玄武岩短切纤维对环氧沥青及其混合料性能的影响

张婧丽

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，太原 030012)

0 引 言

自2016年7月交通运输部颁布《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》(交公路[2016]115号)以来，全国范围内加快推进了钢结构桥梁建设，十三五期间钢结构桥梁比例明显提高，钢桥面铺装数量也持续增长，钢桥面铺装成为新的研究热点[1]。得益于所掺入的环氧基、羟基、醚键等活性和极性基团，环氧沥青的热固性赋予其混合料优异的力学性能与使用性能，尤其是在高温稳定性、抗水损害性、抗疲劳耐久性和耐腐蚀性方面，环氧沥青混合料比普通改性沥青混合料高数倍甚至数十倍，因此环氧沥青混合料可应用于环境极端温度要求高且受力条件严苛的重载道路沥青铺装层[2-4]。大量研究和工程实践经验表明[5-7]，环氧沥青混凝土钢桥面铺装克服传统SMA混合料、浇筑式沥青混合料桥面铺装高温性能差、与桥面板随从性差、黏结强度不足和抗疲劳性能差的弊端，单层或双层厚度不超过8 cm的环氧沥青混凝土铺筑已经成为南方湿热地区钢桥面铺装的主要技术方案之一。然而国内近10年工程实践经验表明[8-11]，目前大多环氧沥青产品延展性差，易脆裂，导致环氧沥青混合料铺装结构抗裂性能差，在服役期间易出现开裂病害，进而诱发松散脱落和桥面板锈蚀等病害，这与环氧沥青固有的热塑性特点有关[12-15]。为了改善环氧沥青混凝土铺筑结构的柔韧性，有学者提出通过矿料级配选择与优化，掺加聚酯纤维、橡胶粉增柔增韧改性剂等技术手段，来弥补环氧沥青混合料抗裂性能的不足。本文将玄武岩纤维掺加到环氧沥青中，研究了玄武岩纤维改性环氧沥青胶浆及其混合料的性能，并深入分析了玄武岩纤维环氧沥青混合料的改性机理，为玄武岩纤维改性环氧沥青混合料应用于高寒地区钢桥面铺装提供借鉴。

1 实 验

1.1 原材料

(1)环氧沥青：由广东某环氧沥青厂家生产，环氧树脂(A组分)、道路石油沥青与固化剂均质合成物(B组分)按照1∶6质量比配制而成，环氧树脂胶结料主要性能见表1，经检测环氧树脂各项性能满足公路钢桥面铺装设计与施工技术规范(JTG/T 3363-02—2019)要求。

表1 环氧沥青胶结料性能与技术要求Table 1 Performance and technical requirements of epoxy asphalt cement

(2)集料：3～13.2 mm三档粗集料，选用高质量玄武岩碎石，粗集料针片状含量<9%，压碎值≤16%，磨光值PSV>45，软石含量<1.5%。S15(0～3 mm)细集料为石灰岩机制砂，吸水率<1.5%，表观密度>2.55%，坚固性<3%，砂当量>65%，集料各项性能符合JTG/T 3363-02—2019和JTG F40—2004的要求。

(3)玄武岩短切纤维：陕西西安某玄武岩纤维股份有限公司生产，长度7 mm，单丝公称直径12 μm。技术性能见表2，满足(JT/T 776.1—2010)《玄武岩短切纤维》要求。

表2 玄武岩短切纤维性能与技术要求Table 2 Properties and technical requirements of basalt chopped fiber

1.2 试验方法

(1)黏度试验：采用Brookfield DV-Ⅱ+Pro型旋转粘度仪，频率50 Hz，黏度精度为±1.0%，根据仪器说明书规定的不同转子所对应的速率和黏度范围，选用SC4-21号转子，速率为20 r/min，试验按照布洛克菲尔德黏度计法进行。试验研究间隔2wt%,从2wt%～10wt%变化共5组玄武岩短切纤维，将玄武岩纤维改性环氧沥青置于120 ℃油浴中养护，记录不同养护时间下黏度变化趋势。

(2)直接拉伸试验：按照JTG E20—2011试验规程中T 0629—2011沥青断裂性能试验进行，在标准试模中浇筑2wt%～10wt%玄武岩纤维改性环氧沥青试样，接着在23 ℃水浴中保温3 h，试验时控制拉伸速率为1 mm/min。

(3)贯入剪切试验：加热纤维改性环氧沥青至150 ℃，在马歇尔试模中浇筑φ101.6 mm×H63.5 mm试样，按照JTG/T 3363-02—2019养护要求，在60 ℃水浴中养护4 d使环氧沥青完全固化。贯入剪切试验加载速率为50 mm/min。

(4)高温性能试验：钢桥面环氧沥青铺装层在服役期间极端高温可达70 ℃，为了模拟高温条件下环氧沥青混合料的抗永久变形能力，JTG/T 3363-02—2019要求环氧沥青混合料70 ℃、0.7 MPa的动稳定度不小于6 000 times/mm，但未考虑超载对环氧沥青混合料高温性能的影响。本文通过调整试验钢轮接地压强进行超载30%、50%、80%、100%荷载条件下的车辙试验。

(5)低温性能试验：为了从能量角度揭示玄武岩纤维阻止裂纹扩展的能力，采用预切口梁三点弯曲试验，根据荷载-位移包络线计算玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的断裂能。小梁弯曲试验方法按照JTG E20—2011中T 0715—2011进行，预切口梁三点弯曲试验的试件制备方法与加载方式同小梁弯曲试验，预切口缝高比为0.5，缝高为2.5 cm，加载点位于切缝正上方，记录加载过程中荷载-位移曲线，以位移为横坐标，荷载为纵坐标，先计算荷载-加载点位移曲线与横坐标的包络线面积(W)，然后根据文献[3-5]研究成果，计算断裂能(GF)。

(6)疲劳试验：采用三点加载控制应变疲劳试验评价玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的抗疲劳开裂性能，试验温度为20 ℃，应变水平为800×10-6、1 000×10-6、1 200×10-6和1 500×10-6。

(7)SEM试验：采用库塞姆(COXEM)电子显微镜制造商生产的EM-30Plus型SEM获取6wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的微观结构形貌，分析玄武岩纤维对环氧沥青的改性机理。

2 结果与讨论

2.1 黏度试验

黏度是表征环氧沥青施工和易性和确定环氧沥青容留时间的重要控制指标。不同养护时间玄武岩纤维改性环氧沥青的黏度如图1所示。由图1可知，在120 ℃养护条件下，玄武岩纤维改性环氧沥青的黏度随养护时间延长呈线性增加，且黏度-时间曲线的拟合优化度R2均大于0.95，相同养护时间，玄武岩现场掺量越大，玄武岩纤维改性环氧沥青的黏度越大，并且拟合方程斜率随玄武岩纤维掺量增加而增大，说明增加玄武岩纤维掺量提高了环氧沥青黏度对养护时间的敏感性，分析其原因，纵横交错分布在环氧沥青中的玄武岩纤维起到桥接、加筋作用，增加了环氧沥青的内摩阻力。根据文献[1-3]研究成果，要求环氧沥青施工黏度为1.0～3.0 Pa·s，通过图1黏度-时间曲线方程反算玄武岩纤维改性环氧沥青容留时间上下限，掺加0wt%、2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武岩短切纤维后环氧沥青容留时间下限分别为39 min、35 min、33 min、32 min、31 min、30 min，容留时间上限分别为80 min、64 min、59 min、55 min、48 min、43 min，可见玄武岩纤维掺量越大，玄武岩纤维改性环氧沥青的容留时间越短，而掺加2wt%～10wt%玄武岩短切纤维改性环氧沥青的上限容留时间均满足>40 min施工和易性要求。

图1 不同养护时间环氧沥青黏度曲线Fig.1 Viscosity curves of epoxy asphalt with different curing time

2.2 拉伸试验

直接拉伸试验结果如图2所示，玄武岩纤维改性环氧沥青的拉伸强度和断裂伸长率均随着玄武岩纤维掺量增加呈二次函数关系变化，拟合优化度R2达到了0.99。掺加2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武岩纤维环氧沥青比普通环氧沥青拉伸强度分别提高8.9%、15.6%、18.9%、17.8%、14.4%，断裂伸长率分别提高23.6%、42.0%、49.0%、44.6%、35.0%，在玄武岩纤维掺量为6wt%时改性环氧沥青的断裂强度和断裂伸长率均达到峰值。分析其原因，玄武岩纤维的加筋作用、吸附稳定作用使玄武岩纤维改性环氧沥青表现出较高的拉伸强度和优异的变形能力。观察破坏界面形态，8wt%、10wt%纤维改性环氧沥青在破坏界面有明显的纤维聚集现象，破坏界面的纤维数量明显增多，有明显拔出痕迹和破坏界面纤维团聚现象，图3为玄武岩纤维在环氧沥青中的SEM照片，由图可知，掺加8wt%、10wt%玄武岩纤维因分散不均匀而产生结团现象，导致玄武岩纤维改性环氧沥青试件中纤维与环氧沥青裹附状况不良而出现软弱结构面，在纤维聚集处拉应力不能均匀传递，会诱发纤维聚集处产生应力集中现象，玄武岩纤维掺量大于6wt%时会出现不均匀问题和结团现象，导致断裂强度下降。

图2 不同玄武岩纤维掺量环氧沥青拉伸试验结果Fig.2 Tensile test results of epoxy asphalt with different basalt fiber content

图3 玄武岩纤维在环氧沥青中的SEM照片Fig.3 SEM images of basalt fiber in inepoxy asphal

2.3 贯入剪切试验

贯入剪切试验结果如图4所示。由图4可知，随着玄武岩纤维掺量增加，环氧沥青贯入剪切强度先增大后减小，贯入剪切位移先减小后增大，掺加2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武岩纤维的环氧沥青比普通环氧沥青贯入剪切强度分别提高了14.7%、33.6%、62.3%、34.8%、24.1%，贯入深度分别减小了10.8%、26.9%、31.3%、30.1%、22.5%。贯入剪切强度试验和拉伸试验结果相类似，掺加6wt%玄武岩纤维对环氧沥青高温抗剪切性能的改善作用最明显。

图4 不同玄武岩纤维掺量环氧沥青贯入剪切试验结果Fig.4 Penetration shear test results of epoxy asphalt with different basalt fiber content

2.4 玄武岩纤维改性环氧沥青混合料路用性能

2.4.1 玄武岩纤维改性环氧沥青混合料配合比设计

选用JTG/T 3363-02—2019推荐的EA-10级配中值，试验矿料级配如表3所示。每种玄武岩纤维掺量下以预估油石比为中值，按照±0.2%变化5组环氧沥青用量，成型马歇尔试件，按照JTG/T 3363-02—2019进行养护，以未固化和固化后马歇尔试验测试体积参数，玄武岩纤维改性环氧沥青EA-10混合料配合比设计结果如表4所示。

表3 EA-10环氧沥青混合料级配Table 3 EA-10 epoxy asphalt mixture gradation

表4 玄武岩纤维改性环氧沥青EA-10混合料配合比设计结果Table 4 Design results of basalt fiber modified epoxy asphalt EA-10 mixture

环境极端温度高且受力条件严苛的重载道路，对环氧沥青的路用性能和耐久性能提出了更高要求。在最佳油石比条件下成型试件，并按照JTG/T 3363-02—2019要求进行加速养护，研究玄武岩纤维掺量对环氧沥青混合料性能的影响。

2.4.2 高温稳定性

采用高温、超载条件下的车辙试验验证玄武岩纤维改性环氧沥青混合料在高温、重载行车环境下的耐候性。超载30%、50%、80%、100%对应的试验钢轮接地压强分别为0.91 MPa、1.05 MPa、1.26 MPa、1.40 MPa，70 ℃试验温度已经接近南方高温季节钢桥面铺装层极端最高温度，因此试验温度采用70 ℃，试验轮加载速率为42 times/min，试验结果见表5。

表5 玄武岩纤维改性环氧沥青混合料高温性能试验结果Table 5 High temperature performance test results of basalt fiber modified epoxy asphalt mixture

由表5可知，在70 ℃、0.70 MPa加载条件下，6组环氧沥青混合料的动稳定度均超过了12 000 times/mm，同时车辙深度不足1 mm，环氧沥青热固性赋予了其混合料优异的高温稳定性。相同轮压条件下，玄武岩纤维改性环氧沥青混合料动稳定度随玄武岩纤维掺量增加先增大后减小，车辙深度呈先减小后增大趋势，在玄武岩纤维掺量为6%时环氧沥青混合料的高温性能最优，分析以为，“桥接”和“搭接”分散在环氧沥青混合料中的玄武岩纤维起到了增韧阻裂、加筋、增黏、稳定作用，纤维形成的加筋网状结构阻碍、限制了高温荷载作用下集料的转向位移和胶浆的压密变形，从而提高了环氧沥青混合料的整体性和高温稳定性。环氧沥青混合料的动稳定度随着试验钢轮接地压强增大而逐渐减小，车辙变形量不断增大，环氧沥青混合料动稳定度对试验轮接地压强变化极为敏感，试验轮接地压强由0.70 MPa增大至1.40 MPa，超载100%。0wt%、2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武岩纤维环氧沥青混合料动稳定度分别衰减至初始值(标准试验条件)的7.7%、12.5%、14.7%、17.3%、12.4%、9.9%。在1.40 MPa试验轮荷载作用下，2wt%～10wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的动稳定度范围为1 365～2 898 times/mm，比普通环氧沥青混合料的动能稳定度增加了45%～207%，车辙深度降低了35.1%～44.2%，尤其是6wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料，在70 ℃、超载100%条件下动能稳定度仍接近3 000 times/mm，车辙深度不足3 mm，可见掺加玄武岩纤维显著改善了超载、高温作用下环氧沥青混合料的抗永久变形能力，明显提高了环氧沥青混凝土铺筑对高温、超载行车环境的适用性。

2.4.3 低温抗裂性能

固化后的环氧沥青劲度模量大，柔性低，延展性差，易脆裂，尤其是低温环境条件下环氧沥青混合料普遍存在低温性能不足的问题。玄武岩纤维改性环氧沥青混合料低温性能试验结果如表6所示。

表6 玄武岩纤维改性环氧沥青混合料低温性能试验结果Table 6 Low temperature performance test results of basalt fiber modified epoxy asphalt mixture

由表6可知，随着玄武岩纤维掺量增加，环氧沥青混合料弯拉强度、跨中挠度、极限弯曲应变、荷载-位移包络线面积、断裂能5个指标均呈先增大后减小趋势，掺加6wt%玄武岩纤维时，环氧沥青混合料的弯拉强度、跨中挠度、极限弯曲应变、荷载-位移包络线面积、断裂能5个指标均达到最大值。掺加6wt%玄武岩纤维后，普通环氧沥青混合料的极限弯曲应变由2 579.7×10-6增大至3 787.3×10-6，4wt%～10wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的极限弯曲应变>3 000×10-6，满足JTG/T 3363-02—2019规范弯曲应变>3 000×10-6的要求，玄武岩纤维极大提高了环氧沥青混合料的低温强度和柔性变形能力。相较于普通环氧沥青混合料，掺加2wt%～10wt%玄武岩纤维后，玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的荷载-位移包络线面积、断裂能分别增大了44.9%～138.1%、25.5%～106.3%，可见掺加玄武岩纤维有助于提高破坏强度，增加裂纹的扩展路径长度，纤维的阻裂作用延缓了裂纹的发展，增加了试件破坏能量。

2.4.4 抗疲劳性能

环氧沥青混合料桥面铺装的设计寿命不小于15年，在服役期间承受环境极端高低温、车辆荷载重复作用，其应具备优异的抗疲劳性能，不产生疲劳开裂病害。疲劳试验过程中发现，环氧沥青混合料的疲劳寿命有百万次，试验加载耗时长，故本文只进行了普通环氧沥青混合料和6wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料两组对比试验，结果见表7，疲劳曲线见图5。

表7 环氧沥青混合料疲劳试验结果Table 7 Fatigue test results of epoxy asphalt mixture

图5 不同玄武岩纤维掺量下环氧沥青的疲劳曲线Fig.5 Fatigue curves of epoxy asphalt with different addition of basalt fibers

由表7可知，在800×10-6、1 000×10-6、1 200×10-6、1 500×10-6应变水平下，6wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的疲劳寿命分别比普通环氧沥青混合料提高了33.2%、40.3%、45%、52.2%，可见掺加玄武岩纤维显著改善了环氧沥青混合料的抗疲劳性能，并且应变水平越高，玄武岩纤维对环氧沥青混合料疲劳寿命的改善效果越明显。由图5可知，环氧沥青混合料的疲劳寿命随应变水平提高呈负线性相关，疲劳方程拟合优化度R2>0.98，相较于普通环氧沥青混合料，6wt%玄武岩纤维改性沥青混合料疲劳方程的斜率绝对值减小了13.5%，疲劳方程截距增大了4.6%，表明掺加6wt%玄武岩纤维增大了环氧沥青混合料的疲劳寿命，同时降低了疲劳寿命对应变水平的敏感性。

2.5 玄武岩纤维改性环氧沥青混合料微观结构

6wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料的微观结构形貌如图6所示。

由图6(a)、(b)可知，玄武岩纤维之间通过“桥接”“搭接”“锚固”呈三维网状结构分布于环氧沥青混合料中，存在多个交织点。在破坏界面处玄武岩纤维横跨裂缝两端，在纤维根部有明显的拉出痕迹，玄武岩纤维贯穿裂纹，一方面将外界荷载传递给纤维锚固处的环氧沥青混合料，使环氧沥青混合料协同受力，同时纤维具有较高的抗拉强度，从而分担了拉应力。另一方面，裂纹产生后，纤维加筋网状结构横跨裂缝两端，起到明显的阻裂和增韧作用，阻止或延缓了裂缝的发展与扩展，增加了裂纹的扩展路径长度，约束了矿料的滑移和胶浆的压密变形，从而显著改善了环氧沥青混合料的抗裂性能与高温稳定性。由图6(c)、(d)可知，玄武岩纤维表面被环氧沥青完全裹附，二者黏结状况良好，玄武岩纤维有较大的表面积能够吸附环氧沥青，一方面增加了环氧沥青混合料的环氧沥青用量，这有助于增强界面黏结强度，减小黏结失效破坏。另一方面，玄武岩纤维与环氧沥青的良好黏结，使得玄武岩纤维加筋、阻裂、增黏作用发挥更加充分。纤维就像钢筋混凝土中的钢筋一样，在外界荷载作用时，先受力有位移趋势的部位将力传递给周围纤维，纤维与环氧沥青胶浆良好黏结，最终可形成一个空间整体的受力区，纤维加筋网与环氧沥青之间的“桥接”“锚固”，进一步加强了纤维对环氧沥青混合料的阻裂和分散应力作用。

图6 玄武岩纤维在环氧沥青混合料中的微观形貌Fig.6 Micro-morphology of basalt fiber in epoxy asphalt mixture

3 玄武岩纤维改性环氧沥青混合料铺装工程应用

根据室内研究成果将双层热拌玄武岩纤维改性环氧沥青混凝土应用于内蒙古呼和浩特市某城市主干线公路钢桥面铺装大修工程。原钢桥面铺装采用双层7 cm厚SMA沥青混凝土(3 cm AMA-10+4 cm SMA-13)，服役3年后产生了大量车辙和推移病害，经方案比选，热拌环氧沥青混凝土较温拌沥青混凝土施工质量控制难度低，容错率高，占用车道少，保养时间短，尤其是环氧沥青混合料突出的高温稳定性和抗疲劳性能优势。考虑到本项目近十年极端最低温平均值小于25 ℃，大中修工程中选择掺加6wt%玄武岩纤维。局部清除原铺装层后对钢桥面板喷砂除锈(表面清洁度Sa2.5级，粗糙度60～140 μm)，喷涂环氧富锌底漆(用量0.2 kg/m2)，洒布防水黏结层(2层甲基丙烯酸甲酯树脂，用量3.0 kg/m2，环氧树脂黏结剂，用量0.7 kg/m2)，摊铺4.0 cm厚EA-10玄武岩纤维改性环氧沥青混凝土铺装下层(玄武岩纤维掺量6wt%)，洒布环氧沥青黏结剂(用量0.45 kg/m2)，摊铺3.0 cm EA-10玄武岩纤维改性环氧沥青混凝土铺装磨耗层(玄武岩纤维掺量6wt%)。2016年5月施工完成后，玄武岩纤维改性环氧沥青混凝土铺筑已经服役长达3年，连续3年现场回访调查均未见明显高温车辙和低温开裂病害，仅与SMA铺装接缝处有轻微开裂，但开裂并未发展为松散脱落，这是接缝处理不当所致，总体上，双层玄武岩纤维改性环氧沥青混合料用于钢桥面病害修补取得了满意的使用效果，达到了研究应用目的。

4 结 论

(1)掺加玄武岩纤维后环氧沥青的黏度增大，容留时间减短。在玄武岩纤维掺量为6wt%时玄武岩纤维改性环氧沥青的断裂强度和断裂伸长率、贯入剪切强度达到峰值。

(2)掺加玄武岩纤维显著改善了重载、高温作用下环氧沥青混合料的抗车辙能力，随着玄武岩纤维掺量增加，环氧沥青混合料弯拉强度、跨中挠度、极限弯曲应变、荷载-位移包络线面积、断裂能5个指标均呈先增大后减小趋势，掺加玄武岩纤维有助于提高破坏强度，增加裂纹扩展路径长度，显著改善环氧沥青混合料的低温抗裂性能和抗疲劳耐久性。

(3)玄武岩纤维与环氧沥青的良好黏结强度，使得玄武岩纤维加筋、阻裂、增黏作用发挥更加充分，掺加玄武岩纤维提高了环氧沥青混合料的整体性，玄武岩纤维的加筋、阻裂和增韧作用，阻止和延缓了破坏裂缝的产生与发展。

(4)实体工程应用表明6wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混合料比双层SMA钢桥面铺装表现出了更优异的抗车辙性能，将6wt%玄武岩纤维改性环氧沥青混凝土应用于高寒地区钢桥面铺装是可行的。