纤维与沥青胶浆粘附性新型测试仪器的应用

吴 星，康爱红,2，吴正光,2，肖 鹏,2，吴帮伟,2，单桂军

（1. 扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2. 江苏省玄武岩纤维复合建筑材料工程研究中心，江苏 扬州 225127；3. 江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司，江苏 仪征 211400）

目前我国公路里程日益增长，“十三五”交通发展规划中指出，我们国家的公路里程要在2020 年末达到500 万公里[1]。然而，随着时间的增加，环境的变迁，沥青路面会不断遭受着各种形式的破坏[2]。路面的病害形式主要是路面裂缝，其中横向和纵向的裂缝占比在30%和40%左右[3]。由于玄武岩纤维的各项物理化学性能都较好[4]，在较为恶劣的环境下，玄武岩纤维沥青混合料的抗疲劳性能表现十分优秀[5-7]，且其原料在我国储量巨大[8]，因此对玄武岩纤维增强沥青混合料的研究就显得尤为重要。然而大部分学者主要对其宏观性能进行研究[9-14]，但也有一些学者对纤维与沥青胶浆的粘结做了研究。王恒武等[15]采用Cox 剪滞模型来表征纤维与基体之间的界面粘结模型；郭寅川等[16]发现，纤维和沥青胶浆浸润情况较好可以使二者形成更好的整体，从而提高其抗裂性能。纤维的加入主要是与沥青结合，在混合料中起着非常重要的作用，纤维对沥青的影响与其对沥青混合料的影响具有良好的相关性[17-18]。国内外许多学者都开始关注纤维沥青的性能理论研究[19-20]，纤维与沥青之间的粘附性能对揭示纤维在沥青胶浆内的作用机理有着较大的意义，因此有必要对纤维对沥青胶浆的粘附性进行研究。

由于市面上对于纤维与沥青胶浆之间的粘附性测试仪器很少，因此本文采用自制的新型沥青胶浆纤维拉拔试验机[21]，通过试验及分析确定了纤维与沥青胶浆的最大粘结强度与粉胶比、纤维埋置长度、纤维聚集状态的关系，得出了一定的结论，对纤维与沥青胶浆之间的粘附性能评价及表征以及纤维沥青混合料的深入研究有一定的意义。

1 试验材料

1.1 SB S 改性沥青

本文所用的沥青为成品SBS 改性沥青PG76-22，各项技术指标均满足规范要求，具体性能试验结果见表1。

表1 SBS 改性沥青性能检测数据

1.2 矿粉

本文所用矿粉是由石灰岩磨制而成，表面较为干净，各项指标也符合《JTG F40-2004 公路沥青路面施工技术规范》，性能参数见表2。

表2 矿粉性能检测数据

1.3 纤维

本文所用纤维为江苏天龙玄武岩连续纤维、吉林通鑫玄武岩连续纤维，两种纤维都属于亲油类纤维。江苏天龙玄武岩纤维为400 孔、16 μm，聚集状态较差，称之为1#纤维；吉林通鑫玄武岩纤维为400 孔、17 μm，聚集状态较好，为2#纤维。这里所说的聚集状态用单束纤维的宽度大小表示。

本文参考了《JTG F40—2004 公路沥青路面施工技术规范》和《GB/T 25045—2010 玄武岩纤维无捻粗纱》等标准，对试验所用纤维进行了检测，试验所得的各项参数见表3。

表3 纤维性能检测结果

1.4 粉胶比的确定及沥青胶浆试样制备

根据《JTG F40—2004 公路沥青路面施工技术规范》的要求及本课题组的不同级配混合料试验结果，按照规范要求计算得到几种常用级配对应的粉胶比（FB）如表4 所示，最终确定试验所用粉胶比为0.8、1.0、1.2、1.4。

表中γsb为各级配的合成毛体积相对密度，无量纲；γse为各级配的有效相对密度，无量纲；γb为所使用SBS 改性沥青的相对密度（25 ℃），无量纲；Pba为沥青混合料中被集料吸收的沥青结合料比例；Pa为掺加玄武岩纤维后的最佳油石比，%；Pb为最佳沥青用量；Pbe为沥青混合料中的有效沥青含量；P0.075为矿料级配中0.075 mm 的通过率（水洗法）。

在试验之前，先将SBS 改性沥青及矿粉放入烘箱中，在160 ℃保温3～4 h，之后按照粉胶比的要求，称取一定的沥青及矿粉，制作沥青胶浆并且浇筑试样进行试验。

表4 不同级配粉胶比计算表

2 试验方法

2.1 拉拔试验测试流程概述

纤维沥青拉拔仪的温度控制器的控温范围为10～80 ℃，精度为0.1 ℃；拉力传感器的最大拉力为30 N，精度为0.001 N；位移传感器的最小单位为1 mm。根据课题组之前研究中实验数据最为稳定（变异系数最小）的试验温度进行试验，试验温度为40 ℃[21]。试验时发现纤维埋置长度较短时，放置纤维时产生的人为误差较大，因此本文中纤维埋置长度参考之前的研究[21]，采用比常用短切玄武岩纤维更长的12、20、30 mm 进行试验来研究玄武岩纤维与沥青胶浆之间的粘附性。拉拔速率为10 mm/min[21]，以保证试验过程的稳定。在同一粉胶比及同一埋置长度下做3 次测试，取平均值为拉拔试验结果，为保证试验结果的可靠性，若单个试样的测试结果与平均值偏差超过10%，则重新取样做试验。

图 1(a)中蓝色箭头指的为沥青胶浆试样浇筑模具，沥青胶浆制作完毕后，先将160 ℃沥青胶浆倒入试样模具的对应格栅内，待沥青胶浆达到模具一半高度时（图1(b)），按照埋置长度放入纤维（图1(c)），并继续倒入沥青胶浆（图1(d)），直到倒满对应的模具格栅，则测试试样浇筑完成，待试样冷却，将单束纤维的一头与图1(a)红色箭头标记的纤维固定器连接（固定器可以通过螺栓在固定器平台上进行移动，使用不同的浇筑格珊时，需要移动固定器使其中心线与浇筑格珊中心线重合），随后在控制器（图1(e)）中设置温度和纤维拉拔速度，控温1 h 后进行拉拔测试，图1(f)为纤维从沥青胶浆中拔出后的图片。

图1 拉拔试验测试流程

2.2 纤维与沥青胶浆界面粘结力测定

依据Broutman[22]提出的单根纤维拔出实验中提出的界面粘结强度计算公式τ=P/2πrL（其中P为拉拔力，r为纤维半径），本方法[21]提出改进的粘结强度测试方法如下所示：

式（1）中：τmax为纤维与沥青胶浆的最大粘结强度，MPa；Fmax为试验过程中纤维所承受的最大拉拔力，N；S为纤维与沥青胶浆的近似接触面积，mm2；w为纤维试样横截面宽度，mm；h为纤维试样横截面高度，mm；对于400 根/束的纤维试样，L为纤维埋置长度，mm；h的计算按照式（3）计算，结果精确至0.001 mm；d为单根纤维直径，mm。

2.3 沥青胶浆动态剪切流变试验

美国SHRP 提出了一种用动态剪切流变仪来测试沥青流变性能的方法，本文采用的仪器是Bohlin ADS流变仪（见图2）。

图2 动态剪切流变仪

试验对40 ℃（拉拔试验温度）至64 ℃（沥青软化点）之间的不同温度下沥青胶浆的复数粘度进行测试，研究粉胶比对复数粘度的影响。

3 试验结果与分析

3.1 粉胶比对τmax 的影响

不同埋置长度下，粉胶比为0.8、1.0、1.2、1.4时1#纤维的最大粘结强度（τmax）如图3 所示。

图3 不同FB 下1#玄武岩纤维最大粘结强度

由图3 可知，在同一埋置长度下，1#纤维最大粘结强度随着粉胶比的增大而增大。这主要是由于矿粉的增加导致更多的沥青与矿粉结合成为结构沥青薄膜，使得玄武岩纤维与沥青胶浆之间的粘结更加紧密，纤维从沥青胶浆中拔出时的摩擦系数变大，在拉拔过程中所受到的阻力也更大。2#纤维呈现相同规律，不重复说明。

3.2 粉胶比对复数粘度的影响

在对不同粉胶比的沥青胶浆试样进行动态剪切流变试验后，对不同试验温度下粉胶比对复数粘度的影响进行分析，粉胶比为0.8、1.0、1.2、1.4 时，不同温度下的复数粘度如表5 所示。

表5 不同粉胶比下沥青胶浆的复数粘度

由表5 可知，粉胶比的范围为0.8～1.4 时，在40 ℃（拉拔试验温度）至64 ℃（沥青软化点）之间的不同温度下沥青胶浆的复数粘度随着粉胶比的增大而增大。这就合理地解释了最大粘结强度随着粉胶比的增大而增大的现象，粉胶比的增大使得沥青胶浆的粘度增大，具体表现为结构沥青薄膜的增多和拔出过程的摩擦力的增大，从而导致τmax的增大。

3.3 纤维埋置长度对τmax 的影响

分析在不同粉胶比下纤维埋置长度对最大粘结强度的影响，不同粉胶比下，埋置长度为12、20、30 mm时1#纤维的τmax如图4 所示。

图4 不同埋置长度下1#纤维最大粘结强度

由图4 可知在同一粉胶比下，埋置长度对于最大粘结强度的影响不大。这主要是由于最大粘结强度受纤维及沥青胶浆的自身物理化学性质的影响较大。2#纤维呈现相同规律，不重复说明。

3.4 纤维聚集状态对τmax 的影响

本文采用的1#、2#纤维都是400 根每束，因此采用纤维宽度w来反映纤维的聚集状态。其中1#纤维的宽度为1.589 mm，2#纤维的宽度为1.063 mm。1#纤维和2#纤维在粉胶比为0.8、1.0、1.2、1.4、埋置长度为20 mm 时的最大拉拔力和最大粘结强度见表6。

表6 不同FB 下两种纤维的Fmax 和τmax

由表6 可知，在埋深20 mm 时，1#玄武岩纤维的最大拉拔力总是比2#玄武岩纤维的最大拉拔力大，1#玄武岩纤维大约为2#玄武岩纤维的1.3～2.0 倍，两种纤维的直径几乎相等，但是分散情况的差距较大，最后得到的最大拉拔力差距较大，因此纤维的分散状况对于最大拉拔力的影响较大。由于应力主要受纤维及胶浆物理化学性质影响，由上表也可以看出，聚集状态对τmax影响不大。在埋深12、30 mm 时也有相同的规律。

3.5 测试结果变异性分析

同种试验条件下需做3 次试验，变异系数是指同一实验条件下测试数据标准差与测试数据平均数的比值。在进行数据统计分析时，如果变异系数大于15%，则要考虑该数据可能不正常，应该剔除。1#纤维在粉胶比为0.8、1.0、1.2、1.4，埋置长度为12、20、30 mm时的Fmax变异系数如表7 所示。

表7 不同埋置长度下1#纤维Fmax 变异系数

由上表可知在埋置长度20 mm 时，1#玄武岩纤维Fmax变异系数均较小，2#纤维呈现相同规律。因此，本研究推荐纤维埋置长度为20 mm 用于测试纤维与沥青胶浆的粘附性。

3.6 τmax 与粉胶比和纤维埋置长度的灰色关联分析

根据1#和2#纤维在埋置长度为12、20、30 mm，粉胶比为0.8、1.0、1.2、1.4 时的τmax的数据（见表8），再按照关联度计算方法得到1#、2#纤维的τmax分别与纤维埋置长度、粉胶比的关联度（用A表示）。选取纤维的τmax和埋置长度与粉胶比数据，接着按照归一法将所有数据同时除以第一行的数据，并转置该组数据，在选用最大拉拔力为参照数列后，再按照关联系数计算方法，计算得到玄武岩纤维的τmax关联系数，最后按照每个指标之间的每行的关联系数的平均值求得纤维的τmax关联度。1#、2#纤维的τmax与纤维埋置长度、粉胶比的关联度汇总见表9。

表8 灰色关联数据

由表9 分析可知：τmax1#影响因素排序为粉胶比＞埋置长度，τmax2#呈现相同规律，由于玄武岩纤维与沥青胶浆的τmax是与纤维及沥青胶浆这两种不同物质的物理化学性质所决定的，而粉胶比的改变会导致沥青胶浆与纤维的界面接触性质发生改变，因此玄武岩纤维与沥青胶浆之间的最大粘结强度与粉胶比关系较大。

表9 不同纤维的τmax 与纤维埋置长度、粉胶比的关联度

3.7 天龙纤维τmax 的量化拟合分析与验证

3.7.1 天龙纤维τmax的量化拟合分析

由于课题组混合料试验使用的纤维为天龙玄武岩纤维即1#纤维，所以选取1#纤维进行粘结强度拟合分析。直接用τmax进行拟合分析的数据较少，因此通过Fmax的拟合结果推算τmax与粉胶比的关系。根据所有Fmax的测试数据进行MATLAB 多项式拟合后选取了R2最大的二元二次多项式Lar 稳健拟合形式，拟合结果如图5 所示。接着选取建议的20 mm 纤维埋置长度，按照式（1）—（3）推算出τmax与粉胶比的关系。

图5 1# 纤维Fmax 拟合图像

1#纤维的Fmax拟合方程为

在L=20 mm 时，利用式（1）计算得到τmax与粉胶比的关系公式为

3.7.2 天龙纤维τmax的量化拟合验证

将天龙纤维与SBS 沥青胶浆粘结强度计算拟合公式预估值与实际值进行对比，见表10。

表10 天龙纤维τmax 的量化拟合验证表

由此可知在本文试验范围内1#纤维即天龙玄武岩纤维与本文使用的SBS 沥青胶浆的量化计算拟合粘结强度公式可以较好地表征玄武岩纤维与SBS 改性沥青胶浆的粘附性，对玄武岩纤维沥青混合料的有限元模型等研究中起到一定的借鉴作用。

由式（5）可看出，在本文常用混合料粉胶比范围内，粉胶比越大玄武岩纤维与沥青胶浆的最大粘结强度越大。由于在沥青混合料中，纤维主要是和细集料形成的沥青胶浆相互粘结，裹腹在粗集料表面嵌挤形成混合料，因此纤维与沥青胶浆的粘附性能也会对混合料性能造成影响。因此，未来需要研究在规范范围内适当增加矿粉的使用或级配设计中0.075 mm 粒径的含量是否会导致混合料性能的提升。

3.8 沥青混合料中纤维与沥青胶浆τmax 预测

对课题组常用的沥青混合料的规范计算粉胶比对应的τmax进行预估（见表11）。

表11 常用级配计算粉胶比对应的τmax

由于在本课题组中使用天龙纤维进行混合料试验的级配对应的玄武岩纤维沥青混合料均有较好的性能表现，因此在使用与本试验同规格的其他常用的400根/束的玄武岩纤维进行混合料试验之前，可以使用这种新型沥青胶浆纤维拉拔试验机，按照此新型粘附性评价指标和规范计算粉胶比进行拉拔试验测试，看是否满足最大粘结强度值的要求，以确保其他厂家的玄武岩纤维的质量要求能够达到使用标准。

4 结论

（1）本文应用最新研制的拉拔仪进行试验发现玄武岩纤维与SBS 沥青胶浆中拔出的最大粘结强度受粉胶比影响较大，成正相关关系，与埋置长度、聚集状态关系不大。

（2）建议在纤维埋置长度为20 mm 时进行试验，此时试验变异系数较小，可以更稳定地对纤维与沥青胶浆的粘附性进行研究。

（3）对试验结果进行二元二次多项式拟合及推算可以在一定范围内较好地量化表征玄武岩纤维与沥青胶浆的粘附性指标。

（4）本文应用自制新型拉拔仪研究提出了几种常用沥青混合料级配对应的规范计算粉胶比对应的最大粘结强度要求，可以用于对市场上同种规格的玄武岩纤维的质量检验。