玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)作用與機(jī)理

陶美凈，高春妹，齊 瑞

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 前 言

瀝青路面是公路建設(shè)的主體，在我國(guó)公路建設(shè)中，90%以上都是瀝青路面，因此，解決瀝青路面的病害提高路面性能問(wèn)題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，提高瀝青混合料路面性能的研究方向有兩個(gè)：一是通過(guò)改善集料級(jí)配，以瀝青結(jié)構(gòu)類(lèi)型和設(shè)計(jì)程序?yàn)榛A(chǔ)，提高瀝青在高溫下的不變形性；二是通過(guò)改善瀝青性能和質(zhì)量，提高瀝青機(jī)械性能，降低溫度敏感性[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多的新材料被引入瀝青路面技術(shù)領(lǐng)域。因此，出現(xiàn)第三個(gè)方向即改善其性能，即在瀝青中添加特定的添加劑(纖維等)以改善其物理和機(jī)械性能。玄武巖纖維材料屬于無(wú)機(jī)纖維材料，其強(qiáng)度高、具有良好的耐久性、化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性，因此被稱(chēng)為“無(wú)污染高性能材料”。玄武巖纖維作為一種增強(qiáng)材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注，公路研究人員對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料的性能進(jìn)行了大量的課題研究。Madan L R等[2]對(duì)玄武巖纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用做了詳細(xì)的分析報(bào)告，報(bào)告顯示：玄武巖纖維的強(qiáng)度比其他纖維強(qiáng)度高很多，而且耐腐蝕、耐高溫，具有綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。Maria W等[3]通過(guò)彎曲、強(qiáng)度等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將玄武巖纖維加入混凝土中提高了混凝土的耐酸堿穩(wěn)定性、耐高低溫穩(wěn)定性等物理機(jī)械性能。Li等[4]在不同的低溫和纖維含量下進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)，分析了各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨纖維含量和溫度的變化趨勢(shì)。玄武巖纖維顯著地提高了瀝青混合料的耐低溫性能，增強(qiáng)了其對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性。徐詠梅等[5]為比較木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善效果。在60℃下進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件相同，試驗(yàn)結(jié)果得到兩種纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但玄武巖纖維的改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。Wang等[6]研究了不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維對(duì)多孔瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明長(zhǎng)度為9 mm摻量為0.3%的纖維改善效果最好。Wu等[7]和Cheng等[8]均觀察到玄武巖纖維對(duì)提高瀝青混合料低溫抗裂性能的影響是相當(dāng)明顯的。綜上，玄武巖纖維對(duì)增強(qiáng)瀝青混合料性能在宏觀上已經(jīng)逐漸得到證實(shí)，但從微觀角度深入分析纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)作用機(jī)理并不全面。因此，本文首先對(duì)玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)作用進(jìn)行系統(tǒng)的分析討論，并應(yīng)用掃描電鏡法從微觀角度闡述了纖維增強(qiáng)瀝青混合料路用性能的作用機(jī)理。

1 玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)作用

1.1 吸附作用

玄武巖纖維絲比表面積大，能夠吸附大量的瀝青，使瀝青用量增加，使瀝青膜增厚。因此，瀝青膜與集料之間的孔隙減小，使瀝青較長(zhǎng)時(shí)間的維持其粘彈性，增強(qiáng)內(nèi)部的穩(wěn)定性，降低了瀝青的溫度敏感性，從而改善了瀝青混合料的高低溫性能[9]。

1.2 穩(wěn)定作用

夏季路面溫度升高，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，自由瀝青會(huì)隨著混合料內(nèi)部空隙流出，而泛油現(xiàn)象對(duì)于瀝青路面壽命的影響是極大的，摻入纖維能夠顯著改善這一狀況。雖然在瀝青混合料中纖維的摻量較少，但其截面微小，在瀝青混合料中分散開(kāi)以后，仍具有龐大的數(shù)量，眾多的纖維與瀝青中的酸性樹(shù)脂組分通過(guò)浸潤(rùn)、吸附作用形成牢固的結(jié)構(gòu)瀝青膜，纖維在瀝青混合料中縱橫交錯(cuò)，形成空間骨架結(jié)構(gòu)，以使其抵抗塑性變形的能力增加，纖維的摻入，結(jié)構(gòu)瀝青增加，自由瀝青含量相對(duì)降低，瀝青膠漿粘性增大，溫度穩(wěn)定性得到改善[10]。

1.3 增韌作用

瀝青混合料作為粘彈性材料，它的韌性會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓兓?，溫度較高，其韌性升高；溫度降低，韌性降低。因此在低溫情況下受荷載作用是瀝青路面會(huì)因?yàn)轫g性不足導(dǎo)致開(kāi)裂。玄武巖纖維的彈性模量大，能夠增強(qiáng)瀝青混合料抵抗變形的能力，從而提高其低溫開(kāi)裂性能[11]。

1.4 阻裂作用

斷裂力學(xué)理論中，材料產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象普遍存在。瀝青路面在受到強(qiáng)大的外力作用時(shí)，自身的內(nèi)部作用力不足以抵擋外力作用，便會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，形成路面裂縫，大大縮短了路面的使用壽命[12]。瀝青混合料是不同集料通過(guò)瀝青的粘結(jié)作用構(gòu)成的多維結(jié)構(gòu)，一旦瀝青遭到破壞，整個(gè)混合料的力學(xué)行為都會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷[13]。此時(shí)，纖維的加入可以幫助混合料維持整體性能，纖維在混合料中均勻分散，形成纖維網(wǎng)，能夠在斷裂處起到銜接作用，有效地阻止了裂縫的擴(kuò)大，提高了抵擋外部作用力的能力，使瀝青混合料成為強(qiáng)度更高的復(fù)合材料。

1.5 增粘作用

纖維瀝青混合料屬于典型的復(fù)合材料，對(duì)于復(fù)合材料，可以以加權(quán)平均值的算法來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)估復(fù)合材料的多種性能，例如模量。這就是復(fù)合材料混合定律，則性能廣義表達(dá)式為：

(1)

式中，M為塑性流動(dòng)強(qiáng)度，模量等力學(xué)變量；j為顯微構(gòu)造系數(shù)，當(dāng)復(fù)合材料由強(qiáng)相和弱相的多種材料組成時(shí)：若強(qiáng)相為主導(dǎo)地位則j>0，反之則j<0；V為體積分?jǐn)?shù)。

從復(fù)合材料角度來(lái)看，纖維瀝青混合料是由集料為骨架，瀝青與礦粉結(jié)合產(chǎn)生膠結(jié)力再由纖維產(chǎn)生加筋作用而構(gòu)成的以弱相支撐的固液體系，則將上式轉(zhuǎn)化為：

(2)

式中，s為強(qiáng)相，固體粒子；w為弱相，流體。

將纖維摻入瀝青混合料中，纖維隨機(jī)分布，與瀝青膠漿及其它纖維粘結(jié)，形成纖維網(wǎng)格。纖維網(wǎng)格可以使瀝青膠漿產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)依靠纖維本身的強(qiáng)度使其流動(dòng)受阻，產(chǎn)生抑制流動(dòng)，增強(qiáng)粘度的作用。此時(shí)可以得到以愛(ài)因斯坦混合率推導(dǎo)的固液混合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料粘度公式：

M=Mw(1+KEVS)

(3)

從上式來(lái)看，摻入纖維的混合料的粘度以后會(huì)較原有的混合料的粘度要高，因此從復(fù)合材料的理論分析出發(fā)，證明了摻加纖維來(lái)提升瀝青混合料的粘結(jié)力的可行性與正確性。

2 基于微觀分析的作用機(jī)理分析

2.1 微觀測(cè)試方案

瀝青混合料中加入玄武巖纖維的目的是為改善混合料的路用性能，其中高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能的有效提高主要事因?yàn)槔w維在瀝青混合料中產(chǎn)生的吸附作用，低溫抗裂性能則取決于阻裂作用[14]。所以本次從微觀分析的角度主要對(duì)吸附作用和阻裂作用進(jìn)行分析。取自玄武巖纖維瀝青混凝土試件間接受拉時(shí)的破裂面(見(jiàn)圖1)，通過(guò)場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)試驗(yàn)儀器采集圖像，從微觀角度分析纖維在瀝青混合料中的增強(qiáng)機(jī)理[15]。

圖1 間接受拉試件的破裂面

2.2 纖維吸附瀝青效果分析

如圖2為通過(guò)ESEM采集到的玄武巖纖維與瀝青之間的粘結(jié)界面圖像。從圖2可以看出，纖維表面吸附著大量的瀝青，包裹緊密，且纖維嵌入到瀝青中，形成機(jī)械錨固作用，緊密牢固。這說(shuō)明纖維與瀝青混合料的結(jié)合是非常理想的。

(a)

(b)

圖2為放大800倍的圖像，纖維直徑極小，為 20 μm左右，纖維長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，每10 g纖維的比表面積超過(guò)12m[16]。說(shuō)明纖維具有較大比表面積，分散的纖維在混合料內(nèi)部包裹住了大量的瀝青，并且呈現(xiàn)面接觸而不是點(diǎn)接觸，說(shuō)明纖維與瀝青的浸潤(rùn)結(jié)合效果良好。由浸潤(rùn)理論可知，纖維與瀝青混合料之間主要是以機(jī)械連接和浸潤(rùn)吸附的方式結(jié)合，由于纖維表面粗糙，有凸出和凹陷，所以瀝青與纖維表面的結(jié)合更加緊密牢固，其作用類(lèi)似于機(jī)械之間的錨合作用[17-18]，使纖維不易脫落。纖維的加入使原本未與實(shí)體接觸的自由瀝青轉(zhuǎn)變?yōu)楸患s束的結(jié)構(gòu)瀝青，結(jié)構(gòu)瀝青由此增多，結(jié)構(gòu)瀝青黏性大、裹覆力大，具有良好的溫度敏感性、穩(wěn)定性，因而玄武巖纖維能夠提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性。

2.3 纖維阻裂效果分析

瀝青混合料發(fā)生的破壞形式主要為剪切破壞，破壞大多發(fā)生在混合料內(nèi)部空隙處，并開(kāi)始沿著內(nèi)部原空隙處繼續(xù)擴(kuò)散，特別是在瀝青與礦料的交界處。在車(chē)輛剪切力等作用影響下，混合料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，由于纖維處于無(wú)規(guī)律的分布狀態(tài)，裂縫周?chē)赡軙?huì)存在大量纖維乃至纖維束，這些相互密切搭接的纖維會(huì)對(duì)裂縫起到約束作用，從而阻止了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。纖維成絲狀，相當(dāng)于鋼筋在柱中所起的作用，在受到破壞時(shí)能起到一定的拉伸作用來(lái)維持整個(gè)體系的完整性。

圖3為未加玄武巖纖維的瀝青混合料破裂面處微觀圖片。從圖3可以看到，沒(méi)有加入纖維時(shí)，破裂面存在很多裂縫，而且還存有多處不同剝離程度的層次，層與層之間依靠的是瀝青的黏結(jié)力，但由于已經(jīng)受到破壞，所以這些層之間的連接是非常薄弱的。

(a)

(b)

從圖4(a)中可以看出，斷裂面處有大量纖維，這些纖維縱橫交錯(cuò)分布，形成了空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以很好地傳遞應(yīng)力或消散應(yīng)力，同時(shí)增強(qiáng)了瀝青混合料整體抵抗外力的能力。圖4(b)則是纖維橫跨在裂縫處，起到搭橋作用，當(dāng)瀝青混凝土路面受到荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的共同作用而發(fā)生裂縫時(shí)，分散在其中的玄武巖纖維可以對(duì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)行阻止，猶如是水泥混凝土中的鋼筋一樣有效阻止裂縫的擴(kuò)展，提高瀝青混合料的低溫抗裂新性能。

(a)

(b)

3 結(jié) 論

1)通過(guò)斷裂力學(xué)理論與復(fù)合材料理論等分析了玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)作用，系統(tǒng)的闡述了纖維的吸附、穩(wěn)定、增韌、阻裂及增粘作用。

2)通過(guò)掃描電鏡(ESEM)圖像確認(rèn)了纖維與瀝青之間具有較好的粘結(jié)效果。圖中的玄武巖纖維表面包裹著大量的瀝青，說(shuō)明纖維對(duì)瀝青的吸附能力較強(qiáng)。

3)未添加纖維的瀝青混合料存在著不同程度的裂縫，界面相互分離，加入纖維的瀝青混合料中，裂縫之間有纖維連接，阻止了裂縫的擴(kuò)展。

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