摘 要
從2種纖維和纖維瀝青膠漿的微觀特性試驗(yàn)出發(fā)，通過對(duì)纖維技術(shù)性能試驗(yàn)，常規(guī)瀝青膠漿試驗(yàn)和DSR試驗(yàn)等，系統(tǒng)的分析了兩種纖維的技術(shù)性能，檢驗(yàn)不同纖維對(duì)瀝青膠漿的性能影響，并對(duì)纖維的加強(qiáng)和改善作用機(jī)理進(jìn)行了剖析。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維與瀝青具有較好的相容性，兩種纖維在一定程度上均可以改善瀝青膠漿的抗剪切性能和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞
木質(zhì)素纖維 | 礦物纖維 | 纖維瀝青膠漿 | 高溫性能
在瀝青中摻加纖維可以明顯提高瀝青路面使用性能，在國外已有幾十年的研究應(yīng)用歷史，而我國自90年代末才開始陸續(xù)推廣使用。目前國內(nèi)對(duì)纖維改性瀝青混合料性能進(jìn)行了較深入研究，但對(duì)纖維改善瀝青性能作用機(jī)理尚欠微觀的系統(tǒng)的分析。纖維摻加到瀝青中，纖維與瀝青之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系，纖維種類的改變也會(huì)顯著影響纖維瀝青膠漿的性能。為此，本文將木質(zhì)素纖維和玄武巖礦物纖維進(jìn)行系統(tǒng)研究對(duì)比，分析兩種纖維的技術(shù)性能，研究纖維瀝青膠漿改善作用機(jī)理和效能。
原材料
纖維
纖維是一種由連續(xù)或不連續(xù)的細(xì)絲組成的材料，常用的有天然纖維和人造合成纖維。天然纖維一般是自然界存在的，可以直接取得，比如利用礦物、棉等經(jīng)過處理加工制得與瀝青摻配的礦物纖維、木質(zhì)素纖維等天然纖維;人造合成纖維是對(duì)一些高聚物經(jīng)過化學(xué)加工制成，如聚酯纖維。
(1)木質(zhì)素纖維
木質(zhì)纖維是天然木材經(jīng)過篩選、分裂、高溫處理、漂白、化學(xué)處理、中和、篩分成不同長度和粗細(xì)度的纖維。由于處理溫度高達(dá)250℃以上，在通常條件下是化學(xué)上非常穩(wěn)定的物質(zhì)，不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕，具有無毒、無味、無污染、無放射性的優(yōu)良品質(zhì)，不影響環(huán)境，對(duì)人體無害，屬綠色環(huán)保產(chǎn)品，這是其它礦物質(zhì)素纖維所不具備的。纖維微觀結(jié)構(gòu)是帶狀彎曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉處是扁平的，有良好的韌性、分散性和化學(xué)穩(wěn)定性，吸水能力強(qiáng)，有非常優(yōu)秀的增稠抗裂性能。
(2)礦物纖維
礦物纖維目前主要是玄武巖礦物類纖維。路用礦物纖維是以玄武巖經(jīng)1600℃高溫、編紡、表面靜電處理后上膠而成。因此礦物纖維的高溫穩(wěn)定性非常好，在混合料拌和、碾壓及使用過程中不會(huì)產(chǎn)生耐熱性差的問題。
基質(zhì)瀝青
本研究選用某型70號(hào)重交瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE－20－2011)的要求對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行了3大指標(biāo)試驗(yàn)，滿足規(guī)范所規(guī)定的要求，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
礦粉
礦粉作為瀝青混合料的填料，其作用十分重要，質(zhì)量好壞將直接影響混合料的性能，與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)增加膠結(jié)強(qiáng)度，并且在混合料中起填充空隙作用。試驗(yàn)所采用礦粉是由石灰?guī)r類堿性巖石磨制而成的，其細(xì)度(0.075mm篩通過量)＞90%，親水系數(shù)為0.7，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。
纖維技術(shù)性能試驗(yàn)研究
纖維微觀分析
兩種纖維的電子顯微鏡放大倍數(shù)均為200倍，下圖中顯示的標(biāo)注長度為200μm。
從圖1、2中可以看出，礦物纖維呈纖細(xì)狀，表面光滑;木質(zhì)素纖維枝葉寬闊狀，大部分呈以片狀形態(tài)。從微觀的角度分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，礦物纖維纖細(xì)、表面光滑不易吸附瀝青，粘附能力差;木質(zhì)素纖維枝葉寬闊、表面粗糙有利瀝青吸附、粘附能力強(qiáng)。其呈寬闊狀的纖維能夠吸附更多的瀝青主要起到穩(wěn)定瀝青的功能，但其加筋效果不如呈現(xiàn)纖細(xì)狀纖維的效果明顯。
纖維耐熱性
纖維的耐熱性是纖維實(shí)際應(yīng)用推廣的前提。纖維在瀝青混合料中要經(jīng)過200℃左右高溫拌和，耐熱性差的纖維結(jié)團(tuán)或卷曲現(xiàn)象，影響瀝青混合料整體性能的發(fā)揮。
為了測試兩種纖維的耐熱性，模仿瀝青混合料現(xiàn)場高溫拌和過程中纖維的耐熱性能優(yōu)劣情況，分別在烘箱中對(duì)木質(zhì)素纖維和礦物纖維進(jìn)行200℃、3小時(shí)高溫烘烤耐熱試驗(yàn)，觀察其顏色和形態(tài)的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
試驗(yàn)現(xiàn)象表明，兩種纖維都表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性。也就是說，纖維瀝青混合料現(xiàn)有的高溫拌合過程中，這兩種纖維的性能不會(huì)產(chǎn)生高溫變化而影響到其作用的發(fā)揮。
纖維燒失量
纖維燒失量測定方法是纖維在600℃的高溫環(huán)境下燃燒后所失去的質(zhì)量與原質(zhì)量的比值。木質(zhì)素纖維的燒失量為76.6%，灰分含量為22.4%，滿足13%～23%的規(guī)范范圍。礦物質(zhì)纖維高溫穩(wěn)定性好，規(guī)范中沒有規(guī)定其燒失量，在試驗(yàn)中燒失量沒有明顯變化。
纖維密度和比表面積
纖維的密度是確定纖維比表面積的必要指標(biāo)。纖維的密度試驗(yàn)時(shí)是通過酒精作為介質(zhì)在瀝青比重瓶來測試。比表面積是包括了纖維的表面和內(nèi)部空隙。
纖維的比表面積是影響纖維對(duì)瀝青吸附能力的重要影響因素。從表4可以看出，木質(zhì)素纖維的比表面積大于礦物質(zhì)纖維，通過電鏡圖也驗(yàn)證了該結(jié)果。
纖維吸油率
纖維具有親油性，吸油率是表征纖維吸附瀝青能力大小的重要指標(biāo)。從表5中可以看出，木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的吸附能力遠(yuǎn)高于礦物纖維。
纖維瀝青膠漿試驗(yàn)研究
纖維與瀝青膠漿混合后形成穩(wěn)定的粘結(jié)材料，將骨料粘結(jié)并起到很好的加筋作用，能夠很好的提高瀝青混合料的高低溫性能。本試驗(yàn)采用0.3%為纖維用量摻入到瀝青中，研究兩種纖維瀝青膠漿的各項(xiàng)性能。
纖維瀝青膠漿微觀分析
兩種纖維瀝青的電子顯微鏡放大倍數(shù)均為500倍，圖中顯示的標(biāo)注長度為100μm。
從圖3、4中分析得出:兩種纖維對(duì)瀝青的親油性基本一致，未出現(xiàn)明顯的裸露處，瀝青能夠均勻的裹覆纖維的表面，但是礦物纖維被瀝青裹覆表面，有水滴狀，而木質(zhì)素纖維表面均勻、薄厚一致，這說明礦物纖維瀝青吸附能力比木質(zhì)素纖維瀝青吸附能力差。
纖維瀝青膠漿網(wǎng)籃析出試驗(yàn)
分別按照最佳纖維和瀝青膠漿用量進(jìn)行拌制后，分別在120℃、140℃和170℃溫度下測試其瀝青的析出滴落情況，能夠定量的分析不同纖維的瀝青吸附能力。兩種纖維的瀝青析出結(jié)果如表6所示。
從表6的數(shù)據(jù)可以看出，隨著保溫的時(shí)間和試驗(yàn)溫度增加，纖維瀝青膠漿的瀝青析出率在不斷的增加。隨著保溫時(shí)間不斷增加在保溫后期，發(fā)現(xiàn)析出量逐漸減小并趨近于穩(wěn)定。兩種纖維隨著保溫時(shí)間的增加瀝青析出量的變化規(guī)律是相同的，但析出的數(shù)量卻有較大的差別，其中以礦物纖維的析出百分率最大，在170℃時(shí)達(dá)到了32.4%，木質(zhì)素纖維為3.75%。定量分析進(jìn)一步得出木質(zhì)素纖維的吸附瀝青能力遠(yuǎn)大于礦物纖維。
纖維瀝青膠漿錐入度試驗(yàn)
為了能夠測試?yán)w維瀝青材料的抗剪切能力，從瀝青針入度試驗(yàn)的原理創(chuàng)新發(fā)明了錐入度試驗(yàn)，通過測試錐入度來分析纖維瀝青材料的優(yōu)劣性能。
錐入度試驗(yàn)是將針入度標(biāo)準(zhǔn)針換成錐形針，在試驗(yàn)溫度45℃下，利用錐形針和其固定物的自重，記錄其5s之內(nèi)在纖維瀝青中的下沉位移的大小。試驗(yàn)其它條件和步驟與針入度測試方法相同。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。
從表7可以看出，木質(zhì)素纖維瀝青的錐入度試驗(yàn)結(jié)果大于礦物纖維瀝青的錐入度最小，說明礦物纖維具有較高的抗剪切變形能力。纖維在瀝青中的加筋效果是提高抗剪切能力主要貢獻(xiàn)之一，而纖維的形狀特點(diǎn)是決定加筋效果直接關(guān)系，通常礦物纖維的抗剪切能力優(yōu)于木質(zhì)素纖維，主要是礦物纖維具有通直形狀，而木質(zhì)素纖維長短不一提高加筋作用的通直狀纖維有效成分不多。
纖維瀝青膠漿DSR動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)
美國SHＲP設(shè)備動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSＲ)，是通過測定瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)來表征瀝青材料的粘彈性。其中復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，包含彈性部分和粘性部分。相位角δ是可恢復(fù)和不可恢復(fù)變形的相對(duì)指標(biāo)。根據(jù)美國SHＲP規(guī)范，定義G*/sinδ作為車轍因子，其值大表明瀝青的彈性顯著，若增大G*，sinδ減小，車轍因子G*/sinδ將增大，有利于增強(qiáng)瀝青材料的抗永久變形能力。
在60℃溫度下，分別對(duì)礦物纖維和木質(zhì)素纖維進(jìn)行纖維摻量為混合料質(zhì)量0.3%，瀝青膠漿粉膠比0.8行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。
車轍因子G*/sinδ反映了瀝青膠漿的抗永久變形的能力，因此根據(jù)表8的結(jié)果來看，木質(zhì)素纖維車轍因子大于礦物纖維車轍因子，表明摻木質(zhì)素纖維瀝青混合料的高溫抗永久變形能力要強(qiáng)于摻礦物纖維的瀝青混合料的高溫抗永久變形。而兩種纖維瀝青膠漿的G*/sinδ均與沒有添加纖維的瀝青膠漿相比有大幅度的提高。
木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青膠漿的穩(wěn)定效果較好，而礦物纖維，由于對(duì)瀝青的吸附能力較小，因此對(duì)膠漿主要起到加筋效果，但在高溫的情況下，瀝青的流變性很強(qiáng)，僅僅靠加筋的效果難以充分的延遲瀝青膠漿的流變，因此其對(duì)瀝青膠漿的抗永久變形能力也是低于木質(zhì)素纖維。
結(jié)論
(1)礦物纖維對(duì)瀝青的吸附能力小于木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的吸附能力，兩種纖維耐熱性均比較理想，而礦物纖維高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于木質(zhì)素纖維，試驗(yàn)得出木質(zhì)素纖維的比表面積大于礦物纖維，木質(zhì)素纖維的吸油率大于礦物纖維的吸油率。
(2)從網(wǎng)籃析出試驗(yàn)看出，木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的穩(wěn)定作用表現(xiàn)突出;從錐入度試驗(yàn)可以看出，礦物纖維抗剪切能力優(yōu)于木質(zhì)素纖維。
(3)纖維在瀝青膠漿中主要起穩(wěn)定作用和加筋作用，能夠?qū)r青的高溫性能很好的改善。對(duì)于SMA和OGFC等用油較大的瀝青混凝土類型，通過摻加纖維能夠吸附大量的瀝青，能夠起到較好的穩(wěn)定作用，避免發(fā)生泛油等現(xiàn)象。從整體來說，纖維良好的吸附瀝青能力能夠吸附混合料高溫時(shí)的自由瀝青，阻礙或延遲混合料的高溫流變，提高混合料的高溫穩(wěn)定性。
(4)從試驗(yàn)操作過程中發(fā)現(xiàn)，拌合時(shí)分散性最好是木質(zhì)素纖維，其次是礦物纖維。需要指出的是，木質(zhì)素纖維易受潮，如果保存不當(dāng)受潮，其分散性要大大降低，必然會(huì)影響瀝青混合料的整體性能。
