四種纖維增強(qiáng)瀝青的微觀及力學(xué)特性比較研究

陳 楊

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 401120)

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四種纖維增強(qiáng)瀝青的微觀及力學(xué)特性比較研究

陳 楊

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 401120)

為研究水鎂石纖維增強(qiáng)瀝青膠漿的特性，制備及測試了纖維增強(qiáng)瀝青膠漿。木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維用于比較研究。采用吸水性、烘箱加熱和網(wǎng)籃析漏來評估纖維的濕潤性、熱穩(wěn)定性、瀝青吸收和穩(wěn)定。錐入度試驗(yàn)來研究纖維增強(qiáng)瀝青膠漿的抗剪切特性和抗車轍特性。此外通過掃描電子顯微鏡分析了纖維增強(qiáng)瀝青的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：水鎂石纖維與木質(zhì)素纖維相比在潮濕環(huán)境下具有更好的保存狀態(tài)和熱穩(wěn)定性。與玄武巖纖維和聚酯纖維相比，其對瀝青吸收和穩(wěn)定具有更好的效果。此外，水鎂石纖維可以有效地改善抗車轍性能。水鎂石纖維獲得了空間網(wǎng)絡(luò)從而增強(qiáng)了瀝青膠結(jié)料的粘附性和穩(wěn)定性。

水鎂石纖維； 瀝青膠漿； 錐入度試驗(yàn)； 微觀特性

1 概述

瀝青混合料已廣泛用于公路路面。然而，瀝青路面在重復(fù)交通荷載及凍融循環(huán)作用下可能產(chǎn)生開裂和車轍的病害[1]。因此，可在瀝青混合料中使用纖維來改善瀝青路面的性能，纖維增強(qiáng)瀝青混合料稱為FRAC[2]。已有研究表明，纖維在瀝青混合料中可起到增強(qiáng)作用[3-5]。纖維不僅可如SBS、SBR和聚乙烯(PE)一樣阻止瀝青混合料中瀝青析漏，同時(shí)也可提高瀝青混合料的工程特性，包括粘彈性、動態(tài)模量、水敏感性、蠕變?nèi)崃俊⒖管囖H、抗反射開裂。這些特性可明顯延長瀝青路面的服役壽命[6，7]。

目前常用的纖維如木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維。然而，木質(zhì)素纖維易受到潮濕的影響，從而導(dǎo)致在瀝青混合料中具有較差的分散特性及具有較低的拉伸強(qiáng)度[8]。盡管玄武巖纖維和聚酯纖維能夠改善瀝青混合料的路用性能，而其價(jià)格通常很高，因而不能廣泛使用。因此，有必要找出替代性纖維來實(shí)現(xiàn)工程及經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

水鎂石纖維為一種礦物纖維，其廣泛分布于中國、美國、意大利、俄羅斯等地區(qū)，與石棉纖維在化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性上具有顯著的不同[9]。水鎂石纖維為一種氫氧化鎂礦物(Mg(OH)2)，在三角體系中結(jié)晶。其拉伸強(qiáng)度和楊氏模量可分別達(dá)900 MPa及13.8 GPa以上[10]。相關(guān)研究已經(jīng)證明水鎂石纖維對人體并沒有傷害[10]。目前為止，水鎂石纖維作為增強(qiáng)材料應(yīng)用于瀝青混合料中的研究鮮有報(bào)道。本文旨在研究水鎂石纖維的特性、穩(wěn)定性和對瀝青膠漿的增強(qiáng)效果及相應(yīng)的機(jī)理。進(jìn)行吸水性、烘箱加熱試驗(yàn)、網(wǎng)籃析漏試驗(yàn)評估纖維的特性，且使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察纖維的微觀結(jié)構(gòu)和于瀝青膠結(jié)料中的空間網(wǎng)絡(luò)以深入了解纖維的增強(qiáng)機(jī)理。進(jìn)行水鎂石纖維改性瀝青的錐入度試驗(yàn)以評估其增強(qiáng)效果?；诒容^試驗(yàn)初步評估了水鎂石纖維用于瀝青膠漿中的可行性和適用性。

2 原材料

2.1 瀝青

本研究使用的瀝青為克拉瑪依石化提供的A-90號瀝青。表1給出了瀝青膠結(jié)料的基本物理特性。

表1 瀝青膠結(jié)料的物理特性Table1 Physicalpropertiesofasphaltbinder材料測試項(xiàng)目值原樣瀝青膠結(jié)料25℃下針入度/(0.1mm)83.215℃延度/cm121軟化點(diǎn)/℃47.5蠟含量/%1.87閃電/℃272相對密度0.983RTFO膠結(jié)料質(zhì)量損失/%-0.0525℃針入度比/%82.815℃延度/cm29.4

2.2 纖維

采用水鎂石纖維(德力股份有限公司提供)、木質(zhì)素纖維(北京天成墾特萊科技有限公司)、玄武巖纖維(寧波大成新材料股份有限公司)和聚酯纖維(北京天成墾特萊科技有限公司)用于改性瀝青。表2給出了制造商提供的4種纖維的基本物理特性。

表2 纖維的物理特性(制造商提供)Table2 Physicalpropertiesoffibers(providedbymanufactures)項(xiàng)目水鎂石纖維木質(zhì)素纖維玄武巖纖維聚酯纖維規(guī)范直徑/mm0.0200.0450.0130.020ASTMD2130長度/mm2.501.106.006.00ASTMD204長徑比12524462300/比表面積/(10-3m2·g-1)150.3118.174.714.8/密度/(g·cm-3)2.4401.2802.8171.360ASTMD3800拉伸強(qiáng)度/MPa932/2000531ASTMD2256

3 結(jié)果和討論

3.1 纖維特性

3.1.1 吸水性和熱穩(wěn)定性(WAT)

纖維的WAT結(jié)果如表3所示。水鎂石纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維的吸水率分別為1.08%，15.48%，1.16%和2.43%。根據(jù)該結(jié)果，吸收率按從大到小排序依次為：木質(zhì)素纖維>聚酯纖維>玄武巖纖維>水鎂石纖維。從該趨勢也可看出，聚合物纖維(木質(zhì)素纖維和聚酯纖維)與礦物纖維(玄武巖纖維和水鎂石纖維)相比對潮濕環(huán)境更加敏感。

表3 纖維的吸水率Table3 Waterabsorptionoffibers纖維類別干重/g濕重/g平均吸水率/%水鎂石纖維30.0130.331.07木質(zhì)素纖維30.0234.6715.49玄武巖纖維30.0230.371.17聚酯纖維30.0130.742.43

烘箱加熱試驗(yàn)(OHT)結(jié)果如表4所示。與WAT試驗(yàn)相似，聚合物纖維(木質(zhì)素纖維和聚酯纖維)的加熱質(zhì)量損失高于礦物纖維(水鎂石纖維和玄武巖纖維)的質(zhì)量損失，且質(zhì)量損失排序如下：木質(zhì)素纖維>聚酯纖維>水鎂石纖維>玄武巖纖維。結(jié)果表明，4種纖維中玄武巖纖維具有最高的熱穩(wěn)定性。在OHT試驗(yàn)中聚合物纖維可以明顯觀察到顏色的變化。如木質(zhì)素纖維的顏色從淺灰色到棕色，且聚酯纖維顏色從白色變?yōu)榈S色。然而，礦物纖維(水鎂石纖維和玄武巖纖維)并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的顏色變化，這是由于纖維的組成不同所造成。木質(zhì)素纖維是來自木和植物，因此具有最差的熱穩(wěn)定性，而聚酯纖維是由有機(jī)物所組成，因此熱穩(wěn)定性比礦物纖維(水鎂石纖維和玄武巖纖維)差。

表4 纖維的熱穩(wěn)定性Table4 Thermostabilityoffibers纖維類別烘箱加熱前/g烘箱加熱后/g質(zhì)量損失/%水鎂石纖維30.0229.800.72木質(zhì)素纖維30.0129.461.84玄武巖纖維30.0329.860.56聚酯纖維30.0129.730.95

3.1.2 吸油性

網(wǎng)籃析漏試驗(yàn)(MBDT)結(jié)果如表5所示。可以明顯看出：木質(zhì)素纖維具有最低的瀝青損失，這表明木質(zhì)素纖維具有最高的吸油性和穩(wěn)定性。相比而言，水鎂石纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維表現(xiàn)出較高的瀝青質(zhì)量損失。根據(jù)表1中纖維的物理特性，玄武巖纖維具有較大的比表面積，而其吸油性和粘附性卻最差。為理解該現(xiàn)象，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對纖維進(jìn)行了分析。4種纖維的微觀圖像如圖1所示。

表5 網(wǎng)籃析漏試驗(yàn)結(jié)果Table5 Experimentresultsofmesh-basketdraindown纖維類別瀝青損失/%水鎂石纖維8.17木質(zhì)素纖維3.04玄武巖纖維12.32聚酯纖維18.13

(a) 水鎂石纖維(b) 木質(zhì)素纖維

(c) 玄武巖纖維(d) 聚酯纖維

可以看出：水鎂石纖維和木質(zhì)素纖維與玄武巖纖維和聚酯纖維相比具有粗糙的表面，因此網(wǎng)籃析漏試驗(yàn)中(見表5)差異的主要原因可能是由于表面紋理的差異，其為影響瀝青與纖維之間粘結(jié)強(qiáng)度另一個(gè)重要的因素。纖維表面的紋理越粗糙，其與瀝青之間的粘結(jié)強(qiáng)度將越高。對SEM結(jié)果的分析也可得出，人工合成玄武巖纖維和聚酯纖維的表面與天然水鎂石纖維和木質(zhì)素纖維相比更加光滑。因此，水鎂石纖維和木質(zhì)素纖維與瀝青之間具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度。纖維吸收瀝青將導(dǎo)致瀝青混凝土的粘度增加、界面粘附性得到改善，且可增加瀝青薄膜的厚度。此外，這些改變也將影響瀝青膠漿或?yàn)r青混合料的抗裂特性、抗老化性能及疲勞性能。

從圖1可以看出：與玄武巖纖維相比，水鎂石纖維更加粗糙，這是因?yàn)樗V石纖維呈束狀，且水鎂石直徑甚至可達(dá)納米級水平，此外表面紋理粗糙并沒有統(tǒng)一大小。同時(shí)，木質(zhì)素纖維表面呈不規(guī)則形狀，且有大量的分支交錯盤繞。相比之下，由于玄武巖纖維和聚酯纖維為工廠定制，因此這些纖維呈規(guī)則的圓柱狀，且具有光滑的表面。結(jié)合WAT、OHT、MBDT和微觀圖像綜合分析可以得出，纖維的比表面積和表面紋理對吸水性、吸油性和瀝青粘附性起了非常重要的作用。

3.2 纖維增強(qiáng)瀝青的剪切行為

表6給出了纖維改性瀝青錐入度試驗(yàn)(CPT)結(jié)果，包括測得錐貫入深度和計(jì)算得到的剪應(yīng)力。纖維改性瀝青的錐貫入深度降序排序?yàn)椋耗举|(zhì)素纖維(118.3 mm)、水鎂石纖維(96.3 mm)、玄武巖纖維(92.5 mm)和聚酯纖維(73.1 mm)。同時(shí)，計(jì)算得到的剪應(yīng)力排序?yàn)椋耗举|(zhì)素纖維(15.21 kPa)<水鎂石纖維(22.94 kPa)<玄武巖纖維(24.86 kPa)<聚酯纖維(9.89 kPa)?？梢园l(fā)現(xiàn)，錐貫入深度的排序與網(wǎng)籃析漏試驗(yàn)中吸油性的排序(見表6)相似。這表明纖維改性瀝青的剪應(yīng)力或許與纖維的吸油能力相關(guān)。與未改性瀝青相比，纖維增加了瀝青膠結(jié)料的抗剪強(qiáng)度。這是因?yàn)槔w維可起到三維空間網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，如水鎂石纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維。此外，纖維吸收瀝青的輕組分增加了瀝青的粘度和勁度。四種纖維中聚酯纖維降低錐貫入深度和提高剪應(yīng)力的作用最為明顯，這可能是由于其具有良好的瀝青穩(wěn)定及空間網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。一般而言，具有較高拉伸強(qiáng)度的纖維可以更加有效地抗瀝青流動及裂縫的擴(kuò)展[10]。表2可以看出，玄武巖纖維具有最高的拉伸強(qiáng)度，而最大的密度。因此，瀝青的抗剪強(qiáng)度不可避免地受到纖維在瀝青中下沉的影響。水鎂石纖維及玄武巖纖維由于他們的物理特性從而提高了改性效果。水鎂石纖維的拉伸強(qiáng)度低于玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度，而水鎂石纖維的表面紋理粗糙度高于玄武巖纖維。

表6 纖維改性瀝青的錐貫入深度和剪切應(yīng)力Table6 Conesinkdepthandshearstressoffibermodifiedasphalts纖維種類錐貫入深度/(0.1mm)剪應(yīng)力/kPa未添加纖維160.68.23水鎂石纖維96.222.93木質(zhì)素纖維118.215.20玄武巖纖維92.424.85聚酯纖維73.039.88

圖2的SEM分析給出了纖維在瀝青中的空間分布。對表面粗糙的纖維(水鎂石纖維和木質(zhì)素纖維)，瀝青的吸收及表面紋理使得增強(qiáng)作用明顯，在瀝青中形成三維多方向的空間網(wǎng)絡(luò)，起到橋接的作用使得瀝青更加緊密結(jié)合在一起。然而，對表面較為光滑的纖維(玄武巖纖維和聚酯纖維)，二者之間的結(jié)果并不相同。對玄武巖纖維，由于原材料和制造技術(shù)以及表面紋理的影響使得增強(qiáng)和結(jié)合的作用減弱。對聚酯纖維其在纖維和膠結(jié)料之間也得到了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。先前的研究者已經(jīng)確認(rèn)了，三維網(wǎng)絡(luò)增加作用可以使瀝青在高溫下具有更好的穩(wěn)定性，提高抗裂紋擴(kuò)展，防止集料-瀝青界面滑移和降低應(yīng)力集中現(xiàn)象[2]。

(a) 水鎂石纖維改性瀝青

(b) 木質(zhì)素纖維改性瀝青(c) 聚酯纖維改性瀝青

4 結(jié)論

① 水鎂石纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維吸收率按從大到小排序依次為：木質(zhì)素纖維>聚酯纖維>玄武巖纖維>水鎂石纖維。聚合物纖維(木質(zhì)素纖維和聚酯纖維)與礦物纖維(玄武巖纖維和水鎂石纖維)相比對潮濕環(huán)境更加敏感。

② 烘箱加熱試驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物纖維(木質(zhì)素纖維和聚酯纖維)的加熱質(zhì)量損失高于礦物纖維(水鎂石纖維和玄武巖纖維)的質(zhì)量損失。這是因?yàn)橛捎诶w維的組成不同所造成。木質(zhì)素纖維是來自木和植物，因此具有最差的熱穩(wěn)定性，而聚酯纖維是由有機(jī)物所組成，因此熱穩(wěn)定性比礦物纖維(水鎂石纖維和玄武巖纖維)差。

③ 纖維的物理特性將影響瀝青增強(qiáng)效果。與木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維相比，水鎂石纖維具有可接受的吸水性、熱穩(wěn)定性和瀝青吸收特性。

④ 纖維的表面特性也影響瀝青增強(qiáng)效果，其中水鎂石纖維的粗糙表面在瀝青中形成三維空間網(wǎng)絡(luò)。錐入度試驗(yàn)表明與未改性瀝青相比，纖維增加了瀝青膠結(jié)料的抗剪強(qiáng)度。這是因?yàn)槔w維可起到三維空間網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，如水鎂石纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維。此外，纖維吸收瀝青的輕組分增加了瀝青的粘度和勁度。

⑤ 水鎂石增強(qiáng)瀝青的微觀及力學(xué)特性表明其具有良好的應(yīng)用前景，接下來將進(jìn)行相關(guān)的瀝青混合料性能試驗(yàn)以進(jìn)一步驗(yàn)證水鎂石纖維用于瀝青混合料中的可行性。

[1] Chen H，Xu Q.Experimental study of fibers in stabilizing and reinforcing asphalt binder[J].Fuel，2010，89：1616-1622.

[2] 封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[3] Abtahi Sayyed Mahdi，Sheikhzadeh Mohammad，Hejazi Sayyed Ma-hdi.Fiber reinforced asphalt concrete-a review[J].Construction and Building Materials，2010，24：871-877.

[4] Wu S，Ye Q，Li N，Yue H.Effects of fibers on the dynamic properties of asphalt mixtures[J].Wuhan Univ Technol-Mater Sci Ed，2007，22：733-736.

[5] 曾夢瀾，彭珊，黃海龍.纖維瀝青混凝土動力性能試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，35(4)：7-12.

[6] Putman BJ，Amirkhanian SN.Utilization of waste fibers in stone matrix asphalt mixtures[J].Resour Conserv Recycl，2004，42：265-274.

[7] 湯寄予，高丹盈，韓菊紅.玄武巖纖維對瀝青混合料水穩(wěn)定性影響的研究[J].公路，2008(01)：10-18.

[8] 陳華鑫，李寧利，胡長順，等.纖維瀝青混合料路用性能[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004(02)：6-13.

[9] 關(guān)博文，劉開平，趙秀峰.水鎂石纖維及其復(fù)合材料研究[J].礦業(yè)快報(bào)，2005，34(8)：18-24.

[10] 趙秀峰，劉開平.水鎂石纖維混凝土的低溫性能研究[J].混凝土與水泥制品，2007(04)：20-26.

Comparative Study of Four Kinds of Fiber Reinforced Asphalt’s Microstructure and Mechanical Properties

CHEN Yang

(Chongqing Engineering Vocational College， Chongqing 401120， China)

To investigate the modification of brucite fiber，fiber reinforced asphalt binder was prepared and tested.Lignin fiber，basalt fiber and polyester fiber were used for comparative studies.Water absorption，oven heating，mesh-basket draindown were designed to evaluate the fiber wettability，thermostability，asphalt absorption and stabilization.Cone penetration test were applied to research the shear resistance rheological property and rutting resistance of fiber reinforced asphalt.In addition，the microstructure of fibers and reinforced asphalt binders were analyzed via scanning electron microscopy.Results show that brucite fiber has a better state of preservation in humid environment and thermostability than lignin fiber.It obtains a better effect on asphalt absorption and stabilization than basalt fiber and polyester fiber.Besides，the brucite fiber can effectively improve the rutting resistance.The brucite fiber obtains a spatial networking to enhance the adhesion and stabilization of asphalt binders.

brucite fiber； asphalt mastic； core penetration test； micro-structure properties

2016 — 06 — 15

陳 楊(1983 — )，男，四川劍閣人，講師，研究方向：公路工程。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0273 — 04