玄武巖纖維瀝青膠漿優化設計及機理分析

郭寅川， 李震南， 申愛琴， 覃 瀟， 魏自玉(長安大學 公路學院， 陜西 西安， 710064)

內蒙古自治區呼倫貝爾市屬于季節性重冰凍區，冬季寒冷漫長，年平均溫差較大，氣候條件十分惡劣.在已建成公路中，溫度裂縫、車轍、坑槽為重冰凍區路面的主要病害，約占路面病害總量的80%[1].在路面材料中摻加纖維是防治重冰凍區路面病害行之有效的方法[2].然而，有機纖維存在強度低、易老化、與瀝青相容性差等缺點，不能滿足重冰凍區路面耐久性的要求，玄武巖纖維作為天然礦物纖維，具有優異的力學強度和穩定性，更適合在重冰凍區道路中使用[3].

目前，國內外已有一些學者對玄武巖纖維改性路面材料進行了研究.Artemenko等[4]研究表明由于玄武巖纖維和瀝青之間的物理化學反應，瀝青路面的耐熱性和使用壽命顯著提高；Morova[5]認為當玄武巖纖維摻量為瀝青混合料質量的0.5%時，瀝青混合料路用性能最佳；Lee等[6]和Sim等[7]認為玄武巖纖維瀝青混合料具有較強的抗裂性能；張華等[8]評價了玄武巖纖維瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩定性，并對玄武巖纖維增強瀝青混合料機理進行了初步探索；宋云祥等[9]和覃瀟等[3]在玄武巖纖維瀝青膠漿的軟化點、延度、表觀黏度和高溫流變性等方面進行了深入研究.玄武巖纖維、瀝青和填料形成的纖維瀝青膠漿是瀝青混合料的重要組成部分，對混合料路用性能影響顯著[10-11].以上研究多圍繞玄武巖纖維瀝青混合料和纖維瀝青膠漿高溫性能，對重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿低溫性能的研究較少，更缺乏對其改善機理的研究.

針對多指標正交試驗最佳方案的決策問題，蘇宏華等[12]運用模糊數學分析方法，建立隸屬函數和指標滿意度等概念，把試驗結果轉化為指標滿意度，并對各指標和綜合指標滿意度進行分析，從而優選出最佳方案.

基于上述分析，本文將通過三因素三水平正交試驗，以玄武巖纖維的吸附能力、玄武巖纖維瀝青膠漿的低溫極限拉力和低溫拉伸斷裂能、凍融抗剪強度為評價指標，研究纖維長度、纖維摻量和瀝青標號對重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿的影響規律，并基于模糊分析確定重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿的最佳組成；同時借助掃描電鏡(SEM)揭示玄武巖纖維對瀝青膠漿的改善機理，以期為重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿設計提供理論及技術依據.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

瀝青選用盤錦70#，90#，110#基質瀝青，各項技術指標見表1；纖維采用海寧安捷復合材料有限公司生產的玄武巖纖維集束狀短切絲，長度為6，9，15mm，技術指標見表2；礦粉采用石灰巖礦粉，各項技術指標均滿足規范要求.

表1 瀝青技術指標Table 1 Technical specification of asphalts

表2 玄武巖纖維技術指標Table 2 Technical specification of basalt fibers

1.2 正交試驗設計

影響玄武巖纖維瀝青膠漿性能的因素較多，結合重冰凍區氣候環境特點及本文研究重點，認為纖維長度、纖維摻量1)和瀝青標號是重冰凍區纖維瀝青膠漿性能的主要影響因素.每種因素選擇3個水平，正交試驗表頭見表3，選擇L9(33)正交設計來安排試驗.

1)文中涉及的摻量、粉膠比等除特別說明外均為質量分數或質量比.

1.3 試驗方法及評價指標

1.3.1網籃析出試驗

取粉膠比為1∶2，將礦粉分次加入(165±5) ℃瀝青中，并攪拌均勻.取不同摻量的纖維加入瀝青膠漿中，攪拌至纖維無明顯結團、纏繞狀態.待纖維瀝青膠漿冷卻后放入0.6mm網籃中，在130℃下保溫，每隔0.5h測量1次網籃上纖維膠漿剩余量，以網上剩余率r(%)為評價指標，評價不同規格玄武巖纖維對瀝青的吸附能力.

表3 玄武巖纖維瀝青膠漿正交試驗表頭Table 3 Orthogonal test header of basalt fiber reinforced asphalt mastics

1.3.2低溫拉伸試驗

在玻璃板上成型纖維瀝青膠漿板狀試件，試件尺寸為15cm×12cm.結合依托工程所在地冬季氣溫條件，試件在-20℃下保溫6h后，使用MTS萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率選擇10mm/min. 試驗時系統采集試件受力和變形情況，當達到試件極限拉力Fu時停止試驗，測得的荷載-位移(F-δ)曲線如圖1所示.

圖1 低溫拉伸試驗荷載-位移曲線Fig.1 Load-displacement curve of tensile test in low temperature

由圖1知，僅用極限拉力評價纖維瀝青膠漿的低溫抗裂性并不全面.為綜合考慮玄武巖纖維瀝青膠漿在低溫拉伸時的強度和變形，引入纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能(即達到低溫極限拉力前荷載-位移曲線的面積)的概念，用來綜合評價重冰凍區纖維瀝青膠漿的低溫性能，按式(1)計算纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能W.

(1)

式中：F為試件所受拉力，N；δ為試件某一時刻位移，m；δ0為試件最大位移，m.

1.3.3凍融抗剪試驗

制備纖維瀝青膠漿并倒入試模中，常溫冷卻.根據依托工程所在地冬季平均溫度及全年凍融循環條件，將試模在-20℃下保溫3h后，再在25℃水浴箱中保溫1h，記為1次凍融循環.每組試件凍融循環4次后進行抗剪試驗，試驗示意圖見圖2.記錄試錘在纖維瀝青膠漿內10s時的沉入深度h，根據式(2)計算凍融抗剪強度τ.

圖2 凍融抗剪試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of freeze-thaw shear test

(2)

式中：G為試錘總重，kN；h為沉入深度，m；α為試錘角度，(°).

2 正交試驗結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

玄武巖纖維瀝青膠漿正交試驗結果見表4.

表4 玄武巖纖維瀝青膠漿正交試驗結果Table 4 Orthogonal test results of basalt fiber reinforced asphalt mastics

對正交試驗結果進行極差與方差分析，考核纖維長度、纖維摻量與瀝青標號對膠漿各評價指標的影響顯著性程度，計算結果見表5.

表5 玄武巖纖維瀝青膠漿極差及方差分析結果Table 5 Analysis results of range and variance of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由表5可知，玄武巖纖維對瀝青的吸附能力主要受纖維摻量和纖維長度的影響，瀝青標號對纖維吸附能力的影響不顯著；纖維長度是影響纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的主要因素，纖維摻量次之；但纖維摻量對膠漿低溫拉伸斷裂能的影響最為顯著，其次是纖維長度；瀝青標號對膠漿低溫極限拉力和低溫拉伸斷裂能的影響最小.影響膠漿凍融抗剪強度的因素顯著性順序依次為：瀝青標號>纖維摻量>纖維長度.由上述分析可知，一定條件下纖維摻量仍然是影響膠漿性能的主要因素，其次為纖維長度.因此，在設計重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿時應重點考慮纖維摻量和纖維長度.

2.2 各因素對纖維吸附瀝青能力的影響

圖3為各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿網上剩余率的影響規律.由圖3可知，隨著玄武巖纖維長度的增加，膠漿的網上剩余率減小，即纖維長度與纖維吸附瀝青能力呈反比關系.當纖維長度從6mm增大到9，15mm時，1.0h網上剩余率分別減小了8.1%，14.5%.當纖維直徑相同時，纖維長徑比越大，集束狀纖維越容易纏繞、連接，而不能分散成均勻纖維絲，導致纖維與瀝青有效接觸面積減小，且單根纖維絲與瀝青裹附不均勻，不能完全發揮其對瀝青的吸附作用.

圖3 各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿網上剩余率的影響Fig.3 Influence of factors on net surplus ratio of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖3還可知，玄武巖纖維吸附瀝青能力與纖維摻量成正比，膠漿網上剩余率隨纖維摻量增加而增大.當纖維摻量從4%增大到7%，10%時，1.0h膠漿網上剩余率增加了27%，32.1%.增加纖維用量，纖維吸附瀝青能力并不能無限增大，其增幅緩慢.隨著瀝青標號的提高，膠漿網上剩余率呈降低趨勢，但降幅較小，可以認為瀝青標號對纖維吸附瀝青能力無顯著影響.

2.3 各因素對低溫極限拉力的影響

各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的影響規律見圖4.

圖4 各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的影響Fig.4 Influence of factors on ultimate tension in low temperature of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖4可知，各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力的影響規律相似，即隨著纖維長度、纖維摻量的增加與瀝青標號的提高，玄武巖纖維瀝青膠漿低溫極限拉力均出現先增大后減小的變化規律.由上述極差與方差分析結果(表5)可知，纖維長度對纖維膠漿低溫極限拉力的影響最為顯著，纖維摻量次之，瀝青標號的影響最小.

當纖維瀝青膠漿受拉時，纖維之間形成網狀搭接結構，在膠漿內起加筋、阻裂作用，可顯著提高纖維膠漿低溫極限拉力.當纖維長度由6mm增大到9mm時，纖維膠漿低溫極限拉力提高了84.5%，其抗裂性極大提高；但隨著纖維長度的進一步增加，纖維膠漿低溫極限拉力減小.在纖維膠漿中，玄武巖纖維形成的網狀結構存在有效搭接長度，當玄武巖纖維長度超過有效搭接長度時，過長的纖維則形成滑動面，從而降低了纖維膠漿的抗裂性.

當纖維摻量由4%增大至7%時，纖維膠漿低溫極限拉力提高了56.2%，但隨著纖維摻量的進一步增加，纖維膠漿低溫極限拉力減小.當纖維摻量過大時，會在一定范圍內造成纖維堆積成團現象，導致纖維分布、取向不均勻，形成受拉薄弱面.從前文的極差與方差分析可知，與增大纖維摻量相比，增加纖維長度是提高纖維膠漿低溫極限拉力更為有效的途徑.瀝青標號對纖維膠漿低溫極限拉力的影響較小，但通過纖維與瀝青的物化反應[13]，90#瀝青制備的纖維膠漿低溫極限拉力最大.

2.4 各因素對低溫拉伸斷裂能的影響

各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能的影響規律見圖5.

圖5 各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿低溫拉伸斷裂能的影響Fig.5 Influence of factors on tensile crack energy in low temperature of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖5可知，隨著纖維長度的增大，纖維膠漿低溫拉伸斷裂能增大；隨著纖維摻量的增加，低溫拉伸斷裂能先增大后減??；提高瀝青標號，低溫拉伸斷裂能先減小后增大，但變化幅度不大.總的來說，纖維摻量對纖維膠漿低溫拉伸斷裂能的影響較顯著，其次是纖維長度，瀝青標號的影響較小.

由圖5還可知，當纖維長度由6mm增大至9，15mm時，纖維膠漿低溫拉伸斷裂能提高了59.2%，69.6%.增大纖維長度雖降低了纖維膠漿的低溫極限拉力(見圖4)，但增加了纖維膠漿的韌性，提高了其變形能力，因此其低溫拉伸斷裂能變大.提高纖維摻量會增加纖維膠漿的低溫拉伸斷裂能；但纖維過多時，纖維膠漿低溫拉伸斷裂能減小，這與纖維摻量對纖維膠漿低溫極限拉力的影響相同，因此在設計重冰凍區纖維瀝青膠漿時，為提高膠漿抗裂性，應合理選擇纖維摻量.

2.5 各因素對凍融抗剪強度的影響

圖6為各因素對玄武巖纖維瀝青膠漿凍融抗剪強度的影響規律.由圖6可知，隨著瀝青標號的提高，纖維膠漿凍融抗剪強度急劇降低，當瀝青標號由70#提高到90#，110#時，纖維膠漿凍融抗剪強度降低了31.2%，63.1%；纖維膠漿的凍融抗剪強度隨纖維長度增大而增加，當纖維長度由6mm增大到9，15mm時，纖維膠漿凍融抗剪強度增加了14.4%，59.5%；隨著纖維摻量的增加，纖維膠漿凍融抗剪強度先增大后減小.總的來說，瀝青標號對纖維膠漿凍融抗剪強度的影響最為顯著，而纖維摻量和纖維長度有相似的顯著性水平.

圖6 各因素對纖維膠漿凍融抗剪強度的影響Fig.6 Influence of factors on freeze-thaw shear strength of fiber mastics

瀝青作為纖維膠漿復合材料中的基體，對纖維膠漿的凍融抗剪強度起決定性作用.因此，在重冰凍區為避免凍融循環后瀝青混合料抗剪強度不足，應合理選擇瀝青標號；同時，摻加玄武巖纖維能提高纖維膠漿凍融抗剪性.

3 基于模糊理論優選纖維瀝青膠漿組成

根據模糊理論[12]，采用熵權法修正權重[8]，并結合重冰凍區纖維膠漿性能要求[1]，確定0.5h網上剩余率與1.0h網上剩余率權重均為0.1，凍融抗剪強度權重為0.2，低溫極限拉力與低溫拉伸斷裂能權重均為0.3.根據文獻[12]中的計算步驟，確定每個影響因素的多指標綜合滿意度向量，并計算各水平的平均值與方差，結果見表6.

表6 多指標性能綜合滿意度分析結果Table 6 Analysis results of multi index performance comprehensive satisfaction

由表6中的方差分析結果可知，纖維摻量對重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿性能的綜合影響最為顯著，其次是纖維長度，瀝青標號的影響最不顯著.本試驗所選評價指標均為正向指標，當各因素綜合滿意度平均值最大時為最優組合，因此推薦重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿組成為A2B2C2，即采用9mm玄武巖纖維、纖維摻量為7%、選用90#瀝青.

4 基于SEM的玄武巖纖維作用機理研究

圖7為玄武巖纖維和玄武巖纖維-瀝青界面的微觀形貌.

由圖7(a)可見，玄武巖纖維呈圓柱狀，但其表面并非完全光滑，而是分布有不規則形狀的凸起和凹陷，這可以擴大纖維比表面積，增大纖維表面的摩擦力，從而增加纖維與瀝青的黏結強度，有益于玄武巖纖維的增強效應.

界面浸潤理論認為，各相之間結合的主要模式是機械連結和潤濕吸附，而浸潤是纖維復合材料間形成界面最基本的條件.由圖7(b)可知，玄武巖纖維與瀝青相容性較好，瀝青充分裹附纖維，玄武巖纖維的表面缺陷增加了其與瀝青的界面浸潤效果.玄武巖纖維與瀝青的充分浸潤，使纖維-瀝青界面產生了較強的物理吸附，甚至超過瀝青材料的內聚能，宏觀表現為纖維與瀝青有較大的黏結強度.

圖8為玄武巖纖維瀝青膠漿拉伸損傷斷裂面的微觀形貌.

圖7 玄武巖纖維和玄武巖纖維-瀝青界面的微觀形貌Fig.7 Micrographs of basalt fiber and basalt fiber-asphalt interface

圖8 玄武巖纖維瀝青膠漿拉伸損傷斷面的微觀形貌Fig.8 Micrographs for tensile damage fracture of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由圖8可見，玄武巖纖維在玄武巖纖維瀝青膠漿拉伸損傷斷面上均勻分布，在各個方向均有受力纖維，無明顯薄弱面.玄武巖纖維在瀝青中形成網狀搭接結構，在受力時可以更好地傳遞和消散應力，同時還能克服彼此之間的滑動，減慢裂縫擴展速度.玄武巖纖維取向與斷裂面垂直，纖維受拉利用率較高，充分發揮了阻裂作用.

在玄武巖纖維瀝青膠漿低溫受拉損傷時，纖維橫跨膠漿微裂縫.當纖維膠漿再次受拉時，首先是纖維受力，且由于纖維與瀝青界面充分浸潤，具有較高的黏結強度，因此能避免發生纖維脫膠等界面損傷，有效約束內部微裂紋的擴展.

5 結論

(1)玄武巖纖維長度和纖維摻量對纖維吸附瀝青能力、纖維膠漿低溫極限拉力和低溫拉伸斷裂能的影響較為顯著；瀝青標號對纖維膠漿凍融抗剪強度的影響最為顯著.

(2)基于模糊理論分析得出，纖維摻量對重冰凍區纖維膠漿綜合性能的影響最為顯著，纖維長度次之，瀝青標號的影響最小；推薦重冰凍區玄武巖纖維瀝青膠漿的最佳組成為90#瀝青中加入纖維摻量為7%的9mm玄武巖纖維.

(3)玄武巖纖維微觀表面較粗糙，與瀝青浸潤充分，玄武巖纖維形成的網狀搭接結構可增強纖維膠漿的抗裂性，并能延緩內部微裂縫的擴展.

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