玄武岩纤维改性沥青胶浆流变性能研究

宋 挺 区 桦 林小玉

(1.湖北交投武黄高速公路运营管理有限公司 武汉 430205；2.中南安全环境技术研究院股份有限公司 武汉 430070)

随着交通量的不断增长，公路上对沥青混合料路用性能的要求也越来越高。近年来，把纤维视为一种添加剂或者改性剂，添加到沥青混合料当中，成为提高沥青胶浆粘结性、改善混合料的抗剪能力、延长路面使用寿命的常见方法。

玄武岩纤维是由天然玄武岩拉制得到的新型纤维材料，经过高温拉丝和表面处理之后，玄武岩纤维一般具有耐腐蚀性强、抗高温性能好、拉伸强度及弹性模量大等特性，与沥青和集料有较高的契合性，在道路工程建设中是一种有发展前景的环保新型材料。

在沥青混合料中，沥青胶浆是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系，它的组成结构决定沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力[1]。根据美国夏普技术的研究结论，可认为沥青胶浆对混合料的高温车辙作用约为29%左右，对抗低温开裂作用率约为87%，对疲劳作用率约为52%[2-3]。Davar等[4]研究发现玄武岩纤维能提高沥青混合料的低温变形能力，从而减少沥青路面开裂；马立杰等[5]研究表明玄武岩纤维能增加高模量沥青的柔韧性和强度，并对其作用机理进行了初步探究；张文刚等[6]基于断裂力学及界面理论，探讨了路用矿物纤维对沥青胶浆的作用效应；彭波等[7]提出了纤维沥青胶浆的作用机理，认为纤维使沥青胶浆的老化性与水稳定性得到改善。

根据目前国内外研究可知，虽然沥青胶浆在沥青混凝土中存在比例不算大，但沥青胶浆的结构及性能直接影响着沥青混凝土的路用性能。因此，为评价玄武岩纤维对沥青胶浆的作用效果，本文选用DSR试验、BBR试验，对胶浆的高温性能、低温性能进行研究。综合分析玄武岩纤维对沥青材料性能的作用效果，了解玄武岩纤维沥青胶浆的整体性能。

1 原材料及试验设计

1.1 原材料

(1)沥青

采用SBS(I-D)改性沥青，其技术指标如表1。

表1 沥青技术指标

(2)矿粉

矿粉选取采用强基性岩石磨细得到的矿粉。矿粉应干燥、洁净，其技术指标见表2。

表2 矿粉技术指标

(2)玄武岩纤维

与其他道路纤维相比，玄武岩纤维对环境的友好度较高，材料整体弹性模量大，拉伸性能好，且材料性能稳定、不容易随环境发生变化。本次试验使用的玄武岩纤维为6mm短切玄武岩纤维。参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004 )、《公路工程玄武岩纤维及其制品》(JT/T 776-2010 )等[8-9]，对试验用各种纤维的相关性能进行了检测，其技术指标如表3所示。

表3 玄武岩纤维基本性能指标

1.2 试验方案

为分析玄武岩纤维掺量对沥青性能的作用效果，本文采用上述6mm短切玄武岩纤维，固定粉胶比为0.8，分别制备玄武岩纤维掺量为1%、2%、3%、4%的纤维沥青胶浆(沥青混凝土油石比5.0%时，纤维在混凝土中的掺量当量为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%)，分别采用DSR试验、BBR试验评价不同玄武岩纤维掺量的沥青胶浆高温性能及低温性能。

1.3 试验方法

(1)纤维沥青胶浆高温流变试验

借鉴美国SHRP评价沥青的方法，采用动态剪切流变仪进行沥青胶浆高温流变性能试验。DSR采用复数剪切模量(G*)、相位角(δ)表征材料的粘弹性。其中，G*为剪切复数模量，用以度量沥青重复剪切变形时的总阻力；δ是对沥青施加的正弦应力与因此产生的正弦应变间的相位差[10-13]。采用G*/sinδ表示材料抗高温变形能力。G*/sinδ越大，表示沥青胶浆具有更好的的高温抗车辙变形能力。

本文选用的平行板模具直径25mm，板间放置1mm的沥青胶浆，测试试验温度分别为70℃、76℃、82℃、88℃沥青胶浆的G*、δ。

(2)纤维沥青胶浆低温弯曲流变试验

借鉴美国SHRP计划中的弯曲梁流变试验(BBR)，研究沥青胶浆低温性能。通过蠕变劲度S和蠕变速率m评价纤维沥青胶浆低温抗裂效果。蠕变劲度S可反映沥青胶浆抵抗荷载的能力。蠕变速率m表示荷载作用下材料劲度的变化率，反映纤维沥青胶浆应力松弛能力，m值越大表示沥青胶浆在温度发生变化时内应力消散。本文试验温度环境分别设置为-18℃、-12℃、-6℃。

2 玄武岩纤维微观特性

纤维微观特性直接影响着玄武岩纤维吸附沥青的能力、玄武岩纤维在胶浆中的分散性，并影响沥青和矿料的结合能力，因此，纤维性质可直接影响到沥青胶浆及沥青混凝土材料性质。为了便于理解玄武岩纤维与沥青的相互作用效果，利用扫描电镜拍摄玄武岩纤维的微观结构照片，扫描电镜照片如图1所示。

图1 玄武岩纤维微观结构照片

由玄武岩纤维扫描电镜照片可知，玄武岩纤维整体呈现光滑的圆柱状，相对其他纤维材料而言整体比表面积更小。这是由于玄武岩熔融形成纤维的过程中、纤维材料成型前，在表面张力作用下发生收缩，最终形成表面积最小的圆柱形，同时由于玄武岩纤维与其它纤维相比具有更大的刚度，应用过程中具有较好的分散性，不易缠绕成团[14-15]。

3 玄武岩纤维改性沥青胶浆性能研究

3.1 玄武岩纤维沥青胶浆高温流变性能

不同玄武岩纤维掺量下的胶浆材料DSR试验结果如表4所示。

表4 沥青胶浆DSR试验结果

图2 沥青胶浆不同纤维掺量及试验温度下DSR试验结果

由以上沥青胶浆不同纤维掺量及试验温度下的高温流变试验结果可知，粉胶比一定时，随着试验温度增加，玄武岩纤维沥青胶浆抗车辙因子G*/sinδ存在有不同幅度的下降。可以认为，这种现象的原因是沥青胶浆中的粘性成分比例随温度升高而增大，削弱了玄武岩纤维作用效果。随着玄武岩纤维的掺入，抗车辙因子G*/sinδ随之增加，胶浆的抗车辙因子G* /sinδ随纤维掺量的增加而提高的幅度越小，88℃环境下，掺加3%玄武岩纤维的沥青胶浆抗车辙因子较不掺加纤维的沥青胶浆提高了53.8%；纤维掺量提升到4%，沥青胶浆抗车辙因子较不掺加纤维的沥青胶浆提高了59.1%。可以认为，这种现象的原因是纤维吸附沥青、同时分布在胶浆中产生多向加筋效果，沥青流动性降低从而使材料整体稠度增加，使沥青的粘结力增强，胶浆整体的高温稳定性改善。

3.2 玄武岩纤维胶浆低温流变性能

不同玄武岩纤维掺量下的胶浆材料BBR试验结果如表5所示。

表5 沥青胶浆BBR试验结果

图3 沥青胶浆不同纤维掺量及试验温度下DSR试验结果

观察不同玄武岩纤维掺量及试验温度下沥青胶浆低温流变试验结果可知，粉胶比一定时，纤维掺量增加，玄武岩纤维沥青胶浆的蠕变劲度值S呈先减少后增大的趋势，蠕变速率m呈先增大后减小的趋势。-6℃、-12℃、-18℃环境下，掺加4%玄武岩纤维的沥青胶浆蠕变劲度较不掺加纤维的沥青胶浆对照组分别增加了6%、10%和8%。

沥青胶浆的蠕变劲度降低，说明掺加玄武岩纤维后沥青胶浆在低温环境中具有更好的柔性，使沥青混凝土也会具有更好的抗开裂性能。蠕变速率增大，表明沥青材料应力松弛能力强，材料开裂的可能性随之减小。试验过程中，随纤维掺配比掺量逐渐增大，沥青胶浆测试结果存在较为明显的变异性，纤维掺配比增大削弱了其在浆体中的分散均匀性，试验中测试数据的离散性增大[16]。

4 结论

(1)玄武岩纤维和其他纤维材料相比，表面整体较为光滑，便于纤维均匀分散在胶浆中，不容易结团，有利于材料应用。

(2)玄武岩纤维能够使沥青流动性降低，从而使材料整体稠度增加，使沥青的粘结力增强。

(3)玄武岩纤维沥青胶浆高温流变试验结果表明，随着温度升高，不同纤维掺量的沥青胶浆高温抗车辙因子随之升高，但玄武岩纤维的掺入对沥青胶浆的抗车辙性能具有良好改善作用。

(4)玄武岩纤维沥青胶浆在蠕变过程中受纤维界面传递和阻滞作用，玄武岩纤维的掺入能够改善沥青胶浆的低温性能。玄武岩纤维沥青胶浆的高温稳定性及低温抗裂性都得到改善，玄武岩纤维是一种较好的沥青改性材料。