玄武岩纤维沥青高低温流变特性研究

王佳男 时成林 荆 莉 王思源

（1.吉林建筑大学交通科学与工程学院， 吉林 长春 130118； 2.吉林省公路管理局， 吉林 长春 130021）

0 引言

玄武岩纤维在沥青混合料中作用明显，有良好的加筋作用，较强的稳定作用和一定吸附沥青的能力，因为其自身有较高的抗拉伸强度和耐高温性能，对于较高的拌合温度可以不受影响，同时可显著提高沥青混合料的高低温性能。玄武岩纤维本身性质稳定，在与沥青和集料拌合使用过程中不与沥青发生化学反应，因其良好的性质被广泛使用于沥青混合料中。沥青胶浆虽然在沥青混合料中所占比例相对较小，但在这种多级空间网络结构分散体系中却非常重要，是影响沥青混合料性能的关键组成部分。沥青胶浆的流变特性对沥青混合料的抗永久变形性能和低温抗裂性都有重要影响[1]。

大量学者对玄武岩纤维沥青胶浆性能进行了大量的研究。Bonica等人研究发现，短纤维可以很好地提高纤维沥青胶浆的高温抗车辙能力[2]。Guo等讨论了玄武岩纤维长度和掺量对玄武岩纤维沥青胶浆的低温拉伸性能和冻融后抗剪切性能的影响，说明了纤维长度和掺量是影响低温性能的主要因素[3]。Zhang等发现纤维的加入会引起沥青胶浆的应力重分布，当沥青胶浆受到荷载时，通过纤维在沥青中形成的三维网络结构使平均应力值降低[4]。沥青混合料拌制过程中，玄武岩纤维经过集料的搅拌，一根一根分散在沥青混合料中[5]。目前考虑玄武岩纤维在不同状态时对纤维沥青性能影响相对较少，研究不同形态对纤维沥青高低温流变特性鲜有说明。

基于上述分析，为表征玄武岩纤维在沥青混合料中的状态，事先将玄武岩纤维打散，呈现一根一根的形态，称此形态为丝状玄武岩纤维，未经打散为束状纤维。通过纤维吸油率试验对比不同形态对纤维吸油率的影响，基于动态剪切流变试验（DSR）和低温弯曲梁流变试验（BBR）对掺量为1%、2%、3%的玄武岩纤维沥青进行高低温流变性能指标进行测定，分析玄武岩不同形态对纤维沥青高低温性能的影响。

1 试验材料及试验方案

1.1 沥青

选用90#基质沥青,沥青技术指标如表1。

表1 沥青技术指标

1.2 纤维

选用长度为6mm玄武岩纤维，为研究玄武岩纤维不同形态对纤维沥青性能的影响，将玄武岩纤维进行打散处理，称为丝状玄武岩纤维，未经处理的为束状玄武岩纤维（见图1）。

图1 两种形态的玄武岩纤维

1.3 纤维吸油率试验

将两种形态的玄武岩纤维各30g，置于60℃±5℃烘箱烘干至恒重。称取烘干的纤维质量 1为5.00g±0.10g，放入塑料杯中，向杯中倒入煤油，浸没纤维至少2cm，用玻璃棒充分搅拌15min，然后静止5min，称取试样筛质量2，放到纤维吸油率测定仪上安装好。将塑料杯中的混合物倒入试样筛中，启动纤维吸油率测定仪。经10min的振动自动停止，取下试样筛，称取试样筛和吸有矿物油的纤维的质量3。纤维吸油率计算如公式（1）：

式中，为纤维吸油率（倍）。

1.4 动态剪切流变试验（DSR）

动态剪切流变仪（DSR）是用来测试沥青胶结料粘性和弹性特征的仪器。其方法是测量夹在振荡板和固定板之间的薄沥青胶结料的粘性和弹性性质来完成的。在DSR试验中会得到应力和应变的关系，从而量化了两种情况，提供了为计算沥青胶结料重要参数-复数剪切模量（*）和相位角（），两者之间的比值（*/sin）则反映了沥青胶结料在高温下抗变形能力。

依据动态剪切流变试验的操作规程，对纤维掺量为1%、2%、3%（沥青质量的百分比）的纤维沥青，测定在52℃、58℃、64℃、70℃、76℃温度时的复数剪切模量*与相位角。

1.5 低温弯曲梁流变试验

低温弯曲梁流变仪（BBR）是用来测试沥青胶结料在极低温度下沥青胶结料的劲度，试验应用工程上梁的测量原理测量在蠕变荷载下小沥青梁的劲度。在BBR试验中有两个重要的参数，分别是蠕变劲度 和 值。蠕变劲度是沥青梁抵抗恒载的能力，值是测量加载后沥青劲度变化的速率。

依据沥青弯曲梁蠕变试验的操作规程，对纤维掺量为1%、2%、3%（沥青质量的百分比）的纤维沥青测定在-6℃、-12℃、-18℃下60s处的 值和 值。

2 试验结果及讨论

2.1 玄武岩纤维不同形态对吸油率的影响

从表2的试验结果可以看出，丝状玄武岩纤维有着更好的吸油能力，这是因为丝状玄武岩纤维在沥青中分散完全且均匀，比表面积的增加使得可以吸附更多的沥青，纤维表面可吸附游离的沥青将其转化为结构沥青，吸油率的高低影响了纤维沥青的各项性能，束状玄武岩在未经处理的情况下直接掺入到沥青中，不能充分的分散在沥青之中，不能完全发挥其自身的性能。

表2 不同形态的玄武岩纤维吸油率

2.2 玄武岩纤维不同形态对高温流变性能的影响

车辙因子（*/sin）是评价沥青混合料抗车辙能力的重要指标，由图2可以看出虽然*/sin值各不相同，但是都随着温度的增加逐渐降低，且变化规律一致，说明温度对纤维沥青的高温流变性能有很大的影响。随着玄武岩纤维掺量的增加，车辙因子也逐渐增加，对于丝状玄武岩纤维掺量从1%增加到2%，、3%，在52℃时车辙因子分别增加了11.00%，、32.59%。随着纤维掺量的增加，丝状玄武岩纤维在沥青中形成稳定的三维网络结构，加之良好的吸附沥青的能力，可以很大幅度地提高车辙因子，增强了纤维沥青抵抗高温变形的能力。对于束状玄武岩纤维掺量为3%时的增强效果与丝状玄武岩纤维1%掺量的效果相差不多，不同玄武岩纤维形态对纤维沥青的高温流变性能有着较大的影响。

图2 不同形态玄武岩纤维沥青的车辙因子

2.3 玄武岩纤维不同形态对低温流变性能的影响

劲度模量曲线如图3（a）所示，通过各形态玄武岩纤维沥青在不同温度时的劲度模量可以看出，随着测试温度的降低，增长率趋于增大。可以看出，纤维的添加不利于纤维沥青的低温蠕变性能。丝状玄武岩纤维较束状影响程度更大，这是因为丝状玄武岩纤维吸油率较高，使沥青的硬组分增加，柔性成分减小，因此在低温情况下，大大增强了纤维沥青的低温劲度模量，增加了纤维沥青抵抗荷载的能力。

图3 不同形态玄武岩纤维沥青的劲度模量和 值

值表征纤维沥青在低温下的应力松弛能力，值越大，说明纤维沥青在受力后变形恢复速率越快。当温度急剧下降时，玄武岩材料往往具有较好的低温性能。图3（b），随着温度的降低，各形态的纤维沥青的 值也呈现下降的趋势。从数据来看，纤维的加入没有显著地影响 值，说明玄武岩纤维的加入一方面可以很大幅度提升低温时抵抗变形的能力，同时也会牺牲一定的变形后恢复的能力。

3 结束语

（1）丝状玄武岩纤维的吸油率是束状玄武岩纤维的5.6倍左右，丝状玄武岩纤维因其良好的吸油率，可以将纤维沥青中的硬组分的比例增加，很好地提升了纤维沥青的高温流变性能，增加了高温下抵抗变形的能力。

（2）玄武岩纤维的加入会使纤维沥青低温时的劲度模量大幅提升，虽增加了纤维沥青抵抗荷载的能力，但同时也会牺牲恢复荷载后产生变形的能力。应根据不同的设计条件选择合理的纤维掺量，达到理想的增强效果。

（3）丝状玄武岩纤维对纤维沥青的高低温流变性能都具有一定的提升，考虑到沥青混合料中的沥青胶浆中包括了矿粉，接下来的研究应对纤维沥青中加入矿粉制备玄武岩纤维沥青胶浆进行系统的高低温流变性能试验。