不同類型纖維瀝青膠漿性能試驗(yàn)研究

張 敏

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司) 太原市 030032)

在夏季高溫及冬季低溫條件下，瀝青路面會出現(xiàn)明顯車轍、裂縫等病害。在不同溫度下，瀝青具有不同的勁度、稠度或粘度，瀝青的感溫性能與其標(biāo)號、是否改性、是否添加外摻劑有關(guān)。纖維外摻劑在我國得到了較大面積的應(yīng)用，尤其是玄武巖纖維、聚丙烯纖維具有高的彈性模量、高的高溫穩(wěn)定性及耐腐蝕性能，可用于提高路面的整體高溫抗變形能力及低溫抗裂性能。Lee S J，Rust J P，Hamouda H[1]等人對玄武巖纖維用于瀝青路面的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)添加玄武巖纖維的瀝青混合料的低溫抗裂性能和疲勞性能得到大幅度的提升。Serfess J P，Samanos J[2]得出在瀝青混合料中加入纖維后，可以明顯提高瀝青用量，提高路面的抗水損害能力。呂偉民等人[3-4]認(rèn)為，瀝青混合料中，瀝青與礦粉拌和而成的瀝青膠漿對混合料的各項(xiàng)性能起關(guān)鍵性作用，添加纖維后，纖維對瀝青膠漿的性能會產(chǎn)生重要影響。張文剛等人[5]認(rèn)為，路用礦物纖維通過提高瀝青混合料的彈性模量、強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及纖維-基體界面附近形成的殘余應(yīng)力應(yīng)變場和顯微裂紋起到的增韌作用，改善了瀝青混合料的路用性能。可見，現(xiàn)有纖維主要集中于纖維瀝青混合料性能提升方面，而纖維對瀝青膠漿性能的提升方面研究相對較少，本文主要改變纖維類型開展試驗(yàn)，以纖維的吸油率、沉錐抗剪強(qiáng)度、抗裂性能、高溫動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度方面系統(tǒng)研究纖維對普通瀝青性能的提升程度。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

瀝青采用殼牌70號普通瀝青，礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，纖維分別為山東廊坊鶴翔建材有限公司的木質(zhì)素纖維、峽西同盛華工程科技有限公司的6mm聚丙烯纖維、武漢市中鼎經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司的6mm、9mm玄武巖纖維。瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1，纖維技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 纖維瀝青的制作

瀝青膠漿制作方法為：首先加熱普通瀝青到160℃，逐漸加入礦粉攪拌均勻，礦粉與瀝青的比為1∶50，再分別在瀝青膠漿中加入玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚丙烯纖維，纖維與瀝青膠漿的質(zhì)量比為1∶10。其它試驗(yàn)時(shí)，瀝青膠漿制作方法同前，玄武巖纖維摻量選擇經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量摻量7%，木質(zhì)素纖維摻量選擇經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量摻量3%，6mm聚丙烯纖維摻量選擇經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量摻量5%。

1.3 纖維瀝青試驗(yàn)方法

(1)纖維吸油率試驗(yàn)

將三種瀝青分別稱取300g，置于三個(gè)已知質(zhì)量的0.25mm網(wǎng)籃中，網(wǎng)籃下部接一鐵盤，在130℃的烘箱中，恒溫1h，1h后稱網(wǎng)籃加剩余瀝青及纖維的質(zhì)量，計(jì)算瀝青的析出量，用于評價(jià)各種纖維的吸油率。

(2)瀝青膠漿錐入度試驗(yàn)

錐入度試驗(yàn)，采用瀝青針入度所用的針入度儀，將針入度儀的針更換為重226g、錐角為30的圓堆體，同時(shí)采用大試樣器皿盛裝瀝青，瀝青冷卻后，在25℃的條件下，測定纖維瀝青膠漿錐入時(shí)間為5s，計(jì)算其抗剪強(qiáng)度的大小，抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式見式(1)。

(1)

其中：τ為抗剪強(qiáng)度(kPa)，Q為落錐的荷載(kN)，為錐入深度(mm)，α為落錐角度(°)。

(3)板帶拉伸試驗(yàn)

采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)開展三種纖維瀝青的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，將澆筑好的瀝青板帶夾持于MTS拉伸夾具中，試驗(yàn)溫度25℃，拉伸速度10mm/min，瀝青板帶拉伸試件長12cm、寬8cm、厚0.5cm。

(4)動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)

在中、高溫區(qū)，0～60℃范圍內(nèi)，采用AASTHO T315的試驗(yàn)方法，使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對瀝青進(jìn)行溫度掃描，試驗(yàn)溫度為46～82℃，間隔6℃，試驗(yàn)頻率為10rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的吸油率

測定3種纖維對瀝青的吸附性能，結(jié)果見表3。

表3 纖維吸收瀝青后瀝青析出率

從表3可以看出，纖維吸收瀝青后瀝青析出率順序?yàn)?mm聚丙烯纖維>9mm玄武巖纖維>6mm玄武巖纖維>木質(zhì)素纖維。纖維吸油率的大小與纖維表觀狀態(tài)有關(guān)，在掃描電境下，木質(zhì)素纖維表面多為凹凸不平的表面，且多呈片狀，平均纖維厚度為4.6um，相對聚丙烯纖維、玄武巖纖維具有更大的比表面積，瀝青析出率最小，吸油率最大。聚丙烯纖維與玄武巖纖維具有相近的直徑，但聚丙烯纖維單絲較玄武巖纖維更為光滑，相同長度的兩種纖維瀝青析出率玄武巖纖維小于聚丙烯纖維，玄武巖纖維吸油率大；但9mm玄武巖纖維相對6mm玄武巖纖維比表面積小，吸油率自然小，瀝青析出率自然大。

2.2 纖維瀝青膠漿的錐入抗剪性能

選用4種纖維瀝青膠漿，進(jìn)行25℃錐入度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同纖維瀝青的錐入抗剪強(qiáng)度

從圖1可以看出，抗剪強(qiáng)度排序?yàn)?mm聚丙烯纖維瀝青>6mm玄武巖纖維瀝青>9mm玄武巖纖維瀝青>木質(zhì)素纖維瀝青>未摻纖維瀝青。6mm玄武巖纖維瀝青膠漿的錐入抗剪強(qiáng)度高于9mm玄武巖纖維，是由于9mm玄武巖纖維在瀝青中的分布不及6mm纖維分散更為均勻，均勻分布的情況下，纖維與瀝青的握裹力更強(qiáng)。木質(zhì)素纖維為有機(jī)纖維，自身強(qiáng)度低，吸收瀝青效果明顯，但自身強(qiáng)度不高導(dǎo)致對瀝青錐入抗剪強(qiáng)度的提升效果不明顯。而聚丙烯纖維本身強(qiáng)度較高，且在掃描電境下，表面紋理較多，纖維端部有明顯的鉤狀突起，進(jìn)一步加大了纖維在瀝青中的阻滯作用，錐入抗剪強(qiáng)度明顯高于其它纖維的抗剪強(qiáng)度。

2.3 纖維瀝青膠漿抗裂性能

依據(jù)吸油率和錐入抗剪性能，6mm玄武巖纖維瀝青性能優(yōu)于9mm玄武巖纖維瀝青，所以選擇6mm的玄武巖纖維進(jìn)行試驗(yàn)，按照板帶拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行三種纖維的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同纖維瀝青膠漿最大抗拉荷載

從圖2可知，抗拉強(qiáng)度排序?yàn)榫郾├w維瀝青>玄武巖纖維瀝青>木質(zhì)素纖維瀝青>普通瀝青，且聚丙烯纖維瀝青和玄武巖纖維瀝青的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于木質(zhì)素纖維瀝青和普通瀝青。從細(xì)觀上講，聚丙烯纖維端部具有的鉤狀突起進(jìn)一步提升了纖維在瀝青中被拔出的難度，而玄武巖纖維雖然強(qiáng)度高，但光滑的表面在瀝青中的抗拔出性能略小于聚丙烯纖維，而木質(zhì)素纖維的自身強(qiáng)度低，所以用于瀝青中的加筋效果不明顯。

2.4 纖維瀝青的高溫流變性能

對6mm玄武巖纖維瀝青、6mm聚丙烯纖維瀝青、木質(zhì)素纖維瀝青進(jìn)行了46～82℃范圍的復(fù)數(shù)模量、相位角測試，同時(shí)計(jì)算車轍因子，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4、圖5。

圖3 不同纖維瀝青的復(fù)數(shù)模量

圖4 不同纖維瀝青的相位角

圖5 不同纖維瀝青的車轍因子

從圖3、圖5可知，三種纖維瀝青的復(fù)數(shù)模量、車轍因子均隨溫度的升高逐漸降低，且隨溫度的升高，三種纖維瀝青的復(fù)數(shù)模量、車轍因子均趨近于相同，最終表現(xiàn)為普通瀝青的性能。

從圖4可知，殼牌70號普通瀝青和三種纖維瀝青的相位角在46℃時(shí)已相差較大，隨溫度的升高，相位角均出現(xiàn)變大的趨勢，聚丙烯纖維的相位角變大幅度最小，其它兩種纖維瀝青的變大幅度相對較小。

以上隨溫度的升高，復(fù)數(shù)模量、車轍因子逐漸降低，相位角逐漸增大，且不同的纖維瀝青表現(xiàn)為不同的變化曲線，主要原因?yàn)闉r青中添加纖維后，部分自由瀝青被纖維吸收及物理化學(xué)反應(yīng)后，形成與纖維粘結(jié)更為緊密的結(jié)構(gòu)瀝青，進(jìn)一步提高了瀝青的三維抗變形、抗剪能力，在不同溫度下，均表現(xiàn)為添加纖維的瀝青復(fù)數(shù)模量增大、相位角減小、車轍因子增大。相對玄武巖纖維，聚丙烯纖維具有鉤狀的末端，使其在瀝青中更加難以拔出；同時(shí)其具有較高的吸油能力，可大幅度提升自由瀝青向結(jié)構(gòu)瀝青轉(zhuǎn)化的程度，進(jìn)一步提升了纖維瀝青的抗剪切性能，最終聚丙烯纖維瀝青在性能方面優(yōu)于其它纖維瀝青。

3 結(jié)論

(1)從纖維吸油率方面講，木質(zhì)素纖維吸油率最大、9mm玄武巖纖維和6mm玄武巖纖維居中、6mm聚丙烯纖維最小，雖然玄武巖纖維和聚丙烯纖維具有較大差別的比表面積，但與玄武巖纖維吸油率差不多，對自由瀝青轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)瀝青的能力差不多。

(2)從錐入抗剪性能方面講，抗剪強(qiáng)度順序?yàn)椋?mm聚丙烯纖維瀝青>6mm玄武巖纖維瀝青>9mm玄武巖纖維瀝青>木質(zhì)素纖維瀝青>普通瀝青，6mm聚丙烯纖維瀝青的抗剪性能略優(yōu)于6mm玄武巖纖維瀝青，表明6mm聚丙烯纖維在瀝青中的握裹力更強(qiáng)，抗拔出及抗纖維在瀝青中的遷移能力更強(qiáng)。

(3)板帶拉伸試驗(yàn)表明，6mm聚丙烯纖維瀝青的板帶拉伸極限抗拉強(qiáng)度最大，其次為6mm玄武巖纖維瀝青和木質(zhì)素纖維瀝青，普通瀝青最小，聚丙烯纖維端部具有的鉤狀突起進(jìn)一步提升了纖維在瀝青中被拔出的難度，而玄武巖纖維雖然強(qiáng)度高，但光滑的表面對瀝青的抗拔出性能略小于聚丙烯纖維。

(4)從瀝青高溫流變學(xué)復(fù)數(shù)模量、相位角、車轍因子方面評價(jià)，其性能6mm聚丙烯纖維瀝青>6mm玄武巖纖維瀝青>木質(zhì)素纖維瀝青>普通瀝青，抵抗高溫流變、抵抗高溫車轍性能最優(yōu)的仍然是6mm聚丙烯纖維瀝青。