玄武岩纤维对沥青混合料的增强作用与机理

陶美净，高春妹，齐 瑞

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林 长春 130118)

0 前 言

沥青路面是公路建设的主体，在我国公路建设中，90%以上都是沥青路面，因此，解决沥青路面的病害提高路面性能问题成为人们关注的焦点。目前，提高沥青混合料路面性能的研究方向有两个：一是通过改善集料级配，以沥青结构类型和设计程序为基础，提高沥青在高温下的不变形性；二是通过改善沥青性能和质量，提高沥青机械性能，降低温度敏感性[1]。近年来，越来越多的新材料被引入沥青路面技术领域。因此，出现第三个方向即改善其性能，即在沥青中添加特定的添加剂(纤维等)以改善其物理和机械性能。玄武岩纤维材料属于无机纤维材料，其强度高、具有良好的耐久性、化学稳定性和环境友好性，因此被称为“无污染高性能材料”。玄武岩纤维作为一种增强材料越来越受到人们的关注，公路研究人员对玄武岩纤维增强沥青混合料的性能进行了大量的课题研究。Madan L R等[2]对玄武岩纤维的生产和应用做了详细的分析报告，报告显示：玄武岩纤维的强度比其他纤维强度高很多，而且耐腐蚀、耐高温，具有绿色环保等优点。Maria W等[3]通过弯曲、强度等试验发现，将玄武岩纤维加入混凝土中提高了混凝土的耐酸碱稳定性、耐高低温稳定性等物理机械性能。Li等[4]在不同的低温和纤维含量下进行了三点弯曲梁试验，分析了各评价指标随纤维含量和温度的变化趋势。玄武岩纤维显著地提高了沥青混合料的耐低温性能，增强了其对低温环境的适应性。徐咏梅等[5]为比较木质素纤维、玄武岩纤维对沥青混合料高温性能的改善效果。在60℃下进行车辙试验，实验条件相同，试验结果得到两种纤维沥青混合料的动稳定度均符合规范标准，但玄武岩纤维的改善效果优于木质素纤维。Wang等[6]研究了不同长度的玄武岩纤维对多孔沥青混合料路用性能的影响，结果表明长度为9 mm掺量为0.3%的纤维改善效果最好。Wu等[7]和Cheng等[8]均观察到玄武岩纤维对提高沥青混合料低温抗裂性能的影响是相当明显的。综上，玄武岩纤维对增强沥青混合料性能在宏观上已经逐渐得到证实，但从微观角度深入分析纤维对沥青混合料的增强作用机理并不全面。因此，本文首先对玄武岩纤维对沥青混合料的增强作用进行系统的分析讨论，并应用扫描电镜法从微观角度阐述了纤维增强沥青混合料路用性能的作用机理。

1 玄武岩纤维对沥青混合料的增强作用

1.1 吸附作用

玄武岩纤维丝比表面积大，能够吸附大量的沥青，使沥青用量增加，使沥青膜增厚。因此，沥青膜与集料之间的孔隙减小，使沥青较长时间的维持其粘弹性，增强内部的稳定性，降低了沥青的温度敏感性，从而改善了沥青混合料的高低温性能[9]。

1.2 稳定作用

夏季路面温度升高，在车辆荷载的反复作用下，自由沥青会随着混合料内部空隙流出，而泛油现象对于沥青路面寿命的影响是极大的，掺入纤维能够显著改善这一状况。虽然在沥青混合料中纤维的掺量较少，但其截面微小，在沥青混合料中分散开以后，仍具有庞大的数量，众多的纤维与沥青中的酸性树脂组分通过浸润、吸附作用形成牢固的结构沥青膜，纤维在沥青混合料中纵横交错，形成空间骨架结构，以使其抵抗塑性变形的能力增加，纤维的掺入，结构沥青增加，自由沥青含量相对降低，沥青胶浆粘性增大，温度稳定性得到改善[10]。

1.3 增韧作用

沥青混合料作为粘弹性材料，它的韧性会因为温度的变化而变化，温度较高，其韧性升高；温度降低，韧性降低。因此在低温情况下受荷载作用是沥青路面会因为韧性不足导致开裂。玄武岩纤维的弹性模量大，能够增强沥青混合料抵抗变形的能力，从而提高其低温开裂性能[11]。

1.4 阻裂作用

断裂力学理论中，材料产生裂缝现象普遍存在。沥青路面在受到强大的外力作用时，自身的内部作用力不足以抵挡外力作用，便会产生开裂，形成路面裂缝，大大缩短了路面的使用寿命[12]。沥青混合料是不同集料通过沥青的粘结作用构成的多维结构，一旦沥青遭到破坏，整个混合料的力学行为都会受到严重损伤[13]。此时，纤维的加入可以帮助混合料维持整体性能，纤维在混合料中均匀分散，形成纤维网，能够在断裂处起到衔接作用，有效地阻止了裂缝的扩大，提高了抵挡外部作用力的能力，使沥青混合料成为强度更高的复合材料。

1.5 增粘作用

纤维沥青混合料属于典型的复合材料，对于复合材料，可以以加权平均值的算法来预测评估复合材料的多种性能，例如模量。这就是复合材料混合定律，则性能广义表达式为：

(1)

式中，M为塑性流动强度，模量等力学变量；j为显微构造系数，当复合材料由强相和弱相的多种材料组成时：若强相为主导地位则j>0，反之则j<0；V为体积分数。

从复合材料角度来看，纤维沥青混合料是由集料为骨架，沥青与矿粉结合产生胶结力再由纤维产生加筋作用而构成的以弱相支撑的固液体系，则将上式转化为：

(2)

式中，s为强相，固体粒子；w为弱相，流体。

将纤维掺入沥青混合料中，纤维随机分布，与沥青胶浆及其它纤维粘结，形成纤维网格。纤维网格可以使沥青胶浆产生流动时依靠纤维本身的强度使其流动受阻，产生抑制流动，增强粘度的作用。此时可以得到以爱因斯坦混合率推导的固液混合结构的复合材料粘度公式：

M=Mw(1+KEVS)

(3)

从上式来看，掺入纤维的混合料的粘度以后会较原有的混合料的粘度要高，因此从复合材料的理论分析出发，证明了掺加纤维来提升沥青混合料的粘结力的可行性与正确性。

2 基于微观分析的作用机理分析

2.1 微观测试方案

沥青混合料中加入玄武岩纤维的目的是为改善混合料的路用性能，其中高温稳定性能、水稳定性能的有效提高主要事因为纤维在沥青混合料中产生的吸附作用，低温抗裂性能则取决于阻裂作用[14]。所以本次从微观分析的角度主要对吸附作用和阻裂作用进行分析。取自玄武岩纤维沥青混凝土试件间接受拉时的破裂面(见图1)，通过场发射环境扫描电子显微镜(ESEM)试验仪器采集图像，从微观角度分析纤维在沥青混合料中的增强机理[15]。

图1 间接受拉试件的破裂面

2.2 纤维吸附沥青效果分析

如图2为通过ESEM采集到的玄武岩纤维与沥青之间的粘结界面图像。从图2可以看出，纤维表面吸附着大量的沥青，包裹紧密，且纤维嵌入到沥青中，形成机械锚固作用，紧密牢固。这说明纤维与沥青混合料的结合是非常理想的。

(a)

(b)

图2为放大800倍的图像，纤维直径极小，为 20 μm左右，纤维长度为6 mm时，每10 g纤维的比表面积超过12m[16]。说明纤维具有较大比表面积，分散的纤维在混合料内部包裹住了大量的沥青，并且呈现面接触而不是点接触，说明纤维与沥青的浸润结合效果良好。由浸润理论可知，纤维与沥青混合料之间主要是以机械连接和浸润吸附的方式结合，由于纤维表面粗糙，有凸出和凹陷，所以沥青与纤维表面的结合更加紧密牢固，其作用类似于机械之间的锚合作用[17-18]，使纤维不易脱落。纤维的加入使原本未与实体接触的自由沥青转变为被约束的结构沥青，结构沥青由此增多，结构沥青黏性大、裹覆力大，具有良好的温度敏感性、稳定性，因而玄武岩纤维能够提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性。

2.3 纤维阻裂效果分析

沥青混合料发生的破坏形式主要为剪切破坏，破坏大多发生在混合料内部空隙处，并开始沿着内部原空隙处继续扩散，特别是在沥青与矿料的交界处。在车辆剪切力等作用影响下，混合料内部会产生细微裂纹，由于纤维处于无规律的分布状态，裂缝周围可能会存在大量纤维乃至纤维束，这些相互密切搭接的纤维会对裂缝起到约束作用，从而阻止了裂缝的进一步扩展。纤维成丝状，相当于钢筋在柱中所起的作用，在受到破坏时能起到一定的拉伸作用来维持整个体系的完整性。

图3为未加玄武岩纤维的沥青混合料破裂面处微观图片。从图3可以看到，没有加入纤维时，破裂面存在很多裂缝，而且还存有多处不同剥离程度的层次，层与层之间依靠的是沥青的黏结力，但由于已经受到破坏，所以这些层之间的连接是非常薄弱的。

(a)

(b)

从图4(a)中可以看出，断裂面处有大量纤维，这些纤维纵横交错分布，形成了空间网络结构，可以很好地传递应力或消散应力，同时增强了沥青混合料整体抵抗外力的能力。图4(b)则是纤维横跨在裂缝处，起到搭桥作用，当沥青混凝土路面受到荷载应力和温度应力的共同作用而发生裂缝时，分散在其中的玄武岩纤维可以对裂缝的产生和发展进行阻止，犹如是水泥混凝土中的钢筋一样有效阻止裂缝的扩展，提高沥青混合料的低温抗裂新性能。

(a)

(b)

3 结 论

1)通过断裂力学理论与复合材料理论等分析了玄武岩纤维对沥青混合料的增强作用，系统的阐述了纤维的吸附、稳定、增韧、阻裂及增粘作用。

2)通过扫描电镜(ESEM)图像确认了纤维与沥青之间具有较好的粘结效果。图中的玄武岩纤维表面包裹着大量的沥青，说明纤维对沥青的吸附能力较强。

3)未添加纤维的沥青混合料存在着不同程度的裂缝，界面相互分离，加入纤维的沥青混合料中，裂缝之间有纤维连接，阻止了裂缝的扩展。

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