玄武岩纤维/橡胶复合改性沥青胶浆路用性能研究

展宏图，柳力

(1.广东交科检测有限公司，广东 广州 510550； 2.广东华路交通科技有限公司； 3.长沙理工大学 土木工程学院)

1 前言

目前中国公路建设已进入提质改造和养护的新时期，很多早期修建的公路经过多年的车辆荷载和雨水作用，已出现不同程度的病害，严重影响路面的使用性能。近年来，在原有路面加铺2～3 cm的SAC-10、SMA-10和OGFC-10等薄层罩面和超薄磨耗层等技术得到了广泛的应用，由于该层较薄，因而要求其沥青胶结料拥有良好的高、低温性能和疲劳性能。

在国内外现有研究中，对薄层罩面的沥青混合料研究较多，而对其中重要组成部分胶结料研究较少，尤其是玄武岩纤维橡胶沥青胶浆鲜有涉及。废旧轮胎作为一种固体废弃物，曾是社会的黑色污染，而将其加工成废旧轮胎橡胶粉(CRM)，不仅可以将废旧轮胎“一站式”无害化处理，而且可成为一种优良的沥青改性剂。玄武岩纤维(BF)作为一种新材料，较常用的纤维具有比表面积大、表面浸润性好、力学性能优异、水稳定性好等特点，可有效提高沥青路面高温抗车辙、低温抗裂、抗疲劳、抗冻融及抗水损害性，对大幅提高路面承载能力和使用寿命可起到显著的作用。

该文采用不同掺量的CRM和BF进行复合，对橡胶沥青和玄武岩纤维橡胶沥青胶浆的制备过程进行研究，采用美国Superpave评价方法对其流变性能进行全面评价，同时对CRM和BF在沥青材料中的增强机理和反应机理进行研究分析。

2 玄武岩纤维橡胶沥青胶浆制备过程

2.1 原材料

2.1.1 基质沥青

基质沥青采用70#道路石油沥青，其主要性能指标如表1所示。

表1 70#基质沥青性能指标

2.1.2 胶粉和玄武岩纤维

胶粉采用40目废旧轮胎橡胶粉，玄武岩纤维采用GBF玄武岩纤维，其性能指标如表2所示。

表2 GBF玄武岩纤维性能指标

2.2 玄武岩纤维橡胶沥青制备

2.2.1 橡胶沥青制备过程

(1) 将基质沥青在烘箱加热至170～180 ℃，并恒温1 h左右。

(2) 将称量好的橡胶粉加入基质沥青中，采用高速剪切仪剪切30 min，转速为5 000 r/min，剪切完成后将其放入170～180 ℃烘箱中发育30 min。

(3) 将发育后的混合物继续高速剪切15～20 min，转速为5 000 r，剪切完成后放入烘箱溶胀1 h，得到橡胶沥青。

2.2.2 玄武岩纤维橡胶沥青胶浆制备过程

(1) 称量试验所需玄武岩纤维，并将其均匀分成3份。

(2) 将制备好的橡胶沥青加热至170～180 ℃，分3次加入玄武岩纤维，每次时间间隔15 min左右，并采用玻璃棒匀速搅拌，试验过程中温度控制在170～180 ℃。

制备完成的玄武岩纤维橡胶沥青胶浆应尽快进行相关性能试验，以防因离析造成试验误差。

3 玄武岩纤维橡胶沥青胶浆流变性能研究

由于CRM和BF都具有难溶于基质沥青的特点，采用中国传统的沥青指标难以客观全面反映玄武岩纤维橡胶沥青胶浆的路用性能，由于该文主要研究玄武岩纤维橡胶沥青性能，在查阅大量文献的基础上，选定CRM掺量为20%，BF掺量为0.3%。采用美国Superpave沥青测试方法对20%CRM和20%CRM+0.3%BF的沥青材料(复合改性沥青)进行路用性能评价。

3.1 高温性能

沥青材料路用性能与沥青在温度和荷载作用下的流变性能直接相关，玄武岩纤维橡胶沥青胶浆的高温性能采用动态剪切流变仪(DSR)模拟胶浆材料在温度和荷载作用下的动态剪切，以抗车辙因子G*/sinδ值作为评价指标，对于原样沥青材料抗车辙因子G*/sinδ应不小于1.0 kPa。为了试验结果具有对比性，分别对20%CRM沥青和复合改性沥青胶浆进行试验，试验结果如表3所示。

表3 高温动态剪切试验结果

由表3可知：

(1) 在试验温度为70 ℃时，20%CRM 橡胶沥青的G*/sinδ为基质沥青的3.7倍、复合改性沥青胶浆材料的G*/sinδ为基质沥青的14.7倍，说明CRM和BF加入基质沥青中能显著提升沥青的高温稳定性。

(2) 在试验温度为70～82 ℃时，复合改性沥青胶浆材料的G*/sinδ为20%CRM 橡胶沥青的3.9倍，因为BF能吸附和稳定沥青，且具有多方向的加筋功能，可有效吸收沥青材料中多余的油分，降低高温流动性，提高沥青材料的稠度，增强黏结力，BF能显著提升橡胶沥青的高温稳定性。

(3) 基质沥青的失效温度为66.5 ℃，20%CRM橡胶沥青的失效温度为78.4 ℃，复合改性沥青胶浆的失效温度为90.4 ℃。增加20%的CRM，基质沥青失效温度提高了17.9%；在20%的橡胶沥青中增加0.3%的BF，沥青胶浆失效温度提高了15.3%，表明在橡胶沥青中增加少量的BF，对其高温性能有较大的改善。

3.2 低温性能

低温弯曲梁流变仪(BBR)测定沥青的弯曲蠕变劲度S和m值，美国Superpave规范中要求经过RTFOT和PAV老化后沥青试样的S≤300 MPa，m≥0.3，试件尺寸为长(127±2) mm，厚(6.35±0.05) mm，高(12.70±0.05) mm。由于该文主要研究两种沥青材料性能的对比，为简化试验过程，所以采用原样沥青材料。

根据SHRP规范，沥青胶结料弯曲蠕变劲度模量S值越小，则表明弹性成分小，黏性成分大，低温的抗变形能力好；m值越大，则黏性大，沥青胶结料应力积累变形能力越好。低温弯曲梁流变试验结果如表4所示。

表4 低温弯曲梁流变试验结果

由表4可知：

(1) 在试验温度为-6、-12和-18 ℃时，20%CRM橡胶沥青S值为基质沥青的96.2%、72.8%和73.1%；m值为基质沥青的1.21、1.16和1.05倍，表明增加20%的CRM可对沥青的低温性能提升5%～20%，改善效果显著。

(2) 在试验温度为-6、-12和-18 ℃时，20%CRM+0.3%BF沥青胶浆S值为20%CRM橡胶沥青的70.0%、81.2%和84.0%；m值为1.28、1.31和1.32倍，表明增加0.3%的BF可对橡胶沥青的低温性能提升20%～30%，改善效果显著。

(3) 按SHRP沥青胶结料分级规范，20%CRM橡胶沥青的低温等级为-12 ℃，20%CRM+0.3%BF沥青胶浆材料的低温等级为-18 ℃，低温性能提升了1个等级，也表明在橡胶沥青中适当增加BF，可使沥青胶结料低温性能得到改善，文献[14]提出沥青胶结料的低温性能对沥青混合料低温开裂贡献达90%，研究说明沥青胶浆材料可有效提高沥青混合料的低温性能，减少路面因温度降低产生的裂缝，延长路面的使用寿命。

3.3 黏度

沥青胶结料的黏度指沥青材料在外力作用下抵抗剪切变形的能力，同时其是与沥青路面力学行为联系最紧密的一个指标，已有研究表明：沥青材料的黏度与沥青混合料高、低温性能均存在较好的相关关系，目前对改善沥青材料性能主要有两种方式，即添加改性剂和纤维。

3.3.1 CRM黏度增强

CRM作为一种改性剂，可显著改善沥青材料的路用性能，添加CRM后，沥青材料的黏度计算如式(1)所示。

η=ηm[1+C0K(T)Mα(T)]

(1)

式中：ηm为基质沥青黏度(Pa·s)；C0为改性剂的质量百分数(%)；M为改性剂的黏均相对分子量；K(T)、α(T)均为常数，其中C0K(T)Mα(T)被称为改性剂的增黏因子。

3.3.2 BF黏度增强

BF是一种新型沥青无机改性材料，其对沥青材料黏度增强计算如式(2)所示。

η=ηm(1+KEVf)

(2)

式中:ηm为基质沥青黏度(Pa·s)；Vf为纤维体积分数(%)；KE为Einstein系数;KEVf为纤维增强沥青的增黏因子。

3.3.3 CRM和BF复合黏度增强效果分析

通过DSR对基质沥青、0.3%BF 、20%CRM橡胶沥青和20%CRM+0.3%BF沥青胶浆进行60、135、170 ℃的动态黏度扫描，分析不同温度下温度与黏度的关系，试验结果如表5所示。

表5 不同改性方式在不同温度下黏度试验结果

由表5试验结果可知：

(1) 20%CRM沥青胶浆与基质沥青相比，其60～170 ℃黏度提高近3倍，由式(1)可知添加CRM后，沥青材料的黏度变化只与增黏因子C0K(T)Mα(T)有关，随着温度的升高，沥青材料的黏度降低。

(2) 0.3%BF沥青胶浆与基质沥青相比，其黏度并未有明显增加，由式(2)可知沥青材料的增黏因子KEVf是与温度无关的一个常量，表明BF性能不随温度升高而改变，具有一定的热稳定性。

(3) 20%CRM+0.3%BF沥青胶浆与20%CRM橡胶沥青相比，60 ℃黏度高出近1倍，表明0.3%BF在沥青中可起到加筋作用，可吸收沥青材料中多余油分，降低流动性，提高沥青材料的稠度，提升路面的使用性能。

(4) 20%CRM+0.3%BF沥青胶浆材料的135 ℃黏度较大，因此在施工过程中应适当提高拌和和摊铺温度，减少因黏度过大造成路面病害。

(5) 20%CRM+0.3%BF玄武岩纤维橡胶沥青胶浆的60 ℃黏度明显大于0.3%BF和20%CRM改性沥青，且达到了“1+1>2”的效果，说明玄武岩橡胶沥青胶浆具有高黏的特点。

4 玄武岩纤维橡胶沥青胶浆反应机理研究

CRM与BF在沥青中的反应及分布状态是一个复杂的过程，该文通过电子显微和电镜扫描分析方法对两种改性剂对沥青的改性机理进行研究。

4.1 CRM反应机理

沥青材料中除了沥青质，还有部分轻质组分，在高温条件下，CRM与沥青反应主要以物理反应为主，在一般条件下，CRM颗粒不会完全溶解在沥青中，橡胶沥青的三维结构如图1所示。CRM颗粒与沥青拌和前后颗粒变化的电子显微图像如图2所示，橡胶沥青电镜扫描图如图3所示。

图1 橡胶沥青三维结构图

图2 CRM颗粒与沥青拌和前后颗粒变化的电子显微图

图3 橡胶沥青电镜扫描图

由图2、3可知：

(1) 在高温条件下，CRM颗粒吸收了沥青材料中的轻质组分，发生溶胀反应，体积膨胀，体积一般可增大30%～40%，同时沥青材料中的轻组分减小，重组分增加，导致橡胶沥青的黏度明显增强。

(2) CRM颗粒溶胀体积增大，增加了CRM颗粒之间的接触机会，CRM颗粒之间通过凝胶层互相连接，形成黏度相对较大的半固态连续相体系。

4.2 BF在橡胶沥青中的反应机理

BF作为一种矿物纤维，其在宏观条件下呈现“条片状”，取一根BF进行电镜扫描，其在微观条件下是由无数根“条柱状”细丝组成，并在细丝表面有部分“凸起”，BF宏观与微观图像如图4所示。

由于BF与橡胶沥青在物理吸附作用、浸润作用和化学键作用下紧密黏结，并在BF表面形成具有一定厚度的薄层沥青，该区域称为界面区，如图5所示。BF相互之间通过橡胶沥青的凝胶层互相连接，形成连续相体系。

图4 BF宏观和微观图

图5 BF与沥青接触示意图

在玄武岩纤维橡胶沥青胶浆制备过程中，“条片状”玄武岩纤维在温度和外力作用下，分散成大量的“条柱状”细丝，三维乱向地分布在橡胶沥青中，增大了BF与沥青材料的接触面积，同时由于BF表面存在部分“凸起”，根据界面理论，“凸起”增大了纤维与沥青之间的吸附力，加上BF与沥青材料之间的互相缠绕，可有效提高橡胶沥青的黏度。

5 结论

(1) BF加入基质沥青中，BF性能不随温度升高而改变，具有一定的热稳定性。BF加入20% CRM沥青中，BF能吸附和稳定沥青，可有效吸收沥青材料中多余的油分，且具有多方向的加筋功能。

(2) 在相同试验温度下，复合改性沥青的车辙因子G*/sinδ均高于基质沥青和橡胶改性沥青，复合改性沥青的失效温度比基质沥青高约23 ℃，比橡胶改性沥青高12 ℃，说明玄武岩/橡胶复合改性沥青具有优良的高温性能。

(3) 复合改性沥青弯曲蠕变劲度S较小，m值较大，低温性能高于基质沥青和20%CRM改性沥青1个等级；同时，复合改性沥青胶浆的动态黏度是其他3种沥青的数倍。

(4) 高温动态剪切试验、低温弯曲梁流变试验和黏度扫描试验表明：复合改性沥青胶浆材料具有优良的高、低温性能，可显著提高沥青材料的稠度，提升路面的使用性能。

(5) 扫描电镜微观分析表明：CRM和BF可在沥青中形成稳定的连续相体系，CRM和BF复合改性可对沥青材料的黏度达到“1+1>2”的增强效果。