玄武岩纤维- 沥青界面粘结性能与高温性能关联度分析

孟 硕 宋关春 吴建国 裴 东 齐继伟

(扬州大学建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127)

沥青路面材料目前被广泛应用于高速公路、机场路面等[1-3],然而不断恶化的自然环境、车辆超载现象对沥青路面材料造成了较大的影响,其服役性能遭受着较大的威胁[4-6]。在交通强国政策[7]的推动下,其中在2021 年我国发布的《国家综合立体交通网规划纲要》中指出,构建不仅具有现代化,同时具有高质量的国家综合立体交通网。这就对沥青路面材料的性能提出了崭新的要求,因此沥青路面材料的研究对推动交通强国规划的实施有着至关重要的作用。

玄武岩纤维作为一种绿色环保且性能优异的高强纤维,其物理化学性能稳定[8-9],被许多学者应用在沥青混合料中来增强其性能[10-12]。然而关于使用玄武岩纤维来增强沥青路面材料性能的研究主要集中在纤维掺量等参数方面[13],目前的研究忽略了玄武岩纤维与沥青的界面粘结性能的评价与分析,玄武岩纤维与沥青的界面粘结性能的优劣对于玄武岩纤维沥青混合料的性能有着较大的影响。

因此,为了对玄武岩纤维与沥青材料的界面粘结性能进行评价,本文采用纤维- 沥青拉拔仪,对亲油类玄武岩纤维、亲水类玄武岩纤维与70#基质沥青、SBS 改性沥青的界面粘结性能进行测试与分析,并研究了不同类型玄武岩纤维对于不同沥青材料的高温性能指标的增强效果；应用灰色关联分析对比分析了玄武岩纤维- 沥青界面粘结性能、原样沥青性能等参数对玄武岩纤维改性沥青的高温性能的关联度大小,反映不同参数对玄武岩纤维改性沥青的影响程度的大小。

本研究对玄武岩纤维与沥青的界面粘结性能的评价有着较大的意义,揭示了玄武岩纤维与沥青的界面粘结性能对沥青材料的性能的影响,为玄武岩纤维在沥青材料中的使用提供一定的参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本研究采用的玄武岩纤维为江苏天龙连续玄武岩纤维有限公司生产的亲油类玄武岩纤维与亲水类玄武岩纤维,其主要性能指标如表1 所示。

表1 玄武岩纤维性能指标

1.2 玄武岩纤维沥青制备

本文采用某关于玄武岩纤维沥青混合料的研究成果[14],选用其中关于玄武岩纤维增强沥青混合料级配设计中的油石比、纤维掺量等指标,计算得到在此研究中纤维与沥青的质量比值为0.0547,因此为了模拟玄武岩纤维在实际混合料的应用中的比例,本研究选取此比值作为玄武岩纤维改性沥青制备的标准比例。

表2 沥青主要性能指标

1.3 玄武岩纤维- 沥青界面粘结性能试验方法

如图1 所示,本文采用纤维- 沥青拉拔仪对玄武岩纤维与沥青的界面粘结性能进行测试；根据课题组研究成果,测试时的纤维埋置长度选为6mm,拉拔速度设置为5mm/min；测试过程中的拉拔力和位移的关系曲线如图2 所示。

图1 纤维- 沥青拉拔仪

图2 拉拔曲线示意图

1.4 高温性能试验方法

本文采用动态剪切流变试验对两种不同类型的玄武岩纤维对70#基质沥青与SBS 改性沥青的增强效果进行研究,测试所采用的指标为复数模量G*指标,其代表着沥青材料的高温抗变形能力,G*越大,则沥青材料的高温抗变形能力越大。

1.5 灰色关联分析方法

灰色关联分析方法是一种可以得到不同的影响因素对最终所影响的目标因素的关联度大小的一种方法,所使用的指标为关联度指标,关联度与影响因素对目标因素的影响程度呈正相关。单个影响因素的关联度计算公式如式(1)所示,平均关联度的计算过程如式(2)所示。式中ξ 为关联度,x0为目标因素,xi为影响因素,r 为最终所应用的平均关联度指标。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩纤维- 沥青界面粘结性能分析

本节选取玄武岩纤维- 沥青拉拔测试曲线中的最大拉拔力作为界面粘结性能的分析指标,亲油类玄武岩纤维(O)、亲水类玄武岩纤维(W)与70#基质沥青(70#)、SBS 改性沥青(SBS)的界面粘结性能测试结果如图3 所示。亲油玄武岩纤维对两种沥青的高温性能增强效果大于亲水玄武岩纤维,其中亲油玄武岩纤维从70#基质沥青中拔出时的最大拉拔力比亲水玄武岩纤维从70#基质沥青中拔出时的最大拉拔力增长了32.4%,亲油玄武岩纤维从SBS 改性沥青中拔出时的最大拉拔力比亲水玄武岩纤维从SBS 改性沥青中拔出时的最大拉拔力增长了17.1%。两种类型的纤维与SBS 改性沥青的界面粘结性能大于其与70#基质沥青的粘结性能,以亲油类玄武岩纤维为例,其从SBS 改性沥青中拔出时的最大拉拔力比其从70# 基质沥青中拔出时的最大拉拔力大了97.8%。

图3 玄武岩纤维- 沥青界面粘结性能测试结果

2.2 玄武岩纤维改性沥青高温性能分析

两种类型的玄武岩纤维改性70#基质沥青和两种类型的玄武岩纤维改性SBS 改性沥青的复数模量指标如图4、图5 所示。随着温度的增强,所有玄武岩纤维-沥青的复数模量指标均呈下降趋势；两种纤维增强的SBS 改性沥青的复数模量大于其增强的70#基质沥青性能；亲油类玄武岩纤维改性70#基质沥青、SBS 改性沥青的复数模量大于亲水类玄武岩纤维改性70#基质沥青、SBS 改性沥青的复数模量,以52℃下的两种玄武岩纤维改性70#基质沥青的复数模量指标为例,亲油类玄武岩纤维改性70#基质沥青的复数模量比亲水类玄武岩纤维改性70#基质沥青的复数模量大了62.4%。

图4 玄武岩纤维-70#基质沥青复数模量

图5 玄武岩纤维-SBS 改性沥青复数模量

2.3 界面粘结性能与高温性能关联度分析

本节按照灰色关联分析方法,采用公式(1)、公式(2)计算界面粘结性能、纤维模量、原样沥青复数模量、纤维体积参数等与玄武岩纤维改性沥青的复数模量G*的关联度,从而对比分析不同参数对玄武岩纤维改性沥青的复数模量指标的影响大小排序。采用的原始计算数据如表3 所示,关联度计算表如表4 所示。

表3 原始计算指标数据

表4 关联度计算表

由灰色关联分析得到的不同影响因素与高温性能指标G*的关联度指标结果来看,不同影响参数对玄武岩纤维改性沥青的复数模量G*的关联度大小排序为最大界面粘结力＞原样沥青复数模量＞纤维体积参数＞纤维模量,玄武岩纤维- 沥青界面粘结性能对高温性能的影响程度最大。因此玄武岩纤维- 沥青的界面粘结性能对高温性能的影响程度较大。

3 结论

3.1 玄武岩纤维与SBS 改性沥青的界面粘结性能优于其与70#基质沥青的界面粘结性能；亲油玄武岩纤维对两种沥青的高温性能增强效果大于亲水玄武岩纤维。

3.2 玄武岩纤维可以增强沥青材料的高温性能；亲油玄武岩纤维对两种沥青的高温性能增强效果大于亲水玄武岩纤维。

3.3 不同影响参数对玄武岩纤维改性沥青的复数模量G*的关联度大小排序为最大界面粘结力＞原样沥青复数模量＞纤维体积参数＞纤维模量,玄武岩纤维- 沥青界面粘结性能对高温性能的影响程度最大。