基于流變學的玄武巖礦物纖維改性巖瀝青高低溫性能研究*

何東坡，左惠宇

(東北林業大學 土木工程學院， 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著瀝青路面所受荷載不斷增加，瀝青路面在夏季車轍病害頻發，嚴重影響行車安全和路面壽命[1-2]。巖瀝青作為一種自然形成的產物，將其加入瀝青中進行改性，可以明顯提高瀝青高溫性能，并且價格低廉[3]，通常用其來代替抗車轍劑使用，但對瀝青低溫性能有著極其不利影響。王知樂[4]通過熒光顯微鏡和化學組分試驗得出伊朗巖瀝青改性瀝青中的膠質和瀝青質含量的增加使得伊朗巖瀝青改性瀝青具有優良的高溫穩定性；杜少文[5]通過瀝青混合料試驗得出巖改性瀝青混合料可以達到與SBS改性瀝青混合料相近的高溫穩定性，但其低溫抗裂性難以滿足冬寒地區路面層的低溫抗裂要求；Mehmet Yilmaz[6]研究發現摻入9.5%的伊朗巖瀝青和3.8%SBS的復合改性瀝青可以將PG 58-34的基質瀝青提高到PG 70-34性能水平；樊亮[7]通過研究巖瀝青流變性能發現巖改性瀝青在高溫時表現出非牛頓流體的特征，抗變形能力增強，但對低溫性能產生消極作用，瀝青脆性變大；Li Ruixia[8]研究表明巖瀝青的加入會提高材料剛度，進而降低低溫下瀝青松弛能力，造成不良的低溫性能。

隨著瀝青改性技術的成熟與進步，復合改性手段在瀝青中運用層出不窮。不同改性劑互有側重，相互補充，可以更好地提高瀝青性能[9-10]。玄武巖纖維是一種新型環保材料，比木質素纖維有更高強度，比聚合物纖維更加環保[11]，因而目前在工程中應用廣泛，在路面中使用可以提供良好抗裂效果[12-13]。王寧[14]研究發現與其他纖維相比，玄武巖纖維力學性能優異、比表面積大、耐老化性好，在瀝青路面的應用中表現出顯著的優勢；閆景晨[15]通過掃描電鏡試驗，玄武巖纖維加入基質瀝青中，瀝青與纖維接觸面上可以看出瀝青對纖維有很好的浸潤性，進而增強了兩者的粘結力，提高了瀝青膠漿的粘度，抑制了瀝青的流動，可很大程度上降低開裂的幾率；程永春[16]研究發現與單摻抗車轍劑的瀝青混合料相比，玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的低溫抗彎拉應變，凍融劈裂強度比和疲勞破壞壽命都有明顯地提高。玄武巖纖維與抗車轍劑復合改性能明顯提升善瀝青混合料路用性能；郭寅川[17]、覃瀟[18]研究表明玄武巖纖維能夠在瀝青中形成致密的網狀結構，進而可以分散應力，提高整體強度，具有良好阻裂作用。

基于此，本文選用玄武巖礦物纖維對巖改性瀝青進行復合改性以提高瀝青高低溫綜合性能。通過改變巖瀝青和玄武巖礦物纖維的摻量組合，基于瀝青流變學理論，進行DSR和BBR試驗，計算得出瀝青高低溫連續分級溫度TLH和TLC，進而確定各摻量組合下瀝青設計適用的溫度區間，選擇出復合改性瀝青高低溫綜合性能最好的摻量組合。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料的選擇

本研究選用瀝青為70#基質瀝青，其技術指標請見表1；巖瀝青選用伊朗巖瀝青(IR)，其外觀請見圖1，技術指標請見表2；玄武巖礦物纖維(BF)外觀請見圖2，技術指標請見表3。

表2 伊朗巖(IR)瀝青技術性質

表3 玄武巖礦物纖維(BF)技術性質

圖1 伊朗巖瀝青

圖2 玄武巖礦物纖維

1.2 改性瀝青的制備

本研究將適量70#基質瀝青放入到150 ℃烘箱中加熱到流動狀態，按照表4所示各物質占瀝青的質量摻量分別制備復合改性瀝青。

在180 ℃下，使基質瀝青在800 r/min條件下低速攪拌，由于瀝青在180 ℃時老化較快，所以要將表4所示摻量的兩種改性劑同時添加到瀝青當中，一次制備完成，以保證單摻改性瀝青與復摻改性瀝青制備時間相同，減少因制備時間不同導致瀝青老化程度不同這一影響因素對后續測試結果的干擾。在瀝青漩渦處緩慢加入伊朗巖瀝青粉末和玄武巖礦物纖維，防止飛濺，加入完成后持續攪拌30 min；之后將改性瀝青在5 000 r/min條件下高速剪切30 min，使巖瀝青和纖維在瀝青中均勻分散；最后在180 ℃條件下靜置60 min，使瀝青表面消泡、充分融脹，制備得到玄武巖礦物纖維與伊朗巖瀝青復合改性瀝青。

1.3 試驗方法

本研究首先采用安東帕MCR302流變儀分別在52,58,64,70,76 ℃溫度，10 Hz頻率和12 rad/s角速度下進行改性瀝青DSR高溫流變試驗，測量各改性瀝青的復數剪切模量G*和相位角δ，進而求出車轍因子G*/sinδ，通過ln(G*/sinδ)與溫度進行線性回歸，得出瀝青高溫連續分級溫度TLH作為評價瀝青高溫性能的指標；接著采用美國CANNON TE-BBR 低溫彎曲梁流變儀在-6，-12，-18 ℃溫度條件下進行改性瀝青BBR低溫蠕變試驗，測量各改性瀝青在加載60秒時瀝青的蠕變速率m和蠕變勁度S，通過log(S)、log(m)與溫度進行線性回歸，對比得出瀝青低溫連續分級溫度TLC作為評價瀝青低溫性能的指標；最后采用日本電子JSM-7500F掃描電子顯微鏡對瀝青試樣進行掃描電鏡測試，分析玄武巖礦物纖維在瀝青中分布情況和作用機理。

表4 不同種類復合改性瀝青中的材料摻量

2 結果分析與討論

2.1 玄武巖礦物纖維伊朗巖瀝青復合改性瀝青DSR試驗結果分析

DSR試驗結果在表5中列出，由于數據較多，沒有繪制主要參數與材料摻量的圖形曲線。

由表5、圖3及圖4可知，在相同溫度下，隨著伊朗巖瀝青摻量增加，瀝青的復數剪切模量G*逐漸增大，相位角δ逐漸減小，G*/sinδ值隨之增大，體現出更好的抗車轍能力和高溫穩定性。這是由于伊朗巖瀝青是天然形成的，其中瀝青質及膠質含量較多，加入到基質瀝青中進行改性，使改性瀝青中瀝青質成分明顯增加，從而提高瀝青高溫穩定性。在70 ℃時，摻入2%，4%，6%，8%(質量分數)伊朗巖瀝青分別對G*/sinδ提高了0.389，0.716，1.048，1.373，占比分別達到55%，100%，147%，193%。

由圖5可知，根據不同瀝青的G*/sinδ與溫度的半對數公式(1)進行線性回歸[19]，

ln(G*/sinδ)=AT+B

(1)

其中∣A∣的大小表示瀝青溫度敏感性的高低，∣A∣越小，瀝青溫度敏感性越低，瀝青高溫性能也就越好。通過線性回歸得出隨著伊朗巖瀝青摻量增加，瀝青溫度敏感性變低，瀝青高溫性能變強。

與此同時由表5、圖3及圖4也可知，玄武巖礦物纖維對瀝青高溫性能提升卻是很有限的，在摻入2%，4%，6%，8%(質量分數)玄武巖礦物纖維后，瀝青的G*/sinδ的值分別提升43.2%,40.2%,41.6%,41.2%，這是由于玄武巖礦物纖維加入后，纖維相互交織產生界面增強作用，提升瀝青抗剪能力，進而提升瀝青高溫穩定性。但隨著摻量增加，瀝青高溫性能提升并不明顯。

由于瀝青高溫PG分級比較固定，分級區間6 ℃跨度較大，可能導致不同瀝青在同一高溫分級下性能有顯著差異，所以將PG分級進行細化得出高溫連續分級溫度TLH可以更好地描述瀝青高溫性能。高溫連續分級溫度TLH是根據瀝青PG分級推導得到的瀝青高溫性能評價指標，對于高溫連續分級溫度TLH計算首先根據DSR試驗得出G*與δ，通過公式(1)進行線性回歸，得出不同瀝青的A,B值，在根據規范要求基質瀝青G*/sinδ=1的臨界值帶入計算，得出瀝青的TLH，各種不同瀝青TLH如表6所示。通過表6可以看出在基質瀝青中摻入2%，4%，6%(質量分數)巖瀝青，TLH分別可以3.32 ℃,5.63 ℃,7.5 ℃；而摻入一定量的玄武巖礦物纖維后瀝青TLH會提高2 ℃左右。

表5 不同種類瀝青DSR試驗結果

圖3 不同種類改性瀝青的G*/sinδ值

圖4 70 ℃時改性瀝青的G*/sinδ值

圖5 不同摻量伊朗巖改性瀝青的G*/sinδ與溫度的半對數關系

表6 不同種類瀝青高溫連續分級溫度TLH

表7 各種瀝青BBR試驗結果

2.2 玄武巖礦物纖維伊朗巖瀝青復合改性瀝青BBR試驗結果分析

BBR試驗結果在表7中列出，由于數據較多，沒有繪制主要參數與材料摻量的圖形曲線。圖6、7繪制了幾種具有代表性的改性瀝青在加載60 s時S，m值與溫度之間的關系圖；圖8繪制了在-12 ℃條件下，改性瀝青S、m值與巖瀝青和玄武巖礦物纖維摻量之間的關系圖。

圖6 不同種類改性瀝青的S值

圖8 -12 ℃時改性瀝青的S值、m值

由表7及圖6、7可知，不同復合改性瀝青的勁度模量S隨著溫度降低而增大，蠕變速率m隨著溫度降低而減小；由圖8可知，以-12 ℃為例，在相同溫度下，隨著巖瀝青摻量增加改性瀝青的S變大，m變小，其中在基質瀝青中摻入2%，4%，6%(質量分數)巖瀝青其S值分別增大60、146、235；m值分別減小0.029、0.076、0.104，分別占比7.7%、20.1%、27.5%，說明巖瀝青的加入大大降低了瀝青低溫性能，對瀝青低溫性能有著不利影響。然而在相同溫度下，隨著玄武巖礦物纖維增加，改性瀝青的S變小，m變大，其中在基質瀝青中摻入2%，4%，6%(質量分數)玄武巖礦物纖維其S值分別減小48、77、101；m值分別增大0.049、0.088、0.120，分別占比13.0%、23.3%、31.7%，這說明玄武巖礦物纖維的加入大大提高了瀝青低溫性能，這是由于纖維在瀝青膠漿中均勻分布形成一種三維網狀結構，起到增韌改性效果，進而提高瀝青低溫性能[15]。

由于瀝青低溫PG分級也比較固定，分級區間為-6 ℃跨度較大，可能導致不同瀝青在同一低溫分級下性能有顯著差異，所以將PG分級進行細化得出低溫連續分級溫度TLC可以更好地描述瀝青低溫性能[20]。低溫連續分級溫度TLC是根據瀝青PG分級推導得到的瀝青低溫性能評價指標，對于低溫連續分級溫度TLC的計算，首先根據BBR試驗得出S與m，通過公式(2)、(3)線性回歸得出，

log(S)=A+B·TS

(2)

log(m)=C+D·Tm

(3)

其中TS代表不同S值所對應溫度，Tm代表不同m值所對應溫度；計算求得A,B,C,D值后，將臨界值S=300，m=0.3帶入式(2)、(3)，求得TL,s和TL,m，其中TL,s代表S達到臨界值300 MPa時的臨界溫度，TL,m代表m達到臨界值0.3時的臨界溫度，比較兩者其中溫度較大者為低溫連續分級溫度TLC，這種分級方式同時考慮S和m對瀝青低溫分級的作用，綜合評價瀝青低溫性能，各種瀝青低溫連續分級溫度TLC請見表8。

表8 各種瀝青低溫連續分級溫度

通過表8可以看出在基質瀝青中摻入2%，4%，6%玄武巖礦物纖維瀝青TLC可以分別下降2.84、3.76和4.87 ℃，低溫性能明顯提升。而摻入2%，4%，6%巖瀝青后，瀝青TLC會分別增加2.08 ℃、4.94 ℃、8.18 ℃，這對瀝青低溫性能產生嚴重消極作用。

2.3 玄武巖礦物纖維伊朗巖瀝青復合改性瀝青高低溫性能綜合評價及SEM測試分析

通過DSR試驗與BBR試驗分別評價各不同伊朗巖瀝青和玄武巖礦物纖維摻量下，復合改性瀝青高低溫性能。摻入伊朗巖瀝青后瀝青高溫性能會大大提高，但低溫性能會隨之下降；而摻入玄武巖礦物纖維后瀝青高溫性能提高不大，但低溫性能會有很大提升。根據高溫連續分級溫度TLH和低溫連續分級溫度TLC數據可知，(6,4)即在基質瀝青中摻入6%玄武巖礦物纖維和4%伊朗巖瀝青的復合改性瀝青理論上高溫工作上限為74.04 ℃，低溫工作下限為-27.48 ℃。與未改性瀝青相比高低溫性能均有所提升，且與各種復合改性瀝青相比，設計適用溫度區間最大，所以研究表明在基質瀝青中摻入6%玄武巖礦物纖維和4%伊朗巖瀝青的復合改性瀝青高低溫綜合性能最佳。

結合(6,4)改性瀝青掃描電鏡圖9可以看出，復合改性瀝青中幾乎沒有未融的巖瀝青顆粒，且纖維分布較為均勻；從圖10可以看出纖維在瀝青中充分融脹，邊界較為模糊，這是由于纖維具有吸油性，可以更好與瀝青相融進而充分發揮作用。

圖9 (6,4)復合改性瀝青中玄武巖礦物纖維分布(×103)

圖10 (6,4)復合改性瀝青中玄武巖礦物纖維分布(×104)

3 結 論

(1)在基質瀝青中加入巖瀝青后，瀝青TLH和TLC均有所增加，其中在瀝青中摻入2%，4%，6%巖瀝青后，TLH分別可以提高3.32、5.63、7.5 ℃，說明巖瀝青可以提高巖瀝青高溫性能，但瀝青TLC也會分別增加2.08、4.94、8.18 ℃，低溫性能隨之下降。

(2)在基質瀝青中加入玄武巖礦物纖維后，瀝青TLH有所升高，但TLC明顯下降，其中在瀝青中摻入2%，4%，6%玄武巖礦物纖維后，TLH分別可以提高2.21、1.72、1.96 ℃說明玄武巖礦物纖維對瀝青高溫性能提升并不明顯，但TLC可以分別下降2.84、3.76、4.87 ℃，說明玄武巖礦物纖維可以很好地提升瀝青低溫性能。

(3)根據計算得出復合改性瀝青TLH和TLC發現，在基質瀝青中加入4%巖瀝青和6%玄武巖礦物纖維制備得到的復合改性瀝青與基質瀝青相比，其設計適用的高低溫區間均有所擴大，其中TLH可達74.04 ℃，TLC可達-27.48 ℃，并且與其它摻量組合相比，設計適用溫度區間跨度最廣，是兩者摻量的最佳組合。并通過掃描電鏡測試觀察發現，巖瀝青充分融解，纖維分布均勻。