陳明星，張 俊，蘭建麗，鄭瑞紅

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；2.靈河高速公路（神河段）建設(shè)管理處，山西 忻州 036507）

本文綜合木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維3種纖維的不同特性對(duì)纖維進(jìn)行了復(fù)配，使其具有3種纖維的優(yōu)點(diǎn)和更高的性價(jià)比。為進(jìn)一步認(rèn)清復(fù)合纖維對(duì)瀝青膠漿增黏作用的影響，進(jìn)行了纖維瀝青黏度試驗(yàn)，研究了纖維增強(qiáng)瀝青混合料的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料

本文所采用的瀝青為AH-70重交道路石油瀝青。瀝青常規(guī)試驗(yàn)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE-20—2011)要求進(jìn)行[1]，各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)及要求

復(fù)合纖維由3種單纖維復(fù)配而成，復(fù)合纖維為木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維3種纖維按照比例2∶1∶2摻配而成。各種纖維的各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，纖維的微觀構(gòu)造見(jiàn)圖1。

表2 纖維技術(shù)性能表

從表2可見(jiàn)，玄武巖纖維的抗拉變形能力最強(qiáng)，其次是聚酯纖維，然后是木質(zhì)素纖維，3種纖維表現(xiàn)在瀝青混合料發(fā)生裂縫時(shí)，可充分發(fā)揮其抗拉能力，保證瀝青混合料的整體性。從長(zhǎng)徑比可以看出，玄武巖纖維大于聚酯纖維大于木質(zhì)素纖維。纖維的長(zhǎng)徑比增大，其力學(xué)強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，但過(guò)細(xì)過(guò)長(zhǎng)的纖維在施工中易結(jié)團(tuán)，會(huì)影響到施工和易性。3種纖維的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于瀝青混合料的拌和溫度要求，可滿足路用材料的要求。

圖1 各種纖維微觀形貌圖

由電鏡掃描圖可以看出，木質(zhì)素纖維質(zhì)地疏松，表面粗糙，有大量微孔，具有很強(qiáng)的物理吸附作用，有利于穩(wěn)定自由瀝青；聚酯纖維表面光滑，外觀規(guī)則，有利于增強(qiáng)瀝青黏度和黏結(jié)性，可有效抵制瀝青高溫形變；玄武巖纖維呈規(guī)則的圓柱狀，表面光滑，有利于加筋增強(qiáng)。

2 試驗(yàn)方法

黏度試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)纖維的增黏作用。試驗(yàn)采用70號(hào)基質(zhì)瀝青，以木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維、復(fù)合纖維的瀝青膠漿，摻量為0、0.5%、1%、2%。按《JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，采用美國(guó)BrookfieldDV-Ⅱ+Pro型旋轉(zhuǎn)黏度儀，如圖2所示，頻率50 Hz，黏度精度為±1.0%，選用SC4-21號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為20 rpm，試驗(yàn)溫度設(shè)定為135℃。

圖2 布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 黏度比

不同纖維對(duì)瀝青的增黏作用影響不同，纖維對(duì)瀝青膠漿的增黏作用可以用黏度比RV來(lái)表征，RV即纖維瀝青膠漿的黏度與瀝青黏度用的比值，本文采用黏度比RV來(lái)評(píng)價(jià)纖維的增黏作用。由70號(hào)瀝青、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維、復(fù)合纖維組成的膠漿性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 纖維對(duì)瀝青膠漿黏度比的影響（135℃）

由圖3可以看出，不同種類纖維其增黏效果不同。在纖維摻量為0.5%時(shí)，纖維的黏度比大致相同，其中聚酯纖維對(duì)瀝青的改性效果比較明顯。當(dāng)纖維用量用至1%時(shí)，聚酯纖維的黏度比有了很大的提高，膠漿黏度達(dá)到基質(zhì)瀝青的5.8倍，增黏效果遠(yuǎn)超過(guò)2%摻量下其他纖維；復(fù)合纖維用至1%時(shí)的膠漿黏度達(dá)到基質(zhì)瀝青的3.5倍，增黏效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維。當(dāng)纖維用量用至2%時(shí)，聚酯纖維的增黏效果依然最突出，其瀝青膠漿黏度增大到基質(zhì)瀝青的8.31倍，這足以說(shuō)明聚酯纖維的增黏效果是非常好的；復(fù)合纖維瀝青膠漿黏度增大到基質(zhì)瀝青的5.02倍，優(yōu)于其他纖維的增黏效果。黏度比依次為：聚酯纖維大于復(fù)合纖維大于木質(zhì)素纖維大于玄武巖纖維。復(fù)合纖維與木質(zhì)素纖維增黏效果相近，當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，木質(zhì)素纖維黏度比比復(fù)合纖維大，而隨著摻量的增加，復(fù)合纖維的增黏優(yōu)勢(shì)逐漸明顯，甚至優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

3.2 愛(ài)因斯坦系數(shù)KE

愛(ài)因斯坦建立分子尺寸測(cè)定模型，通過(guò)估算擴(kuò)散系數(shù)和溶液的黏度就可以得出分子的大小，分析填料粒子對(duì)瀝青膠漿流變性能的干擾程度，表征填料粒子對(duì)瀝青膠漿的增黏速率。不同種類的纖維加入到瀝青中，使瀝青的流動(dòng)性能產(chǎn)生更大內(nèi)摩阻力，從而導(dǎo)致瀝青黏度增加。本文用愛(ài)因斯坦系數(shù)KE來(lái)表征纖維對(duì)瀝青的增黏效果：

式中：KE為愛(ài)因斯坦系數(shù);Ф為瀝青中的填料粒子體積分?jǐn)?shù)。

以愛(ài)因斯坦模型為依據(jù)，用其估算影響瀝青膠漿流變性能的重要參數(shù)，表征纖維對(duì)瀝青膠漿的增黏速率。不同纖維種類的纖維瀝青膠漿愛(ài)因斯坦系數(shù)如圖4所示。

圖4 纖維種類對(duì)瀝青膠漿愛(ài)因斯坦系數(shù)KE的影響

由圖4可以看出，纖維種類對(duì)瀝青膠漿愛(ài)因斯坦系數(shù)有較大影響。在0.5%、1%、2%摻量下構(gòu)成的趨勢(shì)線中，聚酯纖維對(duì)瀝青膠漿增黏效果最突出，其愛(ài)因斯坦系數(shù)遠(yuǎn)大于其他纖維，說(shuō)明聚酯纖維不但黏度比其他纖維大，其增長(zhǎng)速率也比其他纖維快，其次為復(fù)合纖維和玄武巖纖維。從黏度試驗(yàn)結(jié)果圖3得出，木質(zhì)素纖維與復(fù)合纖維的黏度相差不大，但通過(guò)愛(ài)因斯坦系數(shù)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)復(fù)合纖維的愛(ài)因斯坦系數(shù)遠(yuǎn)大于木質(zhì)素纖維，即其黏度增長(zhǎng)速度比木質(zhì)素纖維快。復(fù)合纖維在增黏速率中體現(xiàn)出復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，并與玄武巖纖維接近。

當(dāng)各纖維用量在0～1%區(qū)間內(nèi)時(shí)，愛(ài)因斯坦系數(shù)隨著纖維摻量的增加而增加，而當(dāng)纖維用量達(dá)到2%時(shí)，愛(ài)因斯坦系數(shù)卻隨之減少。纖維摻量為0.5%時(shí)，各纖維的愛(ài)因斯坦系數(shù)最小，纖維摻量為2%時(shí)，愛(ài)因斯坦系數(shù)其次，當(dāng)纖維用量為1%時(shí)，愛(ài)因斯坦系數(shù)最高。以復(fù)合纖維為例，0.5%、1%摻量下復(fù)合纖維的愛(ài)因斯坦系數(shù)分別為151和411，呈上升規(guī)律，而當(dāng)摻量設(shè)為2%時(shí)，復(fù)合纖維瀝青膠漿的愛(ài)因斯坦系數(shù)則變?yōu)?30，比1%摻量時(shí)小。雖然纖維瀝青膠漿黏度不斷增長(zhǎng)，但當(dāng)纖維摻量為2%時(shí)，其黏度增長(zhǎng)率有所降低，從而導(dǎo)致愛(ài)因斯坦系數(shù)的減少。即當(dāng)纖維用量較小時(shí)，瀝青膠漿的黏度增長(zhǎng)幅度較大，隨著摻量的增加，瀝青膠漿的黏度增長(zhǎng)幅度不斷減小，因此當(dāng)纖維摻量為1%時(shí)，已可明顯地表現(xiàn)出纖維的增黏作用。

4 纖維對(duì)瀝青膠漿的增黏機(jī)理

黏度試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維能夠使瀝青的黏度增大，并隨著摻量的增加而增加。纖維直徑一般小于20 μm纖維，具有較大的比表面積，纖維分散在瀝青中，使瀝青膠漿的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。纖維格柵的生成，增加了瀝青膠漿在特定溫度下流動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩阻力，使得瀝青膠漿的黏度增大。

現(xiàn)代膠體理論認(rèn)為，瀝青質(zhì)是分散相，液態(tài)油分是分散介質(zhì)，當(dāng)瀝青質(zhì)分子聚集一起,活性物質(zhì)樹(shù)脂組分即吸附其表面，并逐漸向外擴(kuò)散，使瀝青質(zhì)的膠核膠溶于液態(tài)油分中,這樣組成的結(jié)構(gòu)單元就形成膠團(tuán)。膠團(tuán)可分為溶膠、凝膠、溶—凝膠3種結(jié)構(gòu)。當(dāng)瀝青加入纖維后，瀝青的油分首先被吸附，因此瀝青質(zhì)在膠體中的比重增加，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即逐漸由溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿堋z結(jié)構(gòu)甚至凝膠結(jié)構(gòu)，因此瀝青膠漿的黏度隨之增大。

纖維對(duì)瀝青膠漿黏度的影響主要取決于纖維用量、纖維體積率、纖維長(zhǎng)徑比等因素。根據(jù)愛(ài)因斯坦模型，愛(ài)因斯坦系數(shù)與填料粒子的形狀有關(guān)，當(dāng)填料為圓形時(shí)KE為2.5，當(dāng)填料為長(zhǎng)形時(shí)KE大于2.5。當(dāng)纖維作為一種填料粒子，截面小，長(zhǎng)徑比非常大，因此KE與纖維的長(zhǎng)徑比有關(guān)，故纖維瀝青黏度比原樣瀝青黏度大。木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維的長(zhǎng)徑比分別是 1∶120、1∶300、1∶500，即玄武巖纖維大于聚酯纖維大于木質(zhì)素纖維，按照愛(ài)因斯坦模型，纖維膠漿所對(duì)應(yīng)的黏度也應(yīng)符合這一特點(diǎn)，但由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維的黏度比木質(zhì)素纖維、聚酯纖維的黏度低，與預(yù)測(cè)的順序不完全一致。這是因?yàn)樾鋷r纖維的密度較大，纖維體積率較低，因此試驗(yàn)所得的玄武巖纖維瀝青膠漿黏度較低?？梢园l(fā)現(xiàn)，愛(ài)因斯坦系數(shù)可用于描述瀝青黏度的變化率，不可直接用于評(píng)價(jià)瀝青黏度。

纖維瀝青膠漿的黏度與纖維的愛(ài)因斯坦系數(shù)KE和纖維摻量成正比。因此，從復(fù)合材料混合率角度考慮，纖維摻加到瀝青混合料中后，纖維瀝青膠漿的黏度高于普通瀝青的黏度，纖維的增黏作用可顯著地提高瀝青抵抗剪切變形的能力，增強(qiáng)混合料內(nèi)部的黏結(jié)力，改善瀝青路面的高溫性能。

5 結(jié)論

a）隨著纖維的加入，瀝青的黏度隨之增大，以聚酯纖維、復(fù)合纖維效果最為明顯；當(dāng)纖維摻量為1%時(shí)，纖維瀝青的愛(ài)因斯坦系數(shù)最大，纖維的增黏效果十分明顯。

b）由于纖維具有較大的長(zhǎng)徑比，分散在瀝青中，使瀝青膠漿的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。當(dāng)瀝青加入纖維后，瀝青的油分首先被吸附，瀝青質(zhì)在膠體中的比重增加，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即逐漸由溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿堋z結(jié)構(gòu)甚至凝膠結(jié)構(gòu)，因此瀝青膠漿的黏度隨之增大。

c）纖維瀝青膠漿的黏度與纖維的愛(ài)因斯坦系數(shù)KE和纖維摻量成正比。纖維摻加到瀝青混合料中后，纖維瀝青膠漿的黏度高于普通瀝青的黏度，纖維的增黏作用可顯著地提高瀝青抵抗剪切變形的能力，增強(qiáng)混合料內(nèi)部的黏結(jié)力，改善瀝青路面的高溫性能。