玄武巖纖維- 瀝青界面粘結性能與高溫性能關聯度分析

孟 碩 宋關春 吳建國 裴 東 齊繼偉

(揚州大學建筑科學與工程學院,江蘇 揚州 225127)

瀝青路面材料目前被廣泛應用于高速公路、機場路面等[1-3],然而不斷惡化的自然環境、車輛超載現象對瀝青路面材料造成了較大的影響,其服役性能遭受著較大的威脅[4-6]。在交通強國政策[7]的推動下,其中在2021 年我國發布的《國家綜合立體交通網規劃綱要》中指出,構建不僅具有現代化,同時具有高質量的國家綜合立體交通網。這就對瀝青路面材料的性能提出了嶄新的要求,因此瀝青路面材料的研究對推動交通強國規劃的實施有著至關重要的作用。

玄武巖纖維作為一種綠色環保且性能優異的高強纖維,其物理化學性能穩定[8-9],被許多學者應用在瀝青混合料中來增強其性能[10-12]。然而關于使用玄武巖纖維來增強瀝青路面材料性能的研究主要集中在纖維摻量等參數方面[13],目前的研究忽略了玄武巖纖維與瀝青的界面粘結性能的評價與分析,玄武巖纖維與瀝青的界面粘結性能的優劣對于玄武巖纖維瀝青混合料的性能有著較大的影響。

因此,為了對玄武巖纖維與瀝青材料的界面粘結性能進行評價,本文采用纖維- 瀝青拉拔儀,對親油類玄武巖纖維、親水類玄武巖纖維與70#基質瀝青、SBS 改性瀝青的界面粘結性能進行測試與分析,并研究了不同類型玄武巖纖維對于不同瀝青材料的高溫性能指標的增強效果；應用灰色關聯分析對比分析了玄武巖纖維- 瀝青界面粘結性能、原樣瀝青性能等參數對玄武巖纖維改性瀝青的高溫性能的關聯度大小,反映不同參數對玄武巖纖維改性瀝青的影響程度的大小。

本研究對玄武巖纖維與瀝青的界面粘結性能的評價有著較大的意義,揭示了玄武巖纖維與瀝青的界面粘結性能對瀝青材料的性能的影響,為玄武巖纖維在瀝青材料中的使用提供一定的參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究采用的玄武巖纖維為江蘇天龍連續玄武巖纖維有限公司生產的親油類玄武巖纖維與親水類玄武巖纖維,其主要性能指標如表1 所示。

表1 玄武巖纖維性能指標

1.2 玄武巖纖維瀝青制備

本文采用某關于玄武巖纖維瀝青混合料的研究成果[14],選用其中關于玄武巖纖維增強瀝青混合料級配設計中的油石比、纖維摻量等指標,計算得到在此研究中纖維與瀝青的質量比值為0.0547,因此為了模擬玄武巖纖維在實際混合料的應用中的比例,本研究選取此比值作為玄武巖纖維改性瀝青制備的標準比例。

表2 瀝青主要性能指標

1.3 玄武巖纖維- 瀝青界面粘結性能試驗方法

如圖1 所示,本文采用纖維- 瀝青拉拔儀對玄武巖纖維與瀝青的界面粘結性能進行測試；根據課題組研究成果,測試時的纖維埋置長度選為6mm,拉拔速度設置為5mm/min；測試過程中的拉拔力和位移的關系曲線如圖2 所示。

圖1 纖維- 瀝青拉拔儀

圖2 拉拔曲線示意圖

1.4 高溫性能試驗方法

本文采用動態剪切流變試驗對兩種不同類型的玄武巖纖維對70#基質瀝青與SBS 改性瀝青的增強效果進行研究,測試所采用的指標為復數模量G*指標,其代表著瀝青材料的高溫抗變形能力,G*越大,則瀝青材料的高溫抗變形能力越大。

1.5 灰色關聯分析方法

灰色關聯分析方法是一種可以得到不同的影響因素對最終所影響的目標因素的關聯度大小的一種方法,所使用的指標為關聯度指標,關聯度與影響因素對目標因素的影響程度呈正相關。單個影響因素的關聯度計算公式如式(1)所示,平均關聯度的計算過程如式(2)所示。式中ξ 為關聯度,x0為目標因素,xi為影響因素,r 為最終所應用的平均關聯度指標。

2 結果與討論

2.1 玄武巖纖維- 瀝青界面粘結性能分析

本節選取玄武巖纖維- 瀝青拉拔測試曲線中的最大拉拔力作為界面粘結性能的分析指標,親油類玄武巖纖維(O)、親水類玄武巖纖維(W)與70#基質瀝青(70#)、SBS 改性瀝青(SBS)的界面粘結性能測試結果如圖3 所示。親油玄武巖纖維對兩種瀝青的高溫性能增強效果大于親水玄武巖纖維,其中親油玄武巖纖維從70#基質瀝青中拔出時的最大拉拔力比親水玄武巖纖維從70#基質瀝青中拔出時的最大拉拔力增長了32.4%,親油玄武巖纖維從SBS 改性瀝青中拔出時的最大拉拔力比親水玄武巖纖維從SBS 改性瀝青中拔出時的最大拉拔力增長了17.1%。兩種類型的纖維與SBS 改性瀝青的界面粘結性能大于其與70#基質瀝青的粘結性能,以親油類玄武巖纖維為例,其從SBS 改性瀝青中拔出時的最大拉拔力比其從70# 基質瀝青中拔出時的最大拉拔力大了97.8%。

圖3 玄武巖纖維- 瀝青界面粘結性能測試結果

2.2 玄武巖纖維改性瀝青高溫性能分析

兩種類型的玄武巖纖維改性70#基質瀝青和兩種類型的玄武巖纖維改性SBS 改性瀝青的復數模量指標如圖4、圖5 所示。隨著溫度的增強,所有玄武巖纖維-瀝青的復數模量指標均呈下降趨勢；兩種纖維增強的SBS 改性瀝青的復數模量大于其增強的70#基質瀝青性能；親油類玄武巖纖維改性70#基質瀝青、SBS 改性瀝青的復數模量大于親水類玄武巖纖維改性70#基質瀝青、SBS 改性瀝青的復數模量,以52℃下的兩種玄武巖纖維改性70#基質瀝青的復數模量指標為例,親油類玄武巖纖維改性70#基質瀝青的復數模量比親水類玄武巖纖維改性70#基質瀝青的復數模量大了62.4%。

圖4 玄武巖纖維-70#基質瀝青復數模量

圖5 玄武巖纖維-SBS 改性瀝青復數模量

2.3 界面粘結性能與高溫性能關聯度分析

本節按照灰色關聯分析方法,采用公式(1)、公式(2)計算界面粘結性能、纖維模量、原樣瀝青復數模量、纖維體積參數等與玄武巖纖維改性瀝青的復數模量G*的關聯度,從而對比分析不同參數對玄武巖纖維改性瀝青的復數模量指標的影響大小排序。采用的原始計算數據如表3 所示,關聯度計算表如表4 所示。

表3 原始計算指標數據

表4 關聯度計算表

由灰色關聯分析得到的不同影響因素與高溫性能指標G*的關聯度指標結果來看,不同影響參數對玄武巖纖維改性瀝青的復數模量G*的關聯度大小排序為最大界面粘結力＞原樣瀝青復數模量＞纖維體積參數＞纖維模量,玄武巖纖維- 瀝青界面粘結性能對高溫性能的影響程度最大。因此玄武巖纖維- 瀝青的界面粘結性能對高溫性能的影響程度較大。

3 結論

3.1 玄武巖纖維與SBS 改性瀝青的界面粘結性能優于其與70#基質瀝青的界面粘結性能；親油玄武巖纖維對兩種瀝青的高溫性能增強效果大于親水玄武巖纖維。

3.2 玄武巖纖維可以增強瀝青材料的高溫性能；親油玄武巖纖維對兩種瀝青的高溫性能增強效果大于親水玄武巖纖維。

3.3 不同影響參數對玄武巖纖維改性瀝青的復數模量G*的關聯度大小排序為最大界面粘結力＞原樣瀝青復數模量＞纖維體積參數＞纖維模量,玄武巖纖維- 瀝青界面粘結性能對高溫性能的影響程度最大。