水鎂石纖維瀝青膠漿性能研究

張 頂

(青海省湟源公路工程建設(shè)有限公司 西寧 810000)

引言

在多種因素的耦合作用下，瀝青路面更易出現(xiàn)損傷，對(duì)瀝青路面的使用壽命有不利影響[1-6]。摻加纖維來改善瀝青混合料性能是常用的方法之一，聚合物纖維、玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維等被廣泛使用，取得了大量成果[7-10]。作為一種天然礦物纖維，水鎂石纖維在中美俄等國家都有豐富的儲(chǔ)量，合理的開發(fā)利用具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

劉子銘等[11]研究了復(fù)摻鋼絲絨纖維/水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)在保證分散性的條件下，復(fù)合纖維的摻入對(duì)瀝青膠漿的高溫性能有積極影響。熊銳等[12]發(fā)現(xiàn)水鎂石纖維對(duì)瀝青及瀝青混合料的路用性能有顯著改善作用。

楊曉凱[13]引入煤矸石，將其與水鎂石纖維復(fù)合，研究兩者協(xié)同作用對(duì)瀝青混合料性能的影響。研究表明：兩者協(xié)同可在瀝青混合料中起到橋接、建立三維網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)瀝青與集料粘附性等作用，從而達(dá)到改善瀝青混合料性能的作用。然而，系統(tǒng)分析水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿性能影響的研究較少。

基于此，本文借助延度試驗(yàn)、錐入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、布氏粘度儀、Burgers模型來探究水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿性能的影響，以期為水鎂石纖維在瀝青材料中的應(yīng)用提供有益參考。

1 原材料

本文所用原材料包括基質(zhì)瀝青、水鎂石纖維及石灰石礦粉。

1.1 瀝青

本研究所用的瀝青為SK90#瀝青，其性能如表1所示，均符合規(guī)范要求。

表1 SK90#瀝青性能指標(biāo)

1.2 礦粉

本文所用礦粉為石灰石礦粉，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.3 水鎂石纖維

本文所用水鎂石纖維宏微觀形貌如圖1所示，不同纖維技術(shù)指標(biāo)如表3所示。由表可知，對(duì)比常用的路用纖維，水鎂石纖維吸濕率低，耐熱性強(qiáng)，吸油率較好，具有優(yōu)良的使用特性。

圖1 水鎂石纖維宏微觀形貌

表3 不同纖維基本性能

1.4 水鎂石纖維膠漿制備工藝

水鎂石纖維膠漿制備工藝如圖2所示。

圖2 水鎂石纖維瀝青膠漿制備工藝圖

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 黏溫特性

借助布氏黏度儀，通過測(cè)試水鎂石纖維瀝青膠漿的135℃、150℃、165℃及180℃的布氏黏度，進(jìn)而對(duì)其黏溫特性進(jìn)行研究。

1.5.2 蠕變?nèi)崃繉?dǎo)數(shù)

基于王嵐等人黏彈性理論[14]，借助Burgers模型將Kelvin與Maxwell元件二者串聯(lián)以研究瀝青材料的黏彈性質(zhì)。蠕變應(yīng)變?yōu)辂溈怂鬼f模型和開爾文模型的應(yīng)變之和，如式(1)所示：

(1)

其中，ε為應(yīng)變；σ0為應(yīng)力(MPa)；E1，η1，E2，η2分別是Maxwell和Kelvin模型的彈簧彈性模量和黏壺的黏性系數(shù)。

將式(1)兩邊同時(shí)除以σ0，即為蠕變?nèi)崃抗剑喝缡?2)所示：

(2)

式(2)為Kelvin與 Maxwell模型的蠕變?nèi)崃恐?，以此來更確切地描述黏彈性材料的蠕變規(guī)律，

求導(dǎo)可得式(3)，即蠕變?nèi)崃繉?dǎo)數(shù)。

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

圖3為水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿軟化點(diǎn)和延度的影響。如圖3(a)可知，瀝青膠漿的軟化點(diǎn)隨水鎂石纖維摻量的增多而增大，說明在8%范圍內(nèi)，水鎂石纖維與瀝青具有良好的相容性，能充分地發(fā)揮水鎂石纖維對(duì)基質(zhì)瀝青的加筋和增韌作用。

(a) 水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿軟化點(diǎn)影響

如圖3(b)所示，隨著水鎂石纖維摻量的增大，瀝青延度逐漸減小，且不同溫度下，減小程度并不相同；水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿10℃延度的影響遠(yuǎn)大于5℃。

2.2 蠕變?nèi)崃繉?dǎo)數(shù)

表4為不同溫度下水鎂石纖維改性瀝青膠漿的伯格斯模型參數(shù)。

表4 不同溫度下水鎂石纖維改性瀝青膠漿的伯格斯模型參數(shù)

圖4為時(shí)間在8s、30s、60s、120s、240s時(shí)，-12℃、-18℃、-24℃ 溫度下各摻量水鎂石纖維瀝青膠漿的蠕變?nèi)崃繉?dǎo)數(shù)隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，水鎂石纖維瀝青膠漿的蠕變?nèi)崃繉?dǎo)數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)相似，且溫度越低蠕變?nèi)崃康闹翟叫?，?00s之后，蠕變?nèi)崃繉?dǎo)數(shù)基本不變。另外，不同溫度下，水鎂石纖維摻量對(duì)瀝青膠漿低溫性能影響程度不同。

(a)-12℃

2.3 黏溫特性

圖5為水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿黏度的影響。由圖可知，水鎂石纖維的摻入有利于瀝青膠漿黏度的提升，使瀝青路面在夏季時(shí)有更好的抗高溫抗變形能力。當(dāng)摻量為4%時(shí)，瀝青膠漿黏度的增大幅度最為明顯，當(dāng)摻量為6%時(shí)，增大幅度開始減緩，說明纖維摻量可能已接近其最大值。

圖5 不同纖維摻量瀝青膠漿布氏粘度

當(dāng)纖維摻量較小時(shí)，纖維的加筋橋聯(lián)作用較為突出，隨著纖維摻量的逐漸增大，水鎂石纖維的吸附的作用受到限制。

2.4 抗剪強(qiáng)度

圖6為水鎂石纖維對(duì)瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度的影響。由圖可知，瀝青膠漿15℃的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于20℃和25℃，說明水鎂石纖維的摻入有利于瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度的改善。

圖6 不同纖維摻量瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度

3 結(jié)論

(1)水鎂石纖維的摻入提高了瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度及高溫性能。

(2)推薦水鎂石纖維的最佳摻量為6%，選用Burgers模型能較好地模擬瀝青膠漿真實(shí)的蠕變狀態(tài)。

(3)水鎂石纖維在瀝青膠漿中呈縱橫多向分布，能較好地黏附瀝青，起增粘加筋作用。