玄武巖纖維對瀝青膠漿性能的影響研究

鮑意　劉亮　沈晉

摘要：文章為研究玄武巖纖維對瀝青膠漿性能的影響，在石油瀝青中添加不同規格的玄武巖纖維，通過石油瀝青的布氏旋轉黏度試驗、拉伸試驗、動態剪切流變試驗（DSR）來研究不同摻量、不同長度的玄武巖纖維對石油瀝青工作性能、低溫抗斷裂性能、高溫流變性能的影響。結果表明：隨著玄武巖纖維摻量的增加，石油瀝青的黏度逐漸增加，工作溫度提高；隨著玄武巖纖維摻量的增加，-5 ℃時低溫抗斷裂性能顯著提高，-10 ℃、-15 ℃時低溫抗斷裂性能先增加后降低；結合本次試驗的數據可知，玄武巖纖維最佳摻量為4%，玄武巖纖維長度為6 mm較適宜；相比不添加纖維，玄武巖纖維的加入可以很好地提高瀝青膠漿的車轍因子。

關鍵詞：玄武巖纖維；瀝青膠漿；黏溫曲線；高溫流變

0引言

隨著交通量的增加，瀝青路面的損壞現象時有發生，瀝青路面的抗水損壞和抗高溫剪切是目前瀝青路面研究的重點［1-2］。玄武巖纖維作為一種新型環保材料，具有高韌性、高粘結性［3-4］，是一種能提高路面抗車轍性的良好材料，相比木質素纖維易老化、彈性模量低、抗腐蝕性差等缺點，玄武巖纖維不僅能夠彌補木質纖維的不足，而且還具有改善瀝青-礦料界面作用的優點，能滿足瀝青路面的耐久性要求。國內外相關學者對此進行了較多研究，如韋佑坡等［5］研究表明玄武巖纖維與瀝青具有較好的粘結性，對瀝青膠結料具有阻裂作用，在瀝青混合料中能分散應力，提高瀝青路面的整體強度；覃瀟等［6］將玄武巖纖維添加到瀝青混合料中，對玄武巖纖維增強瀝青混合料的機理進行了研究，得出其對瀝青混合料的高溫、水穩性能有很好的改善作用；呂偉民［7］對玄武巖纖維、瀝青與礦粉三者混合而成的纖維瀝青膠漿的作用機理進行闡述，并對瀝青混合料強度形成和抗裂性能進行了相關機理分析。現有研究多集中在瀝青混合料的性能上，對玄武巖改性瀝青膠漿的研究較少，對玄武巖瀝青膠漿的工作性能、抗裂性能、高溫性能的評價和綜合研究較少。

本文通過室內試驗，在改性瀝青中添加不同規格的玄武巖纖維，通過改性瀝青的布氏黏度試驗、拉伸試驗、動態剪切流變試驗（DSR）來研究不同摻量、不同長度玄武巖纖維對改性瀝青工作性能、抗裂性能、高溫性能的影響，為玄武巖纖維對瀝青膠漿性能的影響研究提供借鑒。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

石油瀝青：A級70#道路石油瀝青，針入度（25 ℃、100 g、5 s）為71.0（0.1 mm）；軟化點為48.5 ℃；延度（10 ℃）為30.0 cm；延度（15 ℃）＞100 cm。

玄武巖纖維：技術指標見表1。

1.2 試驗方法

為了便于研究玄武巖纖維對瀝青膠漿性能的影響，石油瀝青與礦粉的質量比為5∶1，纖維摻量分別為改性瀝青質量的0、2%、4%、6%、8%，玄武巖纖維長度分別采用4 mm、6 mm和8 mm的規格。

（1）布氏旋轉黏度試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗過程》（JTG E20-2011）的規定進行試驗，當布氏旋轉測試溫度為135 ℃和175 ℃，分別對玄武巖纖維長度為6 mm時不同玄武巖纖維摻量下的瀝青布氏黏度，以及玄武巖纖維摻量為4%時不同玄武巖纖維長度的瀝青布氏黏度進行測試，并繪制黏溫曲線。

（2）采用直接拉伸試驗機進行試驗，試驗溫度分別設置為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃，拉伸速度為1 mm/min。

（3）采用動態剪切流變儀測試不加纖維的對照瀝青和纖維摻量為4%的6 mm長的玄武巖纖維瀝青進行動態剪切流變儀測試，正弦震蕩荷載頻率為10 rad/s。

2 結果與討論

2.1 工作性能

摻入玄武巖纖維后，瀝青的性狀發生變化，對瀝青混合料的施工性能有很大的影響，通過布氏黏度試驗結果對瀝青的黏溫曲線進行繪制，可以直觀地反映瀝青的工作性能。如圖1和圖2所示分別為不同纖維摻量下的黏溫曲線和不同纖維長度下的黏溫曲線。

從圖1可以看出，隨著纖維摻量的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，其主要原因是玄武巖與瀝青、礦粉等膠結相互粘結在一起，由于玄武巖纖維具有長度，在瀝青膠漿內部具有拉伸和阻力作用，瀝青的流動性降低，且纖維摻量越多，這種阻力作用越強。因此，隨著纖維摻量的增加，瀝青膠漿的黏度不斷增大。但纖維摻量的增加不利于瀝青膠漿的工作性能，當摻量＞6%時，通過黏溫曲線看出，瀝青混合料的碾壓溫度和拌和溫度就明顯增加，大大增加能耗，不滿足施工要求。

如圖2所示，當纖維摻量為4%時，隨著纖維長度的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，其主要原因是纖維長度過長，纖維在瀝青膠漿中的連接作用范圍越大，瀝青膠漿內部的瀝青、礦粉和纖維之間相互交錯越復雜，瀝青膠漿的黏度越大。當纖維長度為8 mm時，通過黏溫曲線可以看出，瀝青混合料的碾壓溫度和拌和溫度增加明顯，顯然不利于其工作性能要求。

2.2 低溫抗斷裂性能

瀝青的抗低溫斷裂性能是瀝青的重要性能指標，由于玄武巖纖維與瀝青之間具有較好的粘結性能，其對瀝青抗裂性能有重要的影響。如圖3所示為長度6 mm的纖維在不同摻量下的低溫拉伸性能曲線。

由圖3可以看出，在-5 ℃時，隨著纖維摻量的增加，瀝青的低溫破壞應力逐漸增加，瀝青低溫抗裂性能提升。其主要原因是纖維與瀝青、礦粉之間相互粘結在一起，受到粘結、咬合和摩擦等作用［8］，增強了內部連結力，提高了瀝青的抗拉能力，且纖維摻量越高，抗拉能力越強。當在-10 ℃、-15 ℃時，瀝青的低溫破壞應力先增加后降低，其主要原因為瀝青和玄武巖纖維是兩種不同性質的材料，環境溫度過低，使材料自身發生收縮變形，兩種材料之間的應力不同，隨著玄武巖纖維摻量的增加，溫度越低，材料之間的差異性越明顯。因此，即使玄武巖纖維增加，瀝青膠漿的低溫抗裂性能也會顯著降低。

2.3 高溫流變性能

采用動態剪切流變儀測試不加纖維的對照瀝青和纖維摻量為4%的6 mm長的玄武巖纖維瀝青進行動態剪切流變儀測試，其車轍因子試驗結果如圖4所示。

由圖4可以看出，玄武巖纖維瀝青膠漿在不同溫度下的車轍因子比不加纖維瀝青的大，說明其抵抗高溫變形能力較強，高溫穩定性較好。其主要原因是玄武巖纖維具有增粘及穩定作用，在瀝青中的分散性良好，具有較大的瀝青-纖維界面，粘結強度大，抵抗高溫變形能力強［9］，有利于降低瀝青的溫度敏感性。

3 結語

（1）隨著玄武巖纖維摻量的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，工作溫度增加；隨著纖維長度的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐漸增加，工作溫度增加。

（2）當在-5 ℃時，隨著纖維摻量的增加，瀝青的低溫破壞應力逐漸增加，瀝青低溫抗裂性能提升；當在-10 ℃、-15 ℃時，瀝青的低溫破壞應力先增加后降低。

（3）玄武巖纖維瀝青膠漿在不同溫度下的車轍因子比不加纖維瀝青的大，其抵抗高溫變形能力較強。

參考文獻：

［1］Andrea Pompigna，Federico Rupi.Comparing practice-ready forecast models for weekly and monthly fluctuations of average daily traffic and enhancing accuracy by weighting methods［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering（English Edition），2018，5（4）：239-253.

［2］彭廣銀，錢振東，傅棟梁.短切玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究［J］.石油瀝青，2009，23（1）：8-11.

［3］馬銀華，易志堅，楊慶國.柔性纖維對水泥穩定粒料基層的阻裂增韌機理分析［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2007（5）：84-86，144.

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［5］韋佑坡，張爭奇，司 偉，等.玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用機理［J］.長安大學學報（自然科學版），2012，32（2）：39-44.

［6］覃 瀟，申愛琴，郭寅川.玄武巖纖維瀝青膠漿性能試驗研究［J］.建筑材料學報，2016，19（4）：659-664.

［7］呂偉民.瀝青混合料設計原理與方法［M］.上海：同濟大學出版社，2001.

［8］暴英波.玄武巖纖維水泥穩定碎石性能研究［D］.西安：長安大學，2017.

［9］郝孟輝，郝培文，楊 黔，等.玄武巖短切纖維改性瀝青混合料路用性能分析［J］.廣西大學學報（自然科學版）.2011，36（1）：101-106.

作者簡介：鮑 意（1992—），工程師，研究方向：道路工程。