玄武岩纤维及高黏改性剂对沥青性能影响研究

李红波

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

沥青路面是高等级公路的主要路面类型，具有足够的强度和稳定性，为司机提供舒适的行车环境；但随着行车荷载和环境因素的作用，导致沥青路面出现车辙、裂缝、坑槽等病害，严重降低了沥青路面的服务功能和使用寿命。其中，沥青材料性能的好坏对沥青路面路用性能具有重要作用。沥青作为沥青混合料的原材料之一，具有黏弹性，温度敏感性较大，高温时具有明显的流动性且容易老化，低温时脆性较大，对沥青混合料复杂环境下使用具有一定的制约性，因此改善沥青的路用性能愈显重要。李晓燕等[1]通过橡胶改性沥青，发现沥青的感温性降低、高温黏度增大，导致混合料拌和压实困难。孙璐等[2]采用纳米Ⅰ改性基质沥青和纳米Ⅰ与SBS复合改性基质沥青，发现改性后的沥青温度稳定性显著提高。杨光[3-4]分析了废橡胶粉与SBS复合改性基质沥青，提出了生产季冻地区废橡胶粉与SBS复合改性基质沥青的相关参数，并评价了其高温与低温性能。牛冬瑜等[5]研究了不同种类的SBS改性沥青加工参数对其性能的影响。班孝义[6]通过聚氨酯改性沥青，确定了其最佳掺量。康爱红等[7]通过对不同类型SBS改性沥青路用性能和微观构造进行比较，发现改性剂粒子面积率、形状大小及均匀性影响SBS改性剂的改性效果。张校刚[8]通过剪切试验确定了橡胶粉及水泥改性沥青的最佳掺量。

对此，本文在前人研究的基础上，针对渠道化明显、高温多雨地区、长陡上坡路段及重载交通、水泥路面加铺沥青路段，选用玄武岩纤维及高黏改性剂对沥青进行改性，并对其路用性质进行评价，为新型改性沥青的工程应用提供理论基础。

1 高黏沥青及高黏玄武岩高黏沥青

1.1 试验原材料

1.1.1 高黏改性剂

选用上海群康沥青科技公司生产的高黏改性剂rps，颗粒大小均匀无黏结，主要成分为热塑性橡胶、黏结性树脂和增塑剂，可直接通过机械拌和的方式制得高黏沥青，其技术指标见表1。

表1 rps技术指标

图1 rps外观示意图

图2 玄武岩纤维

1.1.2 玄武岩纤维

玄武岩纤维具有良好的耐碱性、高温性能及黏聚性能等工程特性，选用山东聚源生产的，其技术指标见表2。

表2 玄武岩纤维技术指标

1.1.3 沥青

选用克拉玛依70号基质沥青和SBS改性沥青，其技术指标分别见表3和表4。

表3 克拉玛依70号基质沥青技术指标

表4 SBS改性沥青技术指标

1.2 高黏沥青

采用高速剪切法制备高黏沥青，rps掺量为16%，剪切完成后防止气泡的产生。

表5 掺16%rps的剪切试验参数

1.3 玄武岩纤维高黏沥青

采用高速剪切法制备高黏沥青，以制得的高黏改性沥青为基体，玄武岩掺量为0.5%，剪切试验参数见表6。剪切完成后要防止气泡的产生。

表6 掺0.5%玄武岩的剪切试验参数

2 试验方案

2.1 试验方案

2.1.1 黏弹特性

采用动态剪切流变仪（DSR）分析沥青的黏弹特性，结合现场沥青路面达到的温度，分别对克拉玛依70号基质沥青、SBS改性沥青、高黏沥青和玄武岩纤维高黏沥青进行流变性质试验，拟采用温度区间为10℃～80℃。评价指标采用动态剪切模量G*、相位角δ。G*越大表示沥青在荷载作用下可恢复变形的能力越大；δ越大表示沥青黏性变形与弹性变形的比例越大，黏性成分占主要作用，抵抗变形能力较弱。

2.1.2 低温性能

对比各沥青在低温条件下的延度试验数据，拟延度仪水槽温度为5℃。采用延度、峰值力、黏韧性及拉伸模量评价各沥青低温性能。

2.1.3 感温特性

研究各沥青的温度敏感性，分析并评价玄武岩纤维对高黏沥青高温性能的影响效果，拟针入度试验温度为15℃、25℃、30℃，旋转黏度试验温度为135℃、150℃、175℃。采用针入度指数PI和黏温指数VTS评价各沥青的感温性能。

2.2 试验方法

2.2.1 黏弹特性

试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的动态剪切流变仪法测定沥青动态剪切模量和相位角。加载方式为应力控制方式，应力控制选择0.1 kPa，试验时参数见表7。

表7 动态剪切裂变试验参数

2.2.2 低温性能

参照JTG E20—2011中的延度试验测试延度，拉伸速度为5 cm/min。

2.2.3 感温特性

参照JTG E20—2011中的针入度试验和旋转黏度试验，按照公式计算法确定PI、VTS。

3 玄武岩纤维高黏沥青技术性质

3.1 黏弹特性

10℃～80℃内各沥青动态剪切流变试验结果见图3和图4。

图3 沥青动态剪切模量与温度变化关系

由图3可知，随着温度的升高，各沥青动态剪切模量逐渐减少，即抵抗变形能力随温度升高不断减少。低温范围（小于20℃）内，SBS改性沥青抗变温能力小于其他3种沥青，这是由SBS的化学结构成分决定的；另外，rps中主要成分有热塑性橡胶导致高黏沥青和玄武岩纤维高黏沥青低温变形能力较弱。中温范围（20℃～45℃）内，高黏沥青和玄武岩纤维高黏沥青动态剪切模量相近，但沥青的黏度随着温度逐渐升高逐渐降低，流动性增加，而玄武岩纤维高温性能良好和力学特性，最终致使高黏沥青的动态剪切模量小于玄武岩纤维高黏沥青。

由图4可知，70号基质沥青随温度升高相位角逐渐增大，80℃时相位角为90°，这是因为沥青黏度增大，不可恢复变形增多。SBS改性沥青在30℃左右时相位角达到峰值，大于40℃时，相位角随温度升高变化不明显，基本处于恒值，这是因为SBS具有良好的橡胶弹性，高温作用下可以使改性沥青保持良好的弹性。基质沥青中加入rps后，抵抗变形能力增强，但随温度升高，改性后的沥青相位角具有增加的趋势，这是rps中多种成分复合的原因，温度升高后黏性成分使沥青黏度增加致使相位角增大。高黏沥青中掺入玄武岩纤维后，当温度高于40℃后，玄武岩纤维通过在沥青中起加筋骨架作用，制约沥青流动，另外玄武岩纤维具有良好的弹性模量，所以相比高黏沥青而言，玄武岩纤维高黏沥青高温相位角低于高黏沥青变形能力低于高黏沥青。

图4 沥青相位角与温度变化关系

3.2 低温特性

5℃时各沥青延度试验结果见表8。

表8 沥青延度试验结果

由表8可知，70号基质沥青低温稳定性最低，具有脆性破坏的特点，延度为2.1 cm出现断裂。与SBS改性沥青相比，高黏沥青的峰值力是它的1.99倍，拉伸柔量减少了42%，说明rps改性后的沥青低温条件下抵抗荷载能力增强，但变形能力不如SBS改性效果明显，导致延度大小与SBS改性沥青大致相同。高黏沥青掺入玄武岩纤维后，纤维承担了一部分拉应力，使拉应力达到峰值后维持在较高水平，直至玄武岩断裂破坏，从而致使低温环境下玄武岩纤维高黏沥青拉力很大，但延度和拉伸柔量很小。

3.3 感温性能

针入度试验结果见表9，ALgPen为线性回归系数。

表9 沥青针入度试验结果

相比于SBS改性沥青，rps改性后的沥青针入度和温度指数减少，30℃时针入度减少了55%，说明高黏沥青受温度影响变化小。

旋转黏度试验结果见表10。

表10 沥青旋转黏度

由表10可知，由rps改性的沥青黏度明显增大，135℃的黏度是3.836 Pa·s，是70号基质沥青的5.6倍；随着温度的升高，高黏沥青黏度减少幅度明显，这说明高黏沥青温度敏感性大于70号基质沥青和SBS改性沥青，有利于生产中搅拌和压实沥青混合料。玄武岩纤维高黏沥青的黏度大于高黏沥青，说明玄武岩纤维的加入使高黏沥青的增黏作用进一步加强。

4 结论

通过室内试验对比克拉玛依70号基质沥青、SBS改性沥青、高黏沥青和玄武岩纤维高黏沥青的技术特性，得到以下结论：

a）各沥青抵抗变形能力随温度升高不断减少。高黏沥青和玄武岩纤维高黏沥青动态剪切模量相近，温度大于45℃后黏度随着温度逐渐升高而逐渐降低，玄武岩纤维高温性能因其良好的力学特性，致使高黏沥青的动态剪切模量小于玄武岩纤维高黏沥青。

b）基质沥青中加入rps后，抵抗变形能力增强，随温度升高，改性后的沥青相位角具有增加的趋势。温度高于40℃后，高黏沥青中掺入玄武岩纤维后变形能力低于高黏沥青。

c）rps改性后的沥青低温条件下抵抗荷载能力增强，但变形能力不如SBS改性效果明显，高黏沥青掺入玄武岩纤维后抗拉能力提高，延度和拉伸柔量很小，低温变形能力不强。

d）rps改性的沥青黏度明显增大，是70号基质沥青的5.6倍，温度敏感性大于70号基质沥青和SBS改性沥青；玄武岩纤维的加入使高黏沥青的增黏作用进一步加强。