玄武岩纤维对沥青胶浆性能的影响研究

鲍意　刘亮　沈晋

摘要：文章为研究玄武岩纤维对沥青胶浆性能的影响，在石油沥青中添加不同规格的玄武岩纤维，通过石油沥青的布氏旋转黏度试验、拉伸试验、动态剪切流变试验（DSR）来研究不同掺量、不同长度的玄武岩纤维对石油沥青工作性能、低温抗断裂性能、高温流变性能的影响。结果表明：随着玄武岩纤维掺量的增加，石油沥青的黏度逐渐增加，工作温度提高；随着玄武岩纤维掺量的增加，-5 ℃时低温抗断裂性能显著提高，-10 ℃、-15 ℃时低温抗断裂性能先增加后降低；结合本次试验的数据可知，玄武岩纤维最佳掺量为4%，玄武岩纤维长度为6 mm较适宜；相比不添加纤维，玄武岩纤维的加入可以很好地提高沥青胶浆的车辙因子。

关键词：玄武岩纤维；沥青胶浆；黏温曲线；高温流变

0引言

随着交通量的增加，沥青路面的损坏现象时有发生，沥青路面的抗水损坏和抗高温剪切是目前沥青路面研究的重点［1-2］。玄武岩纤维作为一种新型环保材料，具有高韧性、高粘结性［3-4］，是一种能提高路面抗车辙性的良好材料，相比木质素纤维易老化、弹性模量低、抗腐蚀性差等缺点，玄武岩纤维不仅能够弥补木质纤维的不足，而且还具有改善沥青-矿料界面作用的优点，能满足沥青路面的耐久性要求。国内外相关学者对此进行了较多研究，如韦佑坡等［5］研究表明玄武岩纤维与沥青具有较好的粘结性，对沥青胶结料具有阻裂作用，在沥青混合料中能分散应力，提高沥青路面的整体强度；覃潇等［6］将玄武岩纤维添加到沥青混合料中，对玄武岩纤维增强沥青混合料的机理进行了研究，得出其对沥青混合料的高温、水稳性能有很好的改善作用；吕伟民［7］对玄武岩纤维、沥青与矿粉三者混合而成的纤维沥青胶浆的作用机理进行阐述，并对沥青混合料强度形成和抗裂性能进行了相关机理分析。现有研究多集中在沥青混合料的性能上，对玄武岩改性沥青胶浆的研究较少，对玄武岩沥青胶浆的工作性能、抗裂性能、高温性能的评价和综合研究较少。

本文通过室内试验，在改性沥青中添加不同规格的玄武岩纤维，通过改性沥青的布氏黏度试验、拉伸试验、动态剪切流变试验（DSR）来研究不同掺量、不同长度玄武岩纤维对改性沥青工作性能、抗裂性能、高温性能的影响，为玄武岩纤维对沥青胶浆性能的影响研究提供借鉴。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

石油沥青：A级70#道路石油沥青，针入度（25 ℃、100 g、5 s）为71.0（0.1 mm）；软化点为48.5 ℃；延度（10 ℃）为30.0 cm；延度（15 ℃）＞100 cm。

玄武岩纤维：技术指标见表1。

1.2 试验方法

为了便于研究玄武岩纤维对沥青胶浆性能的影响，石油沥青与矿粉的质量比为5∶1，纤维掺量分别为改性沥青质量的0、2%、4%、6%、8%，玄武岩纤维长度分别采用4 mm、6 mm和8 mm的规格。

（1）布氏旋转黏度试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验过程》（JTG E20-2011）的规定进行试验，当布氏旋转测试温度为135 ℃和175 ℃，分别对玄武岩纤维长度为6 mm时不同玄武岩纤维掺量下的沥青布氏黏度，以及玄武岩纤维掺量为4%时不同玄武岩纤维长度的沥青布氏黏度进行测试，并绘制黏温曲线。

（2）采用直接拉伸试验机进行试验，试验温度分别设置为-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃，拉伸速度为1 mm/min。

（3）采用动态剪切流变仪测试不加纤维的对照沥青和纤维掺量为4%的6 mm长的玄武岩纤维沥青进行动态剪切流变仪测试，正弦震荡荷载频率为10 rad/s。

2 结果与讨论

2.1 工作性能

掺入玄武岩纤维后，沥青的性状发生变化，对沥青混合料的施工性能有很大的影响，通过布氏黏度试验结果对沥青的黏温曲线进行绘制，可以直观地反映沥青的工作性能。如图1和图2所示分别为不同纤维掺量下的黏温曲线和不同纤维长度下的黏温曲线。

从图1可以看出，随着纤维掺量的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐渐增加，其主要原因是玄武岩与沥青、矿粉等胶结相互粘结在一起，由于玄武岩纤维具有长度，在沥青胶浆内部具有拉伸和阻力作用，沥青的流动性降低，且纤维掺量越多，这种阻力作用越强。因此，随着纤维掺量的增加，沥青胶浆的黏度不断增大。但纤维掺量的增加不利于沥青胶浆的工作性能，当掺量＞6%时，通过黏温曲线看出，沥青混合料的碾压温度和拌和温度就明显增加，大大增加能耗，不满足施工要求。

如图2所示，当纤维掺量为4%时，随着纤维长度的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐渐增加，其主要原因是纤维长度过长，纤维在沥青胶浆中的连接作用范围越大，沥青胶浆内部的沥青、矿粉和纤维之间相互交错越复杂，沥青胶浆的黏度越大。当纤维长度为8 mm时，通过黏温曲线可以看出，瀝青混合料的碾压温度和拌和温度增加明显，显然不利于其工作性能要求。

2.2 低温抗断裂性能

沥青的抗低温断裂性能是沥青的重要性能指标，由于玄武岩纤维与沥青之间具有较好的粘结性能，其对沥青抗裂性能有重要的影响。如图3所示为长度6 mm的纤维在不同掺量下的低温拉伸性能曲线。

由图3可以看出，在-5 ℃时，随着纤维掺量的增加，沥青的低温破坏应力逐渐增加，沥青低温抗裂性能提升。其主要原因是纤维与沥青、矿粉之间相互粘结在一起，受到粘结、咬合和摩擦等作用［8］，增强了内部连结力，提高了沥青的抗拉能力，且纤维掺量越高，抗拉能力越强。当在-10 ℃、-15 ℃时，沥青的低温破坏应力先增加后降低，其主要原因为沥青和玄武岩纤维是两种不同性质的材料，环境温度过低，使材料自身发生收缩变形，两种材料之间的应力不同，随着玄武岩纤维掺量的增加，温度越低，材料之间的差异性越明显。因此，即使玄武岩纤维增加，沥青胶浆的低温抗裂性能也会显著降低。

2.3 高温流变性能

采用动态剪切流变仪测试不加纤维的对照沥青和纤维掺量为4%的6 mm长的玄武岩纤维沥青进行动态剪切流变仪测试，其车辙因子试验结果如图4所示。

由图4可以看出，玄武岩纤维沥青胶浆在不同温度下的车辙因子比不加纤维沥青的大，说明其抵抗高温变形能力较强，高温稳定性较好。其主要原因是玄武岩纤维具有增粘及稳定作用，在沥青中的分散性良好，具有较大的沥青-纤维界面，粘结强度大，抵抗高温变形能力强［9］，有利于降低沥青的温度敏感性。

3 结语

（1）随着玄武岩纤维掺量的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐渐增加，工作温度增加；随着纤维长度的增加，在135 ℃和175 ℃下的布氏黏度值都逐渐增加，工作温度增加。

（2）当在-5 ℃时，随着纤维掺量的增加，沥青的低温破坏应力逐渐增加，沥青低温抗裂性能提升；当在-10 ℃、-15 ℃时，沥青的低温破坏应力先增加后降低。

（3）玄武岩纤维沥青胶浆在不同温度下的车辙因子比不加纤维沥青的大，其抵抗高温变形能力较强。

参考文献：

［1］Andrea Pompigna，Federico Rupi.Comparing practice-ready forecast models for weekly and monthly fluctuations of average daily traffic and enhancing accuracy by weighting methods［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering（English Edition），2018，5（4）：239-253.

［2］彭广银，钱振东，傅栋梁.短切玄武岩纤维沥青混合料路用性能研究［J］.石油沥青，2009，23（1）：8-11.

［3］马银华，易志坚，杨庆国.柔性纤维对水泥稳定粒料基层的阻裂增韧机理分析［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2007（5）：84-86，144.

［4］NT Tran，TK Tran，JK Jeon，et al.Fracture energy of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete at high strain rates［J］.Cement & Concrete Research，2016（79） ：169-184.

［5］韋佑坡，张争奇，司 伟，等.玄武岩纤维在沥青混合料中的作用机理［J］.长安大学学报（自然科学版），2012，32（2）：39-44.

［6］覃 潇，申爱琴，郭寅川.玄武岩纤维沥青胶浆性能试验研究［J］.建筑材料学报，2016，19（4）：659-664.

［7］吕伟民.沥青混合料设计原理与方法［M］.上海：同济大学出版社，2001.

［8］暴英波.玄武岩纤维水泥稳定碎石性能研究［D］.西安：长安大学，2017.

［9］郝孟辉，郝培文，杨 黔，等.玄武岩短切纤维改性沥青混合料路用性能分析［J］.广西大学学报（自然科学版）.2011，36（1）：101-106.

作者简介：鲍 意（1992—），工程师，研究方向：道路工程。