王佳男 時成林 荊 莉 王思源

（1.吉林建筑大學交通科學與工程學院， 吉林 長春 130118； 2.吉林省公路管理局， 吉林 長春 130021）

0 引言

玄武巖纖維在瀝青混合料中作用明顯，有良好的加筋作用，較強的穩(wěn)定作用和一定吸附瀝青的能力，因為其自身有較高的抗拉伸強度和耐高溫性能，對于較高的拌合溫度可以不受影響，同時可顯著提高瀝青混合料的高低溫性能。玄武巖纖維本身性質(zhì)穩(wěn)定，在與瀝青和集料拌合使用過程中不與瀝青發(fā)生化學反應(yīng)，因其良好的性質(zhì)被廣泛使用于瀝青混合料中。瀝青膠漿雖然在瀝青混合料中所占比例相對較小，但在這種多級空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分散體系中卻非常重要，是影響瀝青混合料性能的關(guān)鍵組成部分。瀝青膠漿的流變特性對瀝青混合料的抗永久變形性能和低溫抗裂性都有重要影響[1]。

大量學者對玄武巖纖維瀝青膠漿性能進行了大量的研究。Bonica等人研究發(fā)現(xiàn)，短纖維可以很好地提高纖維瀝青膠漿的高溫抗車轍能力[2]。Guo等討論了玄武巖纖維長度和摻量對玄武巖纖維瀝青膠漿的低溫拉伸性能和凍融后抗剪切性能的影響，說明了纖維長度和摻量是影響低溫性能的主要因素[3]。Zhang等發(fā)現(xiàn)纖維的加入會引起瀝青膠漿的應(yīng)力重分布，當瀝青膠漿受到荷載時，通過纖維在瀝青中形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使平均應(yīng)力值降低[4]。瀝青混合料拌制過程中，玄武巖纖維經(jīng)過集料的攪拌，一根一根分散在瀝青混合料中[5]。目前考慮玄武巖纖維在不同狀態(tài)時對纖維瀝青性能影響相對較少，研究不同形態(tài)對纖維瀝青高低溫流變特性鮮有說明。

基于上述分析，為表征玄武巖纖維在瀝青混合料中的狀態(tài)，事先將玄武巖纖維打散，呈現(xiàn)一根一根的形態(tài)，稱此形態(tài)為絲狀玄武巖纖維，未經(jīng)打散為束狀纖維。通過纖維吸油率試驗對比不同形態(tài)對纖維吸油率的影響，基于動態(tài)剪切流變試驗（DSR）和低溫彎曲梁流變試驗（BBR）對摻量為1%、2%、3%的玄武巖纖維瀝青進行高低溫流變性能指標進行測定，分析玄武巖不同形態(tài)對纖維瀝青高低溫性能的影響。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 瀝青

選用90#基質(zhì)瀝青,瀝青技術(shù)指標如表1。

表1 瀝青技術(shù)指標

1.2 纖維

選用長度為6mm玄武巖纖維，為研究玄武巖纖維不同形態(tài)對纖維瀝青性能的影響，將玄武巖纖維進行打散處理，稱為絲狀玄武巖纖維，未經(jīng)處理的為束狀玄武巖纖維（見圖1）。

圖1 兩種形態(tài)的玄武巖纖維

1.3 纖維吸油率試驗

將兩種形態(tài)的玄武巖纖維各30g，置于60℃±5℃烘箱烘干至恒重。稱取烘干的纖維質(zhì)量 1為5.00g±0.10g，放入塑料杯中，向杯中倒入煤油，浸沒纖維至少2cm，用玻璃棒充分攪拌15min，然后靜止5min，稱取試樣篩質(zhì)量2，放到纖維吸油率測定儀上安裝好。將塑料杯中的混合物倒入試樣篩中，啟動纖維吸油率測定儀。經(jīng)10min的振動自動停止，取下試樣篩，稱取試樣篩和吸有礦物油的纖維的質(zhì)量3。纖維吸油率計算如公式（1）：

式中，為纖維吸油率（倍）。

1.4 動態(tài)剪切流變試驗（DSR）

動態(tài)剪切流變儀（DSR）是用來測試瀝青膠結(jié)料粘性和彈性特征的儀器。其方法是測量夾在振蕩板和固定板之間的薄瀝青膠結(jié)料的粘性和彈性性質(zhì)來完成的。在DSR試驗中會得到應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，從而量化了兩種情況，提供了為計算瀝青膠結(jié)料重要參數(shù)-復數(shù)剪切模量（*）和相位角（），兩者之間的比值（*/sin）則反映了瀝青膠結(jié)料在高溫下抗變形能力。

依據(jù)動態(tài)剪切流變試驗的操作規(guī)程，對纖維摻量為1%、2%、3%（瀝青質(zhì)量的百分比）的纖維瀝青，測定在52℃、58℃、64℃、70℃、76℃溫度時的復數(shù)剪切模量*與相位角。

1.5 低溫彎曲梁流變試驗

低溫彎曲梁流變儀（BBR）是用來測試瀝青膠結(jié)料在極低溫度下瀝青膠結(jié)料的勁度，試驗應(yīng)用工程上梁的測量原理測量在蠕變荷載下小瀝青梁的勁度。在BBR試驗中有兩個重要的參數(shù)，分別是蠕變勁度 和 值。蠕變勁度是瀝青梁抵抗恒載的能力，值是測量加載后瀝青勁度變化的速率。

依據(jù)瀝青彎曲梁蠕變試驗的操作規(guī)程，對纖維摻量為1%、2%、3%（瀝青質(zhì)量的百分比）的纖維瀝青測定在-6℃、-12℃、-18℃下60s處的 值和 值。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 玄武巖纖維不同形態(tài)對吸油率的影響

從表2的試驗結(jié)果可以看出，絲狀玄武巖纖維有著更好的吸油能力，這是因為絲狀玄武巖纖維在瀝青中分散完全且均勻，比表面積的增加使得可以吸附更多的瀝青，纖維表面可吸附游離的瀝青將其轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)瀝青，吸油率的高低影響了纖維瀝青的各項性能，束狀玄武巖在未經(jīng)處理的情況下直接摻入到瀝青中，不能充分的分散在瀝青之中，不能完全發(fā)揮其自身的性能。

表2 不同形態(tài)的玄武巖纖維吸油率

2.2 玄武巖纖維不同形態(tài)對高溫流變性能的影響

車轍因子（*/sin）是評價瀝青混合料抗車轍能力的重要指標，由圖2可以看出雖然*/sin值各不相同，但是都隨著溫度的增加逐漸降低，且變化規(guī)律一致，說明溫度對纖維瀝青的高溫流變性能有很大的影響。隨著玄武巖纖維摻量的增加，車轍因子也逐漸增加，對于絲狀玄武巖纖維摻量從1%增加到2%，、3%，在52℃時車轍因子分別增加了11.00%，、32.59%。隨著纖維摻量的增加，絲狀玄武巖纖維在瀝青中形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加之良好的吸附瀝青的能力，可以很大幅度地提高車轍因子，增強了纖維瀝青抵抗高溫變形的能力。對于束狀玄武巖纖維摻量為3%時的增強效果與絲狀玄武巖纖維1%摻量的效果相差不多，不同玄武巖纖維形態(tài)對纖維瀝青的高溫流變性能有著較大的影響。

圖2 不同形態(tài)玄武巖纖維瀝青的車轍因子

2.3 玄武巖纖維不同形態(tài)對低溫流變性能的影響

勁度模量曲線如圖3（a）所示，通過各形態(tài)玄武巖纖維瀝青在不同溫度時的勁度模量可以看出，隨著測試溫度的降低，增長率趨于增大?？梢钥闯?，纖維的添加不利于纖維瀝青的低溫蠕變性能。絲狀玄武巖纖維較束狀影響程度更大，這是因為絲狀玄武巖纖維吸油率較高，使瀝青的硬組分增加，柔性成分減小，因此在低溫情況下，大大增強了纖維瀝青的低溫勁度模量，增加了纖維瀝青抵抗荷載的能力。

圖3 不同形態(tài)玄武巖纖維瀝青的勁度模量和 值

值表征纖維瀝青在低溫下的應(yīng)力松弛能力，值越大，說明纖維瀝青在受力后變形恢復速率越快。當溫度急劇下降時，玄武巖材料往往具有較好的低溫性能。圖3（b），隨著溫度的降低，各形態(tài)的纖維瀝青的 值也呈現(xiàn)下降的趨勢。從數(shù)據(jù)來看，纖維的加入沒有顯著地影響 值，說明玄武巖纖維的加入一方面可以很大幅度提升低溫時抵抗變形的能力，同時也會犧牲一定的變形后恢復的能力。

3 結(jié)束語

（1）絲狀玄武巖纖維的吸油率是束狀玄武巖纖維的5.6倍左右，絲狀玄武巖纖維因其良好的吸油率，可以將纖維瀝青中的硬組分的比例增加，很好地提升了纖維瀝青的高溫流變性能，增加了高溫下抵抗變形的能力。

（2）玄武巖纖維的加入會使纖維瀝青低溫時的勁度模量大幅提升，雖增加了纖維瀝青抵抗荷載的能力，但同時也會犧牲恢復荷載后產(chǎn)生變形的能力。應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計條件選擇合理的纖維摻量，達到理想的增強效果。

（3）絲狀玄武巖纖維對纖維瀝青的高低溫流變性能都具有一定的提升，考慮到瀝青混合料中的瀝青膠漿中包括了礦粉，接下來的研究應(yīng)對纖維瀝青中加入礦粉制備玄武巖纖維瀝青膠漿進行系統(tǒng)的高低溫流變性能試驗。