陶瓷纤维沥青混合料路用性能及改性机理分析

王修山，周恒宇，张小元，凡涛涛

(1. 浙江理工大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310018； 2. 石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043)

0 引 言

沥青路面在重载和高温耦合作用下容易出现车辙变形，此外开裂、坑槽、松散、剥落等问题也会影响沥青路面的正常使用[1-2]。为解决这些问题，工程界通常采用聚合物改性和纤维改性等方法来减少沥青路面的病害，但聚合物改性价格较昂贵且施工复杂，相比之下纤维改性更加方便适用，故受到了更多的关注[3-5]。近年来，聚酯纤维、钢纤维、矿物纤维等都应用于工程试验中，但仍有缺陷，比如木质素纤维吸附性较好，但力学稳定性差；聚酯纤维力学性能虽然优良，但耐热性不理想；石棉纤维会对身体健康造成损害，目前已被限制使用[6-8]。

陶瓷纤维是由硬质黏土熟料经高温熔融，再用高速气流喷吹形成的连续纤维，具有耐腐蚀、容重轻、抗机械振动、价格低廉、绿色环保等优点[9]。此外，陶瓷纤维还是一种优良的耐火隔热材料，其工作温度可达1 000～1 600 ℃，被广泛应用于机械生产、电子器械、混凝土工程等行业，是替代石棉纤维的新型材料[10-12]。马一平等[13]使用陶瓷纤维改善硅酸盐水泥的力学强度和耐久性能，其抗弯强度、抗冲击增韧效果、抗冻融性和耐久性都显著提升；苏灏扬等[14-16]通过分离式霍普金森压杆试验装置研究了陶瓷纤维改性水泥混凝土的力学效应，表明陶瓷纤维可提升水泥混凝土的韧性和强度，并基于动态力学效应建立了动态统计损伤本构模型；任伟波等[17]研究了陶瓷纤维增强地聚合物混凝土，得出加入陶瓷纤维可提升地聚合物混凝土高温性能的结论。

以上研究证实了陶瓷纤维增强水泥混凝土材料的优异性能，近年来关于陶瓷纤维改性沥青及混合料的研究也开始出现。WAN Jiuming等[18]通过动态剪切流变试验表明：陶瓷纤维可使沥青胶浆高温性能显著增强，并通过扫描电镜和原子力显微镜发现陶瓷纤维在沥青胶浆中具有良好的分散性；M.ARABANI等[19]研究了陶瓷纤维改性沥青胶浆的高低温性能，结果表明：加入陶瓷纤维可提高沥青胶浆的高温性能，但会使其低温性能略微下降；M.ARABANI等[20]通过间接拉伸试验和单轴动态蠕变试验对陶瓷纤维改性沥青混合料抗疲劳性能和抗永久变形能力进行了研究，结果表明：加入陶瓷纤维可提高沥青混合料的抗永久变形能力和疲劳寿命，并建议陶瓷纤维用量(与沥青的质量比)为3%。

综上，现有研究主要是针对陶瓷纤维改性沥青胶浆，对陶瓷纤维改性沥青混合料路用性能的研究较少。基于此，笔者通过室内试验对陶瓷纤维改性沥青混合料的路用性能进行评价，并结合SEM电镜试验观察陶瓷纤维沥青混合料的微观结构，探究陶瓷纤维对沥青混合料的增强机理。

1 试验材料和方法

1.1 原材料

沥青为浙江正方交通建设有限公司提供的70#基质沥青，其相关技术指标见表1；集料为产自浙江省兰溪市的石灰岩，压碎值为21.4%，洛杉矶磨耗损失为19.7%；矿粉由石灰岩粉磨加工而成，表观相对密度为2.682。

表1 70#基质沥青性能指标Table 1 Performance index of 70# base asphalt

纤维为河北某矿产品加工厂提供的含锆型陶瓷纤维，纤维外观及微观形貌如图1，性能指标见表2。陶瓷纤维导热系数低，力学性能稳定，由于纤维过长易缠绕结团，因此选取长度为2～4 mm的纤维用于本次试验。由图1可看出，纤维形状为均匀细长的圆柱状，长径比较大，纤维之间分散性较好，多以单束形式分布。

图1 陶瓷纤维外观及微观形貌Fig. 1 Appearance and microstructure of ceramic fibers

表2 陶瓷纤维的性能指标Table 2 Performance index of ceramic fiber

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

沥青混合料选用AC-13矿料级配，见表3。通过马歇尔试验确定不同纤维掺量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%)相应的最佳油石比分别为5.10%、5.19%、5.26%、5.33%、5.38%、5.40%，最佳油石比下的各项马歇尔试验指标如表4。

表3 AC-13矿料级配Table 3 AC-13 mineral aggregate gradation

表4 马歇尔试验指标Table 4 Marshall test indexes

1.2.2 沥青混合料制备

在确定最佳沥青用量后，考虑到湿法制备沥青混合料工序复杂且要求较高，易造成纤维拌合不均匀，因此选用干法制备改性沥青混合料。按比例分别称取一定质量的集料、纤维和沥青，集料在拌合过程前要在160 ℃烘箱中放置12 h，分3次搅拌，先将集料和纤维一起搅拌，然后依次倒入沥青和矿粉，沥青要保证温度在160 ℃左右，每次拌合90 s，最后得到均匀混合料。

1.2.3 路用性能试验

参考文献[21]，通过电动马歇尔击实仪和轮碾成型机成型的直径为101.6 mm、高度为63.5 mm的马歇尔试件和300×300×50 mm的车辙试件分别用于水稳定性试验和车辙试验；将车辙试件切割为250×30×35 mm的长方体小梁，用于低温弯曲试验。

1.2.4 微观形貌观测

为从细观尺度分析陶瓷纤维改性沥青混合料的机理，利用日本电子JSM-5610LV扫描电镜观察陶瓷纤维沥青混合料微观形貌，从试件断裂面处切割出约为1 cm3的立方体试样，考虑到试样不具有导电性，试验前使用日本电子JFC-1600型离子溅射仪将试样于10 mA电流下喷金60 s。

2 路用性能试验结果

2.1 高温稳定性

车辙试验所用仪器为STCZ-1型车辙试验机，试验结果如图2。由图2可看出：随着陶瓷纤维掺量增加，混合料动稳定度不断升高，在纤维掺量由0.2%增加到0.3%时，动稳定度的提升幅度约为9.0%；而纤维掺量由0.4%增加到0.5%时，动稳定度增长幅度仅为1.9%，可见当纤维掺量超过一定量后对动稳定度提升已不明显。在加入0.5%的陶瓷纤维时，动稳定度达到最大值，相比未掺纤维沥青混合料提高约27.3%。

图2 车辙试验结果Fig. 2 Rutting test results

沥青路面对高温环境较为敏感，在荷载耦合作用时易发生车辙变形。这是因为主要起胶结作用的沥青胶浆在高温影响下黏性会降低、流动性升高，对集料束缚力减弱，因此沥青胶浆品质是决定沥青混合料高温性能的主要因素。陶瓷纤维具有较大的比表面积，可供大量沥青覆盖在纤维表面，使自由沥青转变成结构沥青，沥青胶浆温度敏感性降低，软化点升高[18-19]，在高温环境下依然能保持一定的黏性和稳定性。同时，陶瓷纤维力学性能优良，在混合料中通过相互搭连形成三维网状体系，能限制矿质颗粒的相对滑移，使混合料不易发生较大变形。此外，陶瓷纤维作为一种新型热阻材料，具有较低的导热系数，在高温环境下可阻碍热量在混合料中的传递，降低了高温对混合料内部影响[22]。

2.2 水稳定性

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价沥青混合料水稳定性和力学性能。仪器为STM-5型马歇尔稳定度试验仪，其结果如图3～图4。

图3为不同纤维掺量下的马歇尔稳定度(MS)、浸水后的马歇尔稳定度(MS1)和浸水残留稳定度(MS0)。由图3可看出：试件在浸水后MS1相比MS大幅下降，由于水分渗透和侵蚀削弱了沥青胶浆与矿料之间的黏结力，在受力作用下发生剥落，从而加速了沥青混合料破坏，导致浸水后的稳定度降低。加入陶瓷纤维后沥青混合料的MS、MS1、MS0均提升，当纤维掺量为0.4%时，各项指标提升效果最好，MS相比未掺纤维沥青混合料提高约17.5%，MS0提高约6.4%。当纤维掺量超过0.4%时，MS、MS1、MS0开始下降，但仍高于未掺纤维沥青混合料。

图3 浸水残留稳定度试验结果Fig. 3 Results of immersion residual stability test

图4为冻融劈裂试验结果。其中：RT1、RT2和TSR分别代表沥青混合料劈裂强度、冻融后劈裂强度和冻融劈裂强度比。由图4可看出：在经过冻融循环后，RT2相比RT1大幅下降，由于饱水试样置于低温环境中，孔隙中的液体冷凝结冰，体积膨胀导致内部孔隙开裂，使冻融后的强度降低。随着纤维掺量增加，RT1、RT2、TSR呈先增加后降低的变化规律，在纤维掺量为0.4%时达到峰值，相比未掺纤维沥青混合料，TSR提高约8.8%，RT1提高约20.2%，与浸水马歇尔试验结果基本一致。

图4 冻融劈裂试验结果Fig. 4 Results of freeze-thaw split test

由水稳定性试验结果可知：加入陶瓷纤维有助于提升沥青混合料的物理力学性能和水稳定性能。沥青胶浆与陶瓷纤维间的浸润作用使界面强度增强，提高了沥青胶浆的黏性[20]，使其牢牢裹覆在矿料之上，并增加了沥青膜厚度，可防止水分进入沥青与矿料界面，使二者之间的抗剥落性提升；此外，掺入纤维可减小内部间隙，孔隙率减小意味着混合料更加密实，连通孔隙数量变少，液体在混合料中难以流动，渗透效果减弱。但纤维量过多会使分散性变差，易发生堆叠缠绕，导致混合料孔隙增大，从而降低了混合料水稳定性。

2.3 低温抗裂性

通过MTS液压伺服万能材料试验机进行低温弯曲试验，图5显示了不同陶瓷纤维掺量下沥青混合料的最大弯拉应变。由图5可看出：当陶瓷纤维掺量低于0.4%时，随着纤维含量增多，混合料最大弯拉应变逐渐增大；纤维量为0.4%时，最大弯拉应变达到峰值，相比未掺纤维沥青混合料提升约9.6%。随着纤维量进一步增加，混合料最大弯拉应变开始下降，因为过多的纤维会导致分散性变差，不易形成对性能提升有利结构。

图5 低温弯曲试验结果Fig. 5 Results of bending test at low temperature

沥青路面出现开裂主要是因为矿料间接触面发生拉裂破坏，沥青混合料是由沥青胶浆黏结矿料形成的整体，故矿料间接触面强度主要受沥青胶浆影响。研究表明：在沥青胶浆中加入陶瓷纤维可提升其劲度和黏性[20]，所以改性后的沥青胶浆具有一定韧性，且与矿料之间的作用力提升，不易发生拉裂破坏。此外，陶瓷纤维力学稳定性好，在混合料中可起加筋强化作用，通过搭接形成三维网络状体系，能分散和传递外部荷载引起的应力，避免因应力集中而出现开裂破坏，并且阻止裂纹扩展。

3 微观形貌观测与机理分析

为进一步分析陶瓷纤维对沥青混合料的增强机理，利用SEM扫描电镜观察陶瓷纤维沥青混合料断裂面处微观形貌，如图6～图9。

由图6(a)、图6(b)可看出：陶瓷纤维为细长的柱体结构，长径比大，可吸附部分沥青，并且纤维和沥青之间浸润性较好，沥青裹覆在纤维表面形成一定厚度的沥青膜，能将自由沥青转变成结构沥青。由图6(c)看到：纤维根部与沥青紧密黏结，接触部分呈突起状，类似嵌锁作用约束沥青，增强了纤维与沥青间作用力；分析可知：陶瓷纤维通过吸附作用使结构沥青含量增多，由于结构沥青更加稳定，温度敏感性低，故提高了混合料高温性能[23]。由图6(d)看到：纤维附近分布的矿料紧密黏聚在一起，而没有纤维分布的区域矿料则较为松散，表明纤维吸附的沥青黏性更强，与矿料间存在较强作用力，在受到水损侵蚀和重复荷载时不易分离，使混合料的水稳定性和耐久性增强。

图6 陶瓷纤维的吸附作用Fig. 6 Adsorption of ceramic fibers

图7为沥青混合料裂缝的SEM示意。其中：图7(a)为未加纤维的沥青混合料，图7(b)为加入陶瓷纤维的沥青混合料。通过对比可见，未加纤维沥青混合料的裂缝较大，延伸度较长，缝隙间没有任何连接，仅靠上下端沥青黏结作用维持整体稳定，使裂缝在扩张过程中不会受到太大阻力，易发展成较大裂缝。加入陶瓷纤维后，纤维在混合料中桥接缝隙，可延缓裂纹的扩展，因此缝隙较小。由于陶瓷纤维抗拉强度高，外形细长，因此在沥青混合料中起到类似钢筋加固混凝土的作用。

图7 沥青混合料的裂缝Fig. 7 Cracks of asphalt mixture

图8为沥青混合料破坏面处纤维示意。由图8可看出：破坏面处的陶瓷纤维部分埋于沥青混合料中，裸漏部分的纤维端口发生断裂但是并未拔出，说明纤维主要损伤是沥青混合料在拉应力作用下的拉伸断裂而不是从中剥落，表明纤维与沥青之间结合强度高，纤维可承担由沥青传递的拉应力，并发挥一定的阻裂作用[24-25]。

图8 沥青混合料破坏面处纤维Fig. 8 Fiber at the damage interface of asphalt mixture

图9为陶瓷纤维的搭接作用示意。由图9(a)看出：陶瓷纤维在沥青混合料中随机分布，纤维之间相互搭接形成稳定的三维网状体系，当受到外力作用时纤维可分散和传递应力，使应力分布更加均匀，避免内部因应力集中而出现开裂破坏[26]。由图9(b)可见：纤维的搭接对矿料起到“捆绑”作用，纤维因受力出现弯曲变形，与矿料间相互挤压，随着受力增加二者之间摩擦力增大，使沥青混合料的内摩擦角提升，约束了矿质颗粒位移，使沥青混合料的抗变形能力和疲劳寿命增强[27]。

图9 陶瓷纤维的搭接作用Fig. 9 Overlap of ceramic fibers

4 结 论

通过对不同掺量陶瓷纤维改性沥青混合料的路用性能进行评价，并从微观尺度分析其改性机制，得到如下结论：

1)加入陶瓷纤维对沥青混合料高温性能和物理力学性能的提升较明显，相比未掺纤维沥青混合料，动稳定度提高约27.3%，马歇尔稳定度和劈裂强度分别提高约17.5%和20%。

2)陶瓷纤维改性沥青混合料的水稳定性和低温性能有小幅增强，其中浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比相比未掺纤维沥青混合料分别提高约6.4%和8.8%，破坏弯拉应变提高约9.6%。

3)分析试验结果可知：加入0.4%的陶瓷纤维对各项路用性能的提升效果最好，因此以0.4%陶瓷纤维作为改性沥青混合料的最佳掺量。

4)根据SEM试验观察到陶瓷纤维通过吸附增黏、加筋阻裂和搭接形成三维网状结构等作用改性沥青混合料，从微观角度解释了加入陶瓷纤维后宏观路用性能提升的原因。