四种纤维增强沥青的微观及力学特性比较研究

陈 杨

(重庆工程职业技术学院， 重庆 401120)



四种纤维增强沥青的微观及力学特性比较研究

陈 杨

(重庆工程职业技术学院， 重庆 401120)

为研究水镁石纤维增强沥青胶浆的特性，制备及测试了纤维增强沥青胶浆。木质素纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维用于比较研究。采用吸水性、烘箱加热和网篮析漏来评估纤维的湿润性、热稳定性、沥青吸收和稳定。锥入度试验来研究纤维增强沥青胶浆的抗剪切特性和抗车辙特性。此外通过扫描电子显微镜分析了纤维增强沥青的微观结构。结果表明：水镁石纤维与木质素纤维相比在潮湿环境下具有更好的保存状态和热稳定性。与玄武岩纤维和聚酯纤维相比，其对沥青吸收和稳定具有更好的效果。此外，水镁石纤维可以有效地改善抗车辙性能。水镁石纤维获得了空间网络从而增强了沥青胶结料的粘附性和稳定性。

水镁石纤维； 沥青胶浆； 锥入度试验； 微观特性

1 概述

沥青混合料已广泛用于公路路面。然而，沥青路面在重复交通荷载及冻融循环作用下可能产生开裂和车辙的病害[1]。因此，可在沥青混合料中使用纤维来改善沥青路面的性能，纤维增强沥青混合料称为FRAC[2]。已有研究表明，纤维在沥青混合料中可起到增强作用[3-5]。纤维不仅可如SBS、SBR和聚乙烯(PE)一样阻止沥青混合料中沥青析漏，同时也可提高沥青混合料的工程特性，包括粘弹性、动态模量、水敏感性、蠕变柔量、抗车辙、抗反射开裂。这些特性可明显延长沥青路面的服役寿命[6，7]。

目前常用的纤维如木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维。然而，木质素纤维易受到潮湿的影响，从而导致在沥青混合料中具有较差的分散特性及具有较低的拉伸强度[8]。尽管玄武岩纤维和聚酯纤维能够改善沥青混合料的路用性能，而其价格通常很高，因而不能广泛使用。因此，有必要找出替代性纤维来实现工程及经济的双重效益。

水镁石纤维为一种矿物纤维，其广泛分布于中国、美国、意大利、俄罗斯等地区，与石棉纤维在化学组成、晶体结构和化学特性上具有显著的不同[9]。水镁石纤维为一种氢氧化镁矿物(Mg(OH)2)，在三角体系中结晶。其拉伸强度和杨氏模量可分别达900 MPa及13.8 GPa以上[10]。相关研究已经证明水镁石纤维对人体并没有伤害[10]。目前为止，水镁石纤维作为增强材料应用于沥青混合料中的研究鲜有报道。本文旨在研究水镁石纤维的特性、稳定性和对沥青胶浆的增强效果及相应的机理。进行吸水性、烘箱加热试验、网篮析漏试验评估纤维的特性，且使用扫描电子显微镜(SEM)观察纤维的微观结构和于沥青胶结料中的空间网络以深入了解纤维的增强机理。进行水镁石纤维改性沥青的锥入度试验以评估其增强效果。基于比较试验初步评估了水镁石纤维用于沥青胶浆中的可行性和适用性。

2 原材料

2.1 沥青

本研究使用的沥青为克拉玛依石化提供的A-90号沥青。表1给出了沥青胶结料的基本物理特性。

表1 沥青胶结料的物理特性Table1 Physicalpropertiesofasphaltbinder材料测试项目值原样沥青胶结料25℃下针入度/(0.1mm)83.215℃延度/cm121软化点/℃47.5蜡含量/%1.87闪电/℃272相对密度0.983RTFO胶结料质量损失/%-0.0525℃针入度比/%82.815℃延度/cm29.4

2.2 纤维

采用水镁石纤维(德力股份有限公司提供)、木质素纤维(北京天成垦特莱科技有限公司)、玄武岩纤维(宁波大成新材料股份有限公司)和聚酯纤维(北京天成垦特莱科技有限公司)用于改性沥青。表2给出了制造商提供的4种纤维的基本物理特性。

表2 纤维的物理特性(制造商提供)Table2 Physicalpropertiesoffibers(providedbymanufactures)项目水镁石纤维木质素纤维玄武岩纤维聚酯纤维规范直径/mm0.0200.0450.0130.020ASTMD2130长度/mm2.501.106.006.00ASTMD204长径比12524462300/比表面积/(10-3m2·g-1)150.3118.174.714.8/密度/(g·cm-3)2.4401.2802.8171.360ASTMD3800拉伸强度/MPa932/2000531ASTMD2256

3 结果和讨论

3.1 纤维特性

3.1.1 吸水性和热稳定性(WAT)

纤维的WAT结果如表3所示。水镁石纤维、木质素纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维的吸水率分别为1.08%，15.48%，1.16%和2.43%。根据该结果，吸收率按从大到小排序依次为：木质素纤维>聚酯纤维>玄武岩纤维>水镁石纤维。从该趋势也可看出，聚合物纤维(木质素纤维和聚酯纤维)与矿物纤维(玄武岩纤维和水镁石纤维)相比对潮湿环境更加敏感。

表3 纤维的吸水率Table3 Waterabsorptionoffibers纤维类别干重/g湿重/g平均吸水率/%水镁石纤维30.0130.331.07木质素纤维30.0234.6715.49玄武岩纤维30.0230.371.17聚酯纤维30.0130.742.43

烘箱加热试验(OHT)结果如表4所示。与WAT试验相似，聚合物纤维(木质素纤维和聚酯纤维)的加热质量损失高于矿物纤维(水镁石纤维和玄武岩纤维)的质量损失，且质量损失排序如下：木质素纤维>聚酯纤维>水镁石纤维>玄武岩纤维。结果表明，4种纤维中玄武岩纤维具有最高的热稳定性。在OHT试验中聚合物纤维可以明显观察到颜色的变化。如木质素纤维的颜色从浅灰色到棕色，且聚酯纤维颜色从白色变为淡黄色。然而，矿物纤维(水镁石纤维和玄武岩纤维)并没有发现明显的颜色变化，这是由于纤维的组成不同所造成。木质素纤维是来自木和植物，因此具有最差的热稳定性，而聚酯纤维是由有机物所组成，因此热稳定性比矿物纤维(水镁石纤维和玄武岩纤维)差。

表4 纤维的热稳定性Table4 Thermostabilityoffibers纤维类别烘箱加热前/g烘箱加热后/g质量损失/%水镁石纤维30.0229.800.72木质素纤维30.0129.461.84玄武岩纤维30.0329.860.56聚酯纤维30.0129.730.95

3.1.2 吸油性

网篮析漏试验(MBDT)结果如表5所示。可以明显看出：木质素纤维具有最低的沥青损失，这表明木质素纤维具有最高的吸油性和稳定性。相比而言，水镁石纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维表现出较高的沥青质量损失。根据表1中纤维的物理特性，玄武岩纤维具有较大的比表面积，而其吸油性和粘附性却最差。为理解该现象，采用扫描电子显微镜(SEM)对纤维进行了分析。4种纤维的微观图像如图1所示。

表5 网篮析漏试验结果Table5 Experimentresultsofmesh-basketdraindown纤维类别沥青损失/%水镁石纤维8.17木质素纤维3.04玄武岩纤维12.32聚酯纤维18.13

(a) 水镁石纤维(b) 木质素纤维

(c) 玄武岩纤维(d) 聚酯纤维

可以看出：水镁石纤维和木质素纤维与玄武岩纤维和聚酯纤维相比具有粗糙的表面，因此网篮析漏试验中(见表5)差异的主要原因可能是由于表面纹理的差异，其为影响沥青与纤维之间粘结强度另一个重要的因素。纤维表面的纹理越粗糙，其与沥青之间的粘结强度将越高。对SEM结果的分析也可得出，人工合成玄武岩纤维和聚酯纤维的表面与天然水镁石纤维和木质素纤维相比更加光滑。因此，水镁石纤维和木质素纤维与沥青之间具有更高的粘结强度。纤维吸收沥青将导致沥青混凝土的粘度增加、界面粘附性得到改善，且可增加沥青薄膜的厚度。此外，这些改变也将影响沥青胶浆或沥青混合料的抗裂特性、抗老化性能及疲劳性能。

从图1可以看出：与玄武岩纤维相比，水镁石纤维更加粗糙，这是因为水镁石纤维呈束状，且水镁石直径甚至可达纳米级水平，此外表面纹理粗糙并没有统一大小。同时，木质素纤维表面呈不规则形状，且有大量的分支交错盘绕。相比之下，由于玄武岩纤维和聚酯纤维为工厂定制，因此这些纤维呈规则的圆柱状，且具有光滑的表面。结合WAT、OHT、MBDT和微观图像综合分析可以得出，纤维的比表面积和表面纹理对吸水性、吸油性和沥青粘附性起了非常重要的作用。

3.2 纤维增强沥青的剪切行为

表6给出了纤维改性沥青锥入度试验(CPT)结果，包括测得锥贯入深度和计算得到的剪应力。纤维改性沥青的锥贯入深度降序排序为：木质素纤维(118.3 mm)、水镁石纤维(96.3 mm)、玄武岩纤维(92.5 mm)和聚酯纤维(73.1 mm)。同时，计算得到的剪应力排序为：木质素纤维(15.21 kPa)<水镁石纤维(22.94 kPa)<玄武岩纤维(24.86 kPa)<聚酯纤维(9.89 kPa)。可以发现，锥贯入深度的排序与网篮析漏试验中吸油性的排序(见表6)相似。这表明纤维改性沥青的剪应力或许与纤维的吸油能力相关。与未改性沥青相比，纤维增加了沥青胶结料的抗剪强度。这是因为纤维可起到三维空间网络效应，如水镁石纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维。此外，纤维吸收沥青的轻组分增加了沥青的粘度和劲度。四种纤维中聚酯纤维降低锥贯入深度和提高剪应力的作用最为明显，这可能是由于其具有良好的沥青稳定及空间网络效应。一般而言，具有较高拉伸强度的纤维可以更加有效地抗沥青流动及裂缝的扩展[10]。表2可以看出，玄武岩纤维具有最高的拉伸强度，而最大的密度。因此，沥青的抗剪强度不可避免地受到纤维在沥青中下沉的影响。水镁石纤维及玄武岩纤维由于他们的物理特性从而提高了改性效果。水镁石纤维的拉伸强度低于玄武岩纤维的拉伸强度，而水镁石纤维的表面纹理粗糙度高于玄武岩纤维。

表6 纤维改性沥青的锥贯入深度和剪切应力Table6 Conesinkdepthandshearstressoffibermodifiedasphalts纤维种类锥贯入深度/(0.1mm)剪应力/kPa未添加纤维160.68.23水镁石纤维96.222.93木质素纤维118.215.20玄武岩纤维92.424.85聚酯纤维73.039.88

图2的SEM分析给出了纤维在沥青中的空间分布。对表面粗糙的纤维(水镁石纤维和木质素纤维)，沥青的吸收及表面纹理使得增强作用明显，在沥青中形成三维多方向的空间网络，起到桥接的作用使得沥青更加紧密结合在一起。然而，对表面较为光滑的纤维(玄武岩纤维和聚酯纤维)，二者之间的结果并不相同。对玄武岩纤维，由于原材料和制造技术以及表面纹理的影响使得增强和结合的作用减弱。对聚酯纤维其在纤维和胶结料之间也得到了三维网络结构。先前的研究者已经确认了，三维网络增加作用可以使沥青在高温下具有更好的稳定性，提高抗裂纹扩展，防止集料-沥青界面滑移和降低应力集中现象[2]。

(a) 水镁石纤维改性沥青

(b) 木质素纤维改性沥青(c) 聚酯纤维改性沥青

4 结论

① 水镁石纤维、木质素纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维吸收率按从大到小排序依次为：木质素纤维>聚酯纤维>玄武岩纤维>水镁石纤维。聚合物纤维(木质素纤维和聚酯纤维)与矿物纤维(玄武岩纤维和水镁石纤维)相比对潮湿环境更加敏感。

② 烘箱加热试验结果表明，聚合物纤维(木质素纤维和聚酯纤维)的加热质量损失高于矿物纤维(水镁石纤维和玄武岩纤维)的质量损失。这是因为由于纤维的组成不同所造成。木质素纤维是来自木和植物，因此具有最差的热稳定性，而聚酯纤维是由有机物所组成，因此热稳定性比矿物纤维(水镁石纤维和玄武岩纤维)差。

③ 纤维的物理特性将影响沥青增强效果。与木质素纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维相比，水镁石纤维具有可接受的吸水性、热稳定性和沥青吸收特性。

④ 纤维的表面特性也影响沥青增强效果，其中水镁石纤维的粗糙表面在沥青中形成三维空间网络。锥入度试验表明与未改性沥青相比，纤维增加了沥青胶结料的抗剪强度。这是因为纤维可起到三维空间网络效应，如水镁石纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维。此外，纤维吸收沥青的轻组分增加了沥青的粘度和劲度。

⑤ 水镁石增强沥青的微观及力学特性表明其具有良好的应用前景，接下来将进行相关的沥青混合料性能试验以进一步验证水镁石纤维用于沥青混合料中的可行性。

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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

陈 杨(1983 — )，男，四川剑阁人，讲师，研究方向：公路工程。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0273 — 04