水镁石纤维沥青胶浆性能研究

张 顶

(青海省湟源公路工程建设有限公司 西宁 810000)

引言

在多种因素的耦合作用下，沥青路面更易出现损伤，对沥青路面的使用寿命有不利影响[1-6]。掺加纤维来改善沥青混合料性能是常用的方法之一，聚合物纤维、玄武岩纤维和木质素纤维等被广泛使用，取得了大量成果[7-10]。作为一种天然矿物纤维，水镁石纤维在中美俄等国家都有丰富的储量，合理的开发利用具有显著的环境和经济效益。

刘子铭等[11]研究了复掺钢丝绒纤维/水镁石纤维对沥青胶浆性能的影响，发现在保证分散性的条件下，复合纤维的掺入对沥青胶浆的高温性能有积极影响。熊锐等[12]发现水镁石纤维对沥青及沥青混合料的路用性能有显著改善作用。

杨晓凯[13]引入煤矸石，将其与水镁石纤维复合，研究两者协同作用对沥青混合料性能的影响。研究表明：两者协同可在沥青混合料中起到桥接、建立三维网络，增强沥青与集料粘附性等作用，从而达到改善沥青混合料性能的作用。然而，系统分析水镁石纤维对沥青胶浆性能影响的研究较少。

基于此，本文借助延度试验、锥入度试验、软化点试验、布氏粘度仪、Burgers模型来探究水镁石纤维对沥青胶浆性能的影响，以期为水镁石纤维在沥青材料中的应用提供有益参考。

1 原材料

本文所用原材料包括基质沥青、水镁石纤维及石灰石矿粉。

1.1 沥青

本研究所用的沥青为SK90#沥青，其性能如表1所示，均符合规范要求。

表1 SK90#沥青性能指标

1.2 矿粉

本文所用矿粉为石灰石矿粉，其技术指标如表2所示。

表2 矿粉技术指标

1.3 水镁石纤维

本文所用水镁石纤维宏微观形貌如图1所示，不同纤维技术指标如表3所示。由表可知，对比常用的路用纤维，水镁石纤维吸湿率低，耐热性强，吸油率较好，具有优良的使用特性。

图1 水镁石纤维宏微观形貌

表3 不同纤维基本性能

1.4 水镁石纤维胶浆制备工艺

水镁石纤维胶浆制备工艺如图2所示。

图2 水镁石纤维沥青胶浆制备工艺图

1.5 试验方法

1.5.1 黏温特性

借助布氏黏度仪，通过测试水镁石纤维沥青胶浆的135℃、150℃、165℃及180℃的布氏黏度，进而对其黏温特性进行研究。

1.5.2 蠕变柔量导数

基于王岚等人黏弹性理论[14]，借助Burgers模型将Kelvin与Maxwell元件二者串联以研究沥青材料的黏弹性质。蠕变应变为麦克斯韦模型和开尔文模型的应变之和，如式(1)所示：

(1)

其中，ε为应变；σ0为应力(MPa)；E1，η1，E2，η2分别是Maxwell和Kelvin模型的弹簧弹性模量和黏壶的黏性系数。

将式(1)两边同时除以σ0，即为蠕变柔量公式：如式(2)所示：

(2)

式(2)为Kelvin与 Maxwell模型的蠕变柔量之和，以此来更确切地描述黏弹性材料的蠕变规律，

求导可得式(3)，即蠕变柔量导数。

(3)

2 结果与讨论

2.1 物理性能

图3为水镁石纤维对沥青胶浆软化点和延度的影响。如图3(a)可知，沥青胶浆的软化点随水镁石纤维掺量的增多而增大，说明在8%范围内，水镁石纤维与沥青具有良好的相容性，能充分地发挥水镁石纤维对基质沥青的加筋和增韧作用。

(a) 水镁石纤维对沥青胶浆软化点影响

如图3(b)所示，随着水镁石纤维掺量的增大，沥青延度逐渐减小，且不同温度下，减小程度并不相同；水镁石纤维对沥青胶浆10℃延度的影响远大于5℃。

2.2 蠕变柔量导数

表4为不同温度下水镁石纤维改性沥青胶浆的伯格斯模型参数。

表4 不同温度下水镁石纤维改性沥青胶浆的伯格斯模型参数

图4为时间在8s、30s、60s、120s、240s时，-12℃、-18℃、-24℃ 温度下各掺量水镁石纤维沥青胶浆的蠕变柔量导数随时间变化曲线。由图可知，水镁石纤维沥青胶浆的蠕变柔量导数随时间变化趋势相似，且温度越低蠕变柔量的值越小，在100s之后，蠕变柔量导数基本不变。另外，不同温度下，水镁石纤维掺量对沥青胶浆低温性能影响程度不同。

(a)-12℃

2.3 黏温特性

图5为水镁石纤维对沥青胶浆黏度的影响。由图可知，水镁石纤维的掺入有利于沥青胶浆黏度的提升，使沥青路面在夏季时有更好的抗高温抗变形能力。当掺量为4%时，沥青胶浆黏度的增大幅度最为明显，当掺量为6%时，增大幅度开始减缓，说明纤维掺量可能已接近其最大值。

图5 不同纤维掺量沥青胶浆布氏粘度

当纤维掺量较小时，纤维的加筋桥联作用较为突出，随着纤维掺量的逐渐增大，水镁石纤维的吸附的作用受到限制。

2.4 抗剪强度

图6为水镁石纤维对沥青胶浆抗剪强度的影响。由图可知，沥青胶浆15℃的抗剪强度远大于20℃和25℃，说明水镁石纤维的掺入有利于沥青胶浆抗剪强度的改善。

图6 不同纤维掺量沥青胶浆的抗剪强度

3 结论

(1)水镁石纤维的掺入提高了沥青胶浆的抗剪强度及高温性能。

(2)推荐水镁石纤维的最佳掺量为6%，选用Burgers模型能较好地模拟沥青胶浆真实的蠕变状态。

(3)水镁石纤维在沥青胶浆中呈纵横多向分布，能较好地黏附沥青，起增粘加筋作用。