玄武岩纤维对沥青高低温流变特性影响研究

黄南华

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

沥青路面因其良好的行驶质量、低噪音、施工速度快、优异的耐久性和稳定性、可回收性以及易于维护等优点被广泛应用，且已成为我国道路建设的主要铺装形式。然而，在行车荷载和自然环境等因素的影响下，沥青路面会出现如车辙、裂缝、坑槽等诸多病害，这些病害会严重影响路面的质量，减少使用寿命，增加养护成本。科技人员通过在沥青和沥青混合料中加入添加剂以改善沥青及其混合料性能，延长路面使用年限[1-3]。玄武岩纤维作为诸多添加剂中的一种，属于矿物纤维，由玄武岩石料在极高的温度下熔融后拉制而成的连续纤维，具有强度高、耐腐蚀和耐高温等优点。此外，玄武岩纤维对沥青具有增粘、阻裂和增大模量的作用，可提高其疲劳耐久性。

很多科研人员将玄武岩纤维用于各种型号的基质沥青和改性沥青中，研究玄武岩纤维长度和掺量对沥青混合料性能的影响，发现合理的玄武岩纤维长度和掺量可全面提升沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性能[4]。研究表明最佳的玄武岩纤维掺量一般为基质沥青的0.3%～0.4%。玄武岩纤维用于沥青混合料中的研究较为常见且详细，但玄武岩纤维对沥青的性能影响却少有报道。为此，本文针对不同玄武岩纤维掺量对沥青高温和低温流变特性的影响，通过软化点、DSR、延度和BBR四项试验验证玄武岩纤维对70#基质沥青性能的增强效果，并在此基础上，评价了玄武岩纤维在基质沥青的应用中较木质素纤维和聚酯纤维的优越性。

1 原材料及制备

1.1 玄武岩纤维

所选用玄武岩纤维技术指标见表1。

表1 玄武岩纤维技术指标

1.2 70#基质沥青

沥青采用东海牌70#基质沥青，具体参数见表2。

表2 70#基质沥青性能指标

1.3 玄武岩纤维沥青的制备

将70#基质沥青在160 ℃的烘箱中加热至流动状态后，称取0%、1%、3%和5%烘干后的玄武岩纤维加入沥青中，在恒温电子烤炉上人工搅拌10 min，使玄武岩纤维在沥青中初步分散，随即使用分散搅拌器在170 ℃、转速为1 000 rad/min的条件下拌和，使玄武岩纤维均匀分散在沥青中。为防止玄武岩纤维沉淀在沥青底部，应严格控制搅拌时间，搅拌结束后立即浇膜进行试验。

1.4 试验方法

软化点、延度、DSR和BBR试验按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关方法的要求进行。

2 结果分析

2.1 软化点和延度

软化点是评价沥青的基础指标，在一定程度上，沥青软化点的高低决定了沥青混合料高温稳定性的强弱。延度则反映沥青在低温环境下的变形能力，是评价沥青塑性的重要指标[5]。因此。分别对不同玄武岩纤维掺量的沥青进行软化点和延度试验，结果见表3。

表3 各玄武岩纤维掺量下沥青软化点

根据表3结果可知，软化点随着玄武岩纤维掺量的增加而不断升高，增长幅度在掺量大于3%后降低，说明玄武岩纤维的加入使沥青的高温性能得到了一定程度的上升，但随掺量的增加，上升趋势有所下降；延度试验结果表明，玄武岩纤维的掺入使延度不断降低，根据复合材料理论和现有研究综合分析，可能是因玄武岩纤维掺入后，致使沥青浇膜时应力集中，导致纤维沥青在低温环境下极易产生断裂，表现出纤维沥青延度降低的假象，有的延度试验无法用来衡量纤维沥青的低温性能，试验结果与实际情况存在较大差异。

2.2 DSR

由于沥青材料的感温特性，在不同温度环境下，沥青抵抗变形的能力会产生相应的变化。美国为了更好地研究沥青的高温粘弹特性，研发了动态剪切流变仪(DSR)试验设备[6-7]。利用DSR设备可对不同纤维掺量的沥青进行温度扫描试验，分析其复数剪切模量、相位角、车辙因子随着温度的变化。已有研究表明，车辙因子可较好地表征沥青的高温稳定性，车辙因子越大，则说明沥青在高温下抵抗变形的能力越好。

本试验采用DSR流变仪在60 ℃、65 ℃、70 ℃和75 ℃四种试验温度下对不同玄武岩纤维掺量的沥青进行试验，分别得到剪切模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ，结果见图1～图3。

图1 DSR复数剪切模量试验结果

图2 DSR相位角试验结果

图3 DSR车辙因子试验结果

从图1～图3可见，玄武岩掺量和温度对沥青高温特性中的G*、δ及G*/sinδ有显著影响。随玄武岩纤维掺量的增加，此3项指标均呈上升趋势。从图3中可知，各温度下沥青的车辙因子都随玄武岩纤维掺量的增加而增加，各掺量下沥青的车辙因子都随温度的升高而降低，这说明玄武岩纤维可有效提升沥青的车辙因子。其中，玄武岩纤维掺量为3%时较为合理，提升幅度最大；在60 ℃环境下，纤维掺量对沥青的车辙因子影响显著，随着温度的不断升高，这种影响不断降低，在环境温度达到75 ℃时，纤维掺量给沥青车辙因子带来的影响已经微乎其微。

2.3 BBR

弯曲梁流变试验(BBR)同样是由美国提出用以衡量沥青在低温环境下抵抗变形的能力[8-10]。经过国内外大量学者的验证后发现，弯曲流变试验的劲度模量S和蠕变柔量m值可有效反映沥青的低温流变性能。普通沥青可通过延度试验检验其低温性能，但前文延度试验表明无法对纤维沥青进行有效评价。为此，基于BBR的弯曲梁流变试验，测得不同玄武岩掺量沥青的劲度模量和蠕变柔量。根据SHRP计划中规定，60 s的劲度模量应不大于300 MPa，蠕变柔量应不低于0.3。本试验是在-12 ℃环境下对不同纤维掺量沥青进行BBR试验，得到60 s时的劲度模量S和蠕变柔量m值，其结果见表4。

表4 不同纤维掺量沥青弯曲梁流变试验结果

由表4可知，劲度模量均低于300 MPa，m值均高于0.3，二者均符合SHRP规定要求。劲度模量S越小，表明沥青的低温稳定性越好，玄武岩纤维掺量为3%时，劲度模量S最小，此时纤维沥青的低温稳定性最佳；当纤维掺量增加到5%时，劲度模量S反而增大，说明纤维掺量不宜过多，否则对沥青性能不增强反而减弱。不同掺量下沥青的m值均高于0.3，且差异性较小，与劲度模量S相同的是，当纤维掺量为5%时，m值迅速降低，表明低温性能快速减弱。因此，通过分析综合劲度模量S和m值可知，玄武岩纤维掺量为3%时对沥青低温稳定性的提升效果最佳。

3 不同纤维性能对比研究

纤维通常占沥青混合料的0.2%～0.4%，量少但效果显著，起到了桥接和加筋的关键作用，不同纤维因各自独特的性能，使其在沥青及沥青混合料中所起的作用效果和大小也有所不同[11-12]。为了研究不同纤维自身性能的区别，从物理性能、热稳定性能和吸油率3个角度对玄武岩纤维、木质素纤维和聚酯纤维3种主流纤维的自身性能进行评价。

玄武岩纤维的原材料为玄武岩，取材方便且环保，其制作工艺也较为简易且玄武岩纤维的性能优良[13-15]，成为近年来沥青路面最常用的纤维稳定剂，应用前景广阔；木质素纤维是最突出的植物纤维，取材更加广泛，因其对沥青具有良好的吸附性及较低的成本，在沥青混合料中广泛应用，特别是用于SMA沥青混合料中居多，但因其较低的强度和不耐高温和腐蚀等性能缺陷，致使其很难得到进一步推广；聚酯纤维作为高分子结构物，具有良好的化学稳定性、耐酸和耐腐蚀性，力学性能也较为显著，但也存在耐碱性、耐摩性和耐高温性能等较差的缺点。

3.1 物理性能

通过对纤维的物理性能进行测试，试验结果见表5。

表5 纤维物理性能试验结果

由表5可知，玄武岩纤维的抗拉强度最高，远高于木质素纤维和聚酯纤维，是木质素纤维的10倍之多。玄武岩纤维在密度方面也有着绝对的优势，是木质素纤维和聚酯纤维的2倍左右。

3.2 热稳定性

沥青及沥青混合料通常在较高的温度下进行预热、搅拌和压实工作但对纤维的高温稳定性有着一定的要求，若纤维的高温稳定性不合格会导致其整体性能大打折扣。因此，有必要对纤维的热稳定性进行研究。

3种纤维各取10 g，放置在180 ℃的烘箱中6 h。取出后称取其质量，根据公式，质量损失=(加热前质量-加热后质量)/加热前质量×100%计算，可得出质量损失率，结果见表6。

表6 180 ℃纤维热稳定性试验结果

由表6试验结果可知，180 ℃高温下，3种纤维都有一定的质量损失率，但木质素的损失率较大，为24.9%，从烘箱取出的木质素纤维其外观由原有白色变成了黄色，这些现象都说明了木质素纤维的热稳定性存在着较大的问题。而玄武岩纤维的质量损失极小，仅为2.3%，玄武岩纤维在高温环境下外观没有产生变化，综合说明玄武岩纤维具有良好的热稳定性。

3.3 吸油性

称取烘干的3种纤维各5 g，记为m1，将其分别置入玻璃杯中，加入100 mL煤油并搅拌15 min后静置5 min。称取试样筛质量为m2，将各玻璃杯中的纤维倒入试样筛，启动纤维吸油率测定仪，时间为10 min，完成后称取试样筛和筛内纤维的总质量为m3，试验结果见表7。

表7 纤维吸油率试验结果 g

根据公式吸油率x=(m3-m2-m1)/m1×100%计算，分别可得玄武岩纤维、木质素纤维和聚酯纤维的吸油率分别为56.2%、66.6%和29%。木质素纤维的吸油率较好，植物纤维内部空隙率较大，吸油能力较强。玄武岩纤维的吸油率也较好，虽不及木质素纤维，但相差不大。

3.4 经济性分析

根据市场实际价格对3种纤维的材料增加成本进行预算分析，按常规用量设定3种纤维的掺量均为沥青混合料总质量的0.3%，玄武岩纤维和聚酯纤维致使沥青用量提升0.2%，木质素纤维致使沥青用量增加0.3%，据此得出1 t沥青混合料中3种纤维所增加的成本预算，结果见表8。

由表8可知，每t纤维沥青混合料所增加的费用约为：聚酯纤维61 元/t、玄武岩纤维40 元/t、木质素纤维26.7 元/t，其余运输费、人工费和拌和费等费用相似，不作分析比较。结合纤维自身特性，建议采用玄武岩纤维。

表8 纤维经济性分析

4 结论

1) 软化点试验初步验证了玄武岩纤维具有增强沥青高温性能的功效，基于DSR的温度扫描试验证明玄武岩纤维可对沥青高温稳定性进行有效提升，在环境温度为60 ℃～70 ℃之间时尤为明显，温度大于70 ℃时，玄武岩纤维给沥青高温性能带来的提升不显著。

2) 延度试验结果存在较大误差，结合现有研究发现延度试验不适用于对纤维沥青低温性能的评价，需要进一步研发试验方法；但基于BBR的弯曲梁流变试验可很好地反映玄武岩纤维对沥青低温抗裂性的增强，且当玄武岩纤维掺量为3%时，抗裂效果最佳，掺量高于3%后沥青的低温性能呈下降趋势。

3) 3种纤维自身性能研究表明，玄武岩纤维在各方面都表现出色，具有较好的应用前景；聚酯纤维力学性能和热稳定性良好，但吸油率较低；木质素纤维具有较高的吸油率，但力学性能和热稳定性相比之下较差。因此，在纤维的选择上应根据工程实际和沥青种类再结合纤维的具体某一或某些性能进行综合对比后选择较佳。