青>木质素纤维沥青>普通沥青，且聚丙烯纤维沥青和玄武岩纤维沥青的抗拉强度远大于木质素纤维沥青和普通沥青。从细观上讲，聚丙烯纤维端部具有的钩状突起进一步提升了纤维在沥青中被拔出的难度，而玄武岩纤维虽然强度高，但光滑的表面在沥青中的抗拔出性能略小于聚丙烯纤维，而木质素纤维的自身强度低，所以用于沥青中的加筋效果不明显。

2.4 纤维沥青的高温流变性能

对6mm玄武岩纤维沥青、6mm聚丙烯纤维沥青、木质素纤维沥青进行了46～82℃范围的复数模量、相位角测试，同时计算车辙因子，试验结果见图3、图4、图5。

图3 不同纤维沥青的复数模量

图4 不同纤维沥青的相位角

图5 不同纤维沥青的车辙因子

从图3、图5可知，三种纤维沥青的复数模量、车辙因子均随温度的升高逐渐降低，且随温度的升高，三种纤维沥青的复数模量、车辙因子均趋近于相同，最终表现为普通沥青的性能。

从图4可知，壳牌70号普通沥青和三种纤维沥青的相位角在46℃时已相差较大，随温度的升高，相位角均出现变大的趋势，聚丙烯纤维的相位角变大幅度最小，其它两种纤维沥青的变大幅度相对较小。

以上随温度的升高，复数模量、车辙因子逐渐降低，相位角逐渐增大，且不同的纤维沥青表现为不同的变化曲线，主要原因为沥青中添加纤维后，部分自由沥青被纤维吸收及物理化学反应后，形成与纤维粘结更为紧密的结构沥青，进一步提高了沥青的三维抗变形、抗剪能力，在不同温度下，均表现为添加纤维的沥青复数模量增大、相位角减小、车辙因子增大。相对玄武岩纤维，聚丙烯纤维具有钩状的末端，使其在沥青中更加难以拔出；同时其具有较高的吸油能力，可大幅度提升自由沥青向结构沥青转化的程度，进一步提升了纤维沥青的抗剪切性能，最终聚丙烯纤维沥青在性能方面优于其它纤维沥青。

3 结论

(1)从纤维吸油率方面讲，木质素纤维吸油率最大、9mm玄武岩纤维和6mm玄武岩纤维居中、6mm聚丙烯纤维最小，虽然玄武岩纤维和聚丙烯纤维具有较大差别的比表面积，但与玄武岩纤维吸油率差不多，对自由沥青转化为结构沥青的能力差不多。

(2)从锥入抗剪性能方面讲，抗剪强度顺序为：6mm聚丙烯纤维沥青>6mm玄武岩纤维沥青>9mm玄武岩纤维沥青>木质素纤维沥青>普通沥青，6mm聚丙烯纤维沥青的抗剪性能略优于6mm玄武岩纤维沥青，表明6mm聚丙烯纤维在沥青中的握裹力更强，抗拔出及抗纤维在沥青中的迁移能力更强。

(3)板带拉伸试验表明，6mm聚丙烯纤维沥青的板带拉伸极限抗拉强度最大，其次为6mm玄武岩纤维沥青和木质素纤维沥青，普通沥青最小，聚丙烯纤维端部具有的钩状突起进一步提升了纤维在沥青中被拔出的难度，而玄武岩纤维虽然强度高，但光滑的表面对沥青的抗拔出性能略小于聚丙烯纤维。

(4)从沥青高温流变学复数模量、相位角、车辙因子方面评价，其性能6mm聚丙烯纤维沥青>6mm玄武岩纤维沥青>木质素纤维沥青>普通沥青，抵抗高温流变、抵抗高温车辙性能最优的仍然是6mm聚丙烯纤维沥青。