纖維與瀝青膠漿粘附性新型測試儀器的應(yīng)用

吳 星，康愛紅,2，吳正光,2，肖 鵬,2，吳幫偉,2，單桂軍

（1. 揚州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2. 江蘇省玄武巖纖維復(fù)合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚州 225127；3. 江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司，江蘇 儀征 211400）

目前我國公路里程日益增長，“十三五”交通發(fā)展規(guī)劃中指出，我們國家的公路里程要在2020 年末達到500 萬公里[1]。然而，隨著時間的增加，環(huán)境的變遷，瀝青路面會不斷遭受著各種形式的破壞[2]。路面的病害形式主要是路面裂縫，其中橫向和縱向的裂縫占比在30%和40%左右[3]。由于玄武巖纖維的各項物理化學(xué)性能都較好[4]，在較為惡劣的環(huán)境下，玄武巖纖維瀝青混合料的抗疲勞性能表現(xiàn)十分優(yōu)秀[5-7]，且其原料在我國儲量巨大[8]，因此對玄武巖纖維增強瀝青混合料的研究就顯得尤為重要。然而大部分學(xué)者主要對其宏觀性能進行研究[9-14]，但也有一些學(xué)者對纖維與瀝青膠漿的粘結(jié)做了研究。王恒武等[15]采用Cox 剪滯模型來表征纖維與基體之間的界面粘結(jié)模型；郭寅川等[16]發(fā)現(xiàn)，纖維和瀝青膠漿浸潤情況較好可以使二者形成更好的整體，從而提高其抗裂性能。纖維的加入主要是與瀝青結(jié)合，在混合料中起著非常重要的作用，纖維對瀝青的影響與其對瀝青混合料的影響具有良好的相關(guān)性[17-18]。國內(nèi)外許多學(xué)者都開始關(guān)注纖維瀝青的性能理論研究[19-20]，纖維與瀝青之間的粘附性能對揭示纖維在瀝青膠漿內(nèi)的作用機理有著較大的意義，因此有必要對纖維對瀝青膠漿的粘附性進行研究。

由于市面上對于纖維與瀝青膠漿之間的粘附性測試儀器很少，因此本文采用自制的新型瀝青膠漿纖維拉拔試驗機[21]，通過試驗及分析確定了纖維與瀝青膠漿的最大粘結(jié)強度與粉膠比、纖維埋置長度、纖維聚集狀態(tài)的關(guān)系，得出了一定的結(jié)論，對纖維與瀝青膠漿之間的粘附性能評價及表征以及纖維瀝青混合料的深入研究有一定的意義。

1 試驗材料

1.1 SB S 改性瀝青

本文所用的瀝青為成品SBS 改性瀝青PG76-22，各項技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求，具體性能試驗結(jié)果見表1。

表1 SBS 改性瀝青性能檢測數(shù)據(jù)

1.2 礦粉

本文所用礦粉是由石灰?guī)r磨制而成，表面較為干凈，各項指標也符合《JTG F40-2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，性能參數(shù)見表2。

表2 礦粉性能檢測數(shù)據(jù)

1.3 纖維

本文所用纖維為江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維、吉林通鑫玄武巖連續(xù)纖維，兩種纖維都屬于親油類纖維。江蘇天龍玄武巖纖維為400 孔、16 μm，聚集狀態(tài)較差，稱之為1#纖維；吉林通鑫玄武巖纖維為400 孔、17 μm，聚集狀態(tài)較好，為2#纖維。這里所說的聚集狀態(tài)用單束纖維的寬度大小表示。

本文參考了《JTG F40—2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和《GB/T 25045—2010 玄武巖纖維無捻粗紗》等標準，對試驗所用纖維進行了檢測，試驗所得的各項參數(shù)見表3。

表3 纖維性能檢測結(jié)果

1.4 粉膠比的確定及瀝青膠漿試樣制備

根據(jù)《JTG F40—2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求及本課題組的不同級配混合料試驗結(jié)果，按照規(guī)范要求計算得到幾種常用級配對應(yīng)的粉膠比（FB）如表4 所示，最終確定試驗所用粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4。

表中γsb為各級配的合成毛體積相對密度，無量綱；γse為各級配的有效相對密度，無量綱；γb為所使用SBS 改性瀝青的相對密度（25 ℃），無量綱；Pba為瀝青混合料中被集料吸收的瀝青結(jié)合料比例；Pa為摻加玄武巖纖維后的最佳油石比，%；Pb為最佳瀝青用量；Pbe為瀝青混合料中的有效瀝青含量；P0.075為礦料級配中0.075 mm 的通過率（水洗法）。

在試驗之前，先將SBS 改性瀝青及礦粉放入烘箱中，在160 ℃保溫3～4 h，之后按照粉膠比的要求，稱取一定的瀝青及礦粉，制作瀝青膠漿并且澆筑試樣進行試驗。

表4 不同級配粉膠比計算表

2 試驗方法

2.1 拉拔試驗測試流程概述

纖維瀝青拉拔儀的溫度控制器的控溫范圍為10～80 ℃，精度為0.1 ℃；拉力傳感器的最大拉力為30 N，精度為0.001 N；位移傳感器的最小單位為1 mm。根據(jù)課題組之前研究中實驗數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定（變異系數(shù)最小）的試驗溫度進行試驗，試驗溫度為40 ℃[21]。試驗時發(fā)現(xiàn)纖維埋置長度較短時，放置纖維時產(chǎn)生的人為誤差較大，因此本文中纖維埋置長度參考之前的研究[21]，采用比常用短切玄武巖纖維更長的12、20、30 mm 進行試驗來研究玄武巖纖維與瀝青膠漿之間的粘附性。拉拔速率為10 mm/min[21]，以保證試驗過程的穩(wěn)定。在同一粉膠比及同一埋置長度下做3 次測試，取平均值為拉拔試驗結(jié)果，為保證試驗結(jié)果的可靠性，若單個試樣的測試結(jié)果與平均值偏差超過10%，則重新取樣做試驗。

圖 1(a)中藍色箭頭指的為瀝青膠漿試樣澆筑模具，瀝青膠漿制作完畢后，先將160 ℃瀝青膠漿倒入試樣模具的對應(yīng)格柵內(nèi)，待瀝青膠漿達到模具一半高度時（圖1(b)），按照埋置長度放入纖維（圖1(c)），并繼續(xù)倒入瀝青膠漿（圖1(d)），直到倒?jié)M對應(yīng)的模具格柵，則測試試樣澆筑完成，待試樣冷卻，將單束纖維的一頭與圖1(a)紅色箭頭標記的纖維固定器連接（固定器可以通過螺栓在固定器平臺上進行移動，使用不同的澆筑格珊時，需要移動固定器使其中心線與澆筑格珊中心線重合），隨后在控制器（圖1(e)）中設(shè)置溫度和纖維拉拔速度，控溫1 h 后進行拉拔測試，圖1(f)為纖維從瀝青膠漿中拔出后的圖片。

圖1 拉拔試驗測試流程

2.2 纖維與瀝青膠漿界面粘結(jié)力測定

依據(jù)Broutman[22]提出的單根纖維拔出實驗中提出的界面粘結(jié)強度計算公式τ=P/2πrL（其中P為拉拔力，r為纖維半徑），本方法[21]提出改進的粘結(jié)強度測試方法如下所示：

式（1）中：τmax為纖維與瀝青膠漿的最大粘結(jié)強度，MPa；Fmax為試驗過程中纖維所承受的最大拉拔力，N；S為纖維與瀝青膠漿的近似接觸面積，mm2；w為纖維試樣橫截面寬度，mm；h為纖維試樣橫截面高度，mm；對于400 根/束的纖維試樣，L為纖維埋置長度，mm；h的計算按照式（3）計算，結(jié)果精確至0.001 mm；d為單根纖維直徑，mm。

2.3 瀝青膠漿動態(tài)剪切流變試驗

美國SHRP 提出了一種用動態(tài)剪切流變儀來測試瀝青流變性能的方法，本文采用的儀器是Bohlin ADS流變儀（見圖2）。

圖2 動態(tài)剪切流變儀

試驗對40 ℃（拉拔試驗溫度）至64 ℃（瀝青軟化點）之間的不同溫度下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)粘度進行測試，研究粉膠比對復(fù)數(shù)粘度的影響。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 粉膠比對τmax 的影響

不同埋置長度下，粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4時1#纖維的最大粘結(jié)強度（τmax）如圖3 所示。

圖3 不同F(xiàn)B 下1#玄武巖纖維最大粘結(jié)強度

由圖3 可知，在同一埋置長度下，1#纖維最大粘結(jié)強度隨著粉膠比的增大而增大。這主要是由于礦粉的增加導(dǎo)致更多的瀝青與礦粉結(jié)合成為結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，使得玄武巖纖維與瀝青膠漿之間的粘結(jié)更加緊密，纖維從瀝青膠漿中拔出時的摩擦系數(shù)變大，在拉拔過程中所受到的阻力也更大。2#纖維呈現(xiàn)相同規(guī)律，不重復(fù)說明。

3.2 粉膠比對復(fù)數(shù)粘度的影響

在對不同粉膠比的瀝青膠漿試樣進行動態(tài)剪切流變試驗后，對不同試驗溫度下粉膠比對復(fù)數(shù)粘度的影響進行分析，粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4 時，不同溫度下的復(fù)數(shù)粘度如表5 所示。

表5 不同粉膠比下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)粘度

由表5 可知，粉膠比的范圍為0.8～1.4 時，在40 ℃（拉拔試驗溫度）至64 ℃（瀝青軟化點）之間的不同溫度下瀝青膠漿的復(fù)數(shù)粘度隨著粉膠比的增大而增大。這就合理地解釋了最大粘結(jié)強度隨著粉膠比的增大而增大的現(xiàn)象，粉膠比的增大使得瀝青膠漿的粘度增大，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)瀝青薄膜的增多和拔出過程的摩擦力的增大，從而導(dǎo)致τmax的增大。

3.3 纖維埋置長度對τmax 的影響

分析在不同粉膠比下纖維埋置長度對最大粘結(jié)強度的影響，不同粉膠比下，埋置長度為12、20、30 mm時1#纖維的τmax如圖4 所示。

圖4 不同埋置長度下1#纖維最大粘結(jié)強度

由圖4 可知在同一粉膠比下，埋置長度對于最大粘結(jié)強度的影響不大。這主要是由于最大粘結(jié)強度受纖維及瀝青膠漿的自身物理化學(xué)性質(zhì)的影響較大。2#纖維呈現(xiàn)相同規(guī)律，不重復(fù)說明。

3.4 纖維聚集狀態(tài)對τmax 的影響

本文采用的1#、2#纖維都是400 根每束，因此采用纖維寬度w來反映纖維的聚集狀態(tài)。其中1#纖維的寬度為1.589 mm，2#纖維的寬度為1.063 mm。1#纖維和2#纖維在粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4、埋置長度為20 mm 時的最大拉拔力和最大粘結(jié)強度見表6。

表6 不同F(xiàn)B 下兩種纖維的Fmax 和τmax

由表6 可知，在埋深20 mm 時，1#玄武巖纖維的最大拉拔力總是比2#玄武巖纖維的最大拉拔力大，1#玄武巖纖維大約為2#玄武巖纖維的1.3～2.0 倍，兩種纖維的直徑幾乎相等，但是分散情況的差距較大，最后得到的最大拉拔力差距較大，因此纖維的分散狀況對于最大拉拔力的影響較大。由于應(yīng)力主要受纖維及膠漿物理化學(xué)性質(zhì)影響，由上表也可以看出，聚集狀態(tài)對τmax影響不大。在埋深12、30 mm 時也有相同的規(guī)律。

3.5 測試結(jié)果變異性分析

同種試驗條件下需做3 次試驗，變異系數(shù)是指同一實驗條件下測試數(shù)據(jù)標準差與測試數(shù)據(jù)平均數(shù)的比值。在進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時，如果變異系數(shù)大于15%，則要考慮該數(shù)據(jù)可能不正常，應(yīng)該剔除。1#纖維在粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4，埋置長度為12、20、30 mm時的Fmax變異系數(shù)如表7 所示。

表7 不同埋置長度下1#纖維Fmax 變異系數(shù)

由上表可知在埋置長度20 mm 時，1#玄武巖纖維Fmax變異系數(shù)均較小，2#纖維呈現(xiàn)相同規(guī)律。因此，本研究推薦纖維埋置長度為20 mm 用于測試纖維與瀝青膠漿的粘附性。

3.6 τmax 與粉膠比和纖維埋置長度的灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)1#和2#纖維在埋置長度為12、20、30 mm，粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4 時的τmax的數(shù)據(jù)（見表8），再按照關(guān)聯(lián)度計算方法得到1#、2#纖維的τmax分別與纖維埋置長度、粉膠比的關(guān)聯(lián)度（用A表示）。選取纖維的τmax和埋置長度與粉膠比數(shù)據(jù)，接著按照歸一法將所有數(shù)據(jù)同時除以第一行的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)置該組數(shù)據(jù)，在選用最大拉拔力為參照數(shù)列后，再按照關(guān)聯(lián)系數(shù)計算方法，計算得到玄武巖纖維的τmax關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后按照每個指標之間的每行的關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值求得纖維的τmax關(guān)聯(lián)度。1#、2#纖維的τmax與纖維埋置長度、粉膠比的關(guān)聯(lián)度匯總見表9。

表8 灰色關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)

由表9 分析可知：τmax1#影響因素排序為粉膠比＞埋置長度，τmax2#呈現(xiàn)相同規(guī)律，由于玄武巖纖維與瀝青膠漿的τmax是與纖維及瀝青膠漿這兩種不同物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的，而粉膠比的改變會導(dǎo)致瀝青膠漿與纖維的界面接觸性質(zhì)發(fā)生改變，因此玄武巖纖維與瀝青膠漿之間的最大粘結(jié)強度與粉膠比關(guān)系較大。

表9 不同纖維的τmax 與纖維埋置長度、粉膠比的關(guān)聯(lián)度

3.7 天龍纖維τmax 的量化擬合分析與驗證

3.7.1 天龍纖維τmax的量化擬合分析

由于課題組混合料試驗使用的纖維為天龍玄武巖纖維即1#纖維，所以選取1#纖維進行粘結(jié)強度擬合分析。直接用τmax進行擬合分析的數(shù)據(jù)較少，因此通過Fmax的擬合結(jié)果推算τmax與粉膠比的關(guān)系。根據(jù)所有Fmax的測試數(shù)據(jù)進行MATLAB 多項式擬合后選取了R2最大的二元二次多項式Lar 穩(wěn)健擬合形式，擬合結(jié)果如圖5 所示。接著選取建議的20 mm 纖維埋置長度，按照式（1）—（3）推算出τmax與粉膠比的關(guān)系。

圖5 1# 纖維Fmax 擬合圖像

1#纖維的Fmax擬合方程為

在L=20 mm 時，利用式（1）計算得到τmax與粉膠比的關(guān)系公式為

3.7.2 天龍纖維τmax的量化擬合驗證

將天龍纖維與SBS 瀝青膠漿粘結(jié)強度計算擬合公式預(yù)估值與實際值進行對比，見表10。

表10 天龍纖維τmax 的量化擬合驗證表

由此可知在本文試驗范圍內(nèi)1#纖維即天龍玄武巖纖維與本文使用的SBS 瀝青膠漿的量化計算擬合粘結(jié)強度公式可以較好地表征玄武巖纖維與SBS 改性瀝青膠漿的粘附性，對玄武巖纖維瀝青混合料的有限元模型等研究中起到一定的借鑒作用。

由式（5）可看出，在本文常用混合料粉膠比范圍內(nèi)，粉膠比越大玄武巖纖維與瀝青膠漿的最大粘結(jié)強度越大。由于在瀝青混合料中，纖維主要是和細集料形成的瀝青膠漿相互粘結(jié)，裹腹在粗集料表面嵌擠形成混合料，因此纖維與瀝青膠漿的粘附性能也會對混合料性能造成影響。因此，未來需要研究在規(guī)范范圍內(nèi)適當(dāng)增加礦粉的使用或級配設(shè)計中0.075 mm 粒徑的含量是否會導(dǎo)致混合料性能的提升。

3.8 瀝青混合料中纖維與瀝青膠漿τmax 預(yù)測

對課題組常用的瀝青混合料的規(guī)范計算粉膠比對應(yīng)的τmax進行預(yù)估（見表11）。

表11 常用級配計算粉膠比對應(yīng)的τmax

由于在本課題組中使用天龍纖維進行混合料試驗的級配對應(yīng)的玄武巖纖維瀝青混合料均有較好的性能表現(xiàn)，因此在使用與本試驗同規(guī)格的其他常用的400根/束的玄武巖纖維進行混合料試驗之前，可以使用這種新型瀝青膠漿纖維拉拔試驗機，按照此新型粘附性評價指標和規(guī)范計算粉膠比進行拉拔試驗測試，看是否滿足最大粘結(jié)強度值的要求，以確保其他廠家的玄武巖纖維的質(zhì)量要求能夠達到使用標準。

4 結(jié)論

（1）本文應(yīng)用最新研制的拉拔儀進行試驗發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維與SBS 瀝青膠漿中拔出的最大粘結(jié)強度受粉膠比影響較大，成正相關(guān)關(guān)系，與埋置長度、聚集狀態(tài)關(guān)系不大。

（2）建議在纖維埋置長度為20 mm 時進行試驗，此時試驗變異系數(shù)較小，可以更穩(wěn)定地對纖維與瀝青膠漿的粘附性進行研究。

（3）對試驗結(jié)果進行二元二次多項式擬合及推算可以在一定范圍內(nèi)較好地量化表征玄武巖纖維與瀝青膠漿的粘附性指標。

（4）本文應(yīng)用自制新型拉拔儀研究提出了幾種常用瀝青混合料級配對應(yīng)的規(guī)范計算粉膠比對應(yīng)的最大粘結(jié)強度要求，可以用于對市場上同種規(guī)格的玄武巖纖維的質(zhì)量檢驗。