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基于微观特性的纤维与纤维沥青胶浆性能研究
发布日期:2020-04-16

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2种纤维和纤维沥青胶浆的微观特性试验出发,通过对纤维技术性能试验,常规沥青胶浆试验和DSR试验等,系统的分析了两种纤维的技术性能,检验不同纤维对沥青胶浆的性能影响,并对纤维的加强和改善作用机理进行了剖析。试验结果表明,纤维与沥青具有较好的相容性,两种纤维在一定程度上均可以改善沥青胶浆的抗剪切性能和稳定性。

关键词

木质素纤维 | 矿物纤维 | 纤维沥青胶浆 | 高温性能

在沥青中掺加纤维可以明显提高沥青路面使用性能,在国外已有几十年的研究应用历史,而我国自90年代末才开始陆续推广使用。目前国内对纤维改性沥青混合料性能进行了较深入研究,但对纤维改善沥青性能作用机理尚欠微观的系统的分析。纤维掺加到沥青中,纤维与沥青之间存在着复杂的相互作用关系,纤维种类的改变也会显著影响纤维沥青胶浆的性能。为此,本文将木质素纤维和玄武岩矿物纤维进行系统研究对比,分析两种纤维的技术性能,研究纤维沥青胶浆改善作用机理和效能。

原材料

纤维

纤维是一种由连续或不连续的细丝组成的材料,常用的有天然纤维和人造合成纤维。天然纤维一般是自然界存在的,可以直接取得,比如利用矿物、棉等经过处理加工制得与沥青掺配的矿物纤维、木质素纤维等天然纤维;人造合成纤维是对一些高聚物经过化学加工制成,如聚酯纤维。

 

(1)木质素纤维

木质纤维是天然木材经过筛选、分裂、高温处理、漂白、化学处理、中和、筛分成不同长度和粗细度的纤维。由于处理温度高达250℃以上,在通常条件下是化学上非常稳定的物质,不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀,具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质,不影响环境,对人体无害,属绿色环保产品,这是其它矿物质素纤维所不具备的。纤维微观结构是带状弯曲的,凹凸不平的,多孔的,交叉处是扁平的,有良好的韧性、分散性和化学稳定性,吸水能力强,有非常优秀的增稠抗裂性能。

 

(2)矿物纤维

矿物纤维目前主要是玄武岩矿物类纤维。路用矿物纤维是以玄武岩经1600℃高温、编纺、表面静电处理后上胶而成。因此矿物纤维的高温稳定性非常好,在混合料拌和、碾压及使用过程中不会产生耐热性差的问题。

基质沥青

本研究选用某型70号重交沥青,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE202011)的要求对基质沥青进行了3大指标试验,满足规范所规定的要求,试验结果如表1所示。

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矿粉

矿粉作为沥青混合料的填料,其作用十分重要,质量好坏将直接影响混合料的性能,与沥青发生化学反应增加胶结强度,并且在混合料中起填充空隙作用。试验所采用矿粉是由石灰岩类碱性岩石磨制而成的,其细度(0.075mm筛通过量)90%,亲水系数为0.7,主要技术指标如表2所示。

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纤维技术性能试验研究

纤维微观分析

两种纤维的电子显微镜放大倍数均为200倍,下图中显示的标注长度为200μm。

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从图1、2中可以看出,矿物纤维呈纤细状,表面光滑;木质素纤维枝叶宽阔状,大部分呈以片状形态。从微观的角度分析其结构特点,矿物纤维纤细、表面光滑不易吸附沥青,粘附能力差;木质素纤维枝叶宽阔、表面粗糙有利沥青吸附、粘附能力强。其呈宽阔状的纤维能够吸附更多的沥青主要起到稳定沥青的功能,但其加筋效果不如呈现纤细状纤维的效果明显。

纤维耐热性

纤维的耐热性是纤维实际应用推广的前提。纤维在沥青混合料中要经过200℃左右高温拌和,耐热性差的纤维结团或卷曲现象,影响沥青混合料整体性能的发挥。

 

为了测试两种纤维的耐热性,模仿沥青混合料现场高温拌和过程中纤维的耐热性能优劣情况,分别在烘箱中对木质素纤维和矿物纤维进行200℃、3小时高温烘烤耐热试验,观察其颜色和形态的变化情况,试验结果如表3所示。

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试验现象表明,两种纤维都表现出良好的高温稳定性。也就是说,纤维沥青混合料现有的高温拌合过程中,这两种纤维的性能不会产生高温变化而影响到其作用的发挥。

纤维烧失量

纤维烧失量测定方法是纤维在600℃的高温环境下燃烧后所失去的质量与原质量的比值。木质素纤维的烧失量为76.6%,灰分含量为22.4%,满足13%23%的规范范围??笪镏氏宋呶挛榷ㄐ院?,规范中没有规定其烧失量,在试验中烧失量没有明显变化。

纤维密度和比表面积

纤维的密度是确定纤维比表面积的必要指标。纤维的密度试验时是通过酒精作为介质在沥青比重瓶来测试。比表面积是包括了纤维的表面和内部空隙。

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纤维的比表面积是影响纤维对沥青吸附能力的重要影响因素。从表4可以看出,木质素纤维的比表面积大于矿物质纤维,通过电镜图也验证了该结果。

纤维吸油率

纤维具有亲油性,吸油率是表征纤维吸附沥青能力大小的重要指标。从表5中可以看出,木质素纤维对沥青的吸附能力远高于矿物纤维。

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纤维沥青胶浆试验研究

纤维与沥青胶浆混合后形成稳定的粘结材料,将骨料粘结并起到很好的加筋作用,能够很好的提高沥青混合料的高低温性能。本试验采用0.3%为纤维用量掺入到沥青中,研究两种纤维沥青胶浆的各项性能。

纤维沥青胶浆微观分析

两种纤维沥青的电子显微镜放大倍数均为500倍,图中显示的标注长度为100μm。

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从图3、4中分析得出:两种纤维对沥青的亲油性基本一致,未出现明显的裸露处,沥青能够均匀的裹覆纤维的表面,但是矿物纤维被沥青裹覆表面,有水滴状,而木质素纤维表面均匀、薄厚一致,这说明矿物纤维沥青吸附能力比木质素纤维沥青吸附能力差。

纤维沥青胶浆网篮析出试验

分别按照最佳纤维和沥青胶浆用量进行拌制后,分别在120℃、140℃170℃温度下测试其沥青的析出滴落情况,能够定量的分析不同纤维的沥青吸附能力。两种纤维的沥青析出结果如表6所示。

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从表6的数据可以看出,随着保温的时间和试验温度增加,纤维沥青胶浆的沥青析出率在不断的增加。随着保温时间不断增加在保温后期,发现析出量逐渐减小并趋近于稳定。两种纤维随着保温时间的增加沥青析出量的变化规律是相同的,但析出的数量却有较大的差别,其中以矿物纤维的析出百分率最大,在170℃时达到了32.4%,木质素纤维为3.75%。定量分析进一步得出木质素纤维的吸附沥青能力远大于矿物纤维。

纤维沥青胶浆锥入度试验

为了能够测试纤维沥青材料的抗剪切能力,从沥青针入度试验的原理创新发明了锥入度试验,通过测试锥入度来分析纤维沥青材料的优劣性能。

 

锥入度试验是将针入度标准针换成锥形针,在试验温度45℃下,利用锥形针和其固定物的自重,记录其5s之内在纤维沥青中的下沉位移的大小。试验其它条件和步骤与针入度测试方法相同。试验结果如表7所示。

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从表7可以看出,木质素纤维沥青的锥入度试验结果大于矿物纤维沥青的锥入度最小,说明矿物纤维具有较高的抗剪切变形能力。纤维在沥青中的加筋效果是提高抗剪切能力主要贡献之一,而纤维的形状特点是决定加筋效果直接关系,通??笪锵宋目辜羟心芰τ庞谀局仕叵宋?,主要是矿物纤维具有通直形状,而木质素纤维长短不一提高加筋作用的通直状纤维有效成分不多。

纤维沥青胶浆DSR动态剪切试验

美国SHP设备动态剪切流变仪(DS),是通过测定沥青材料的复数剪切模量(G*)和相位角(δ)来表征沥青材料的粘弹性。其中复数剪切模量G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量,包含弹性部分和粘性部分。相位角δ是可恢复和不可恢复变形的相对指标。根据美国SHP规范,定义G*/sinδ作为车辙因子,其值大表明沥青的弹性显著,若增大G*,sinδ减小,车辙因子G*/sinδ将增大,有利于增强沥青材料的抗永久变形能力。

 

60℃温度下,分别对矿物纤维和木质素纤维进行纤维掺量为混合料质量0.3%,沥青胶浆粉胶比0.8行动态剪切试验,试验结果如表8所示。

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车辙因子G*/sinδ反映了沥青胶浆的抗永久变形的能力,因此根据表8的结果来看,木质素纤维车辙因子大于矿物纤维车辙因子,表明掺木质素纤维沥青混合料的高温抗永久变形能力要强于掺矿物纤维的沥青混合料的高温抗永久变形。而两种纤维沥青胶浆的G*/sinδ均与没有添加纤维的沥青胶浆相比有大幅度的提高。

 

木质素纤维对沥青胶浆的稳定效果较好,而矿物纤维,由于对沥青的吸附能力较小,因此对胶浆主要起到加筋效果,但在高温的情况下,沥青的流变性很强,仅仅靠加筋的效果难以充分的延迟沥青胶浆的流变,因此其对沥青胶浆的抗永久变形能力也是低于木质素纤维。

结论

(1)矿物纤维对沥青的吸附能力小于木质素纤维对沥青的吸附能力,两种纤维耐热性均比较理想,而矿物纤维高温稳定性要优于木质素纤维,试验得出木质素纤维的比表面积大于矿物纤维,木质素纤维的吸油率大于矿物纤维的吸油率。

 

(2)从网篮析出试验看出,木质素纤维对沥青的稳定作用表现突出;从锥入度试验可以看出,矿物纤维抗剪切能力优于木质素纤维。

 

(3)纤维在沥青胶浆中主要起稳定作用和加筋作用,能够对沥青的高温性能很好的改善。对于SMAOGFC等用油较大的沥青混凝土类型,通过掺加纤维能够吸附大量的沥青,能够起到较好的稳定作用,避免发生泛油等现象。从整体来说,纤维良好的吸附沥青能力能够吸附混合料高温时的自由沥青,阻碍或延迟混合料的高温流变,提高混合料的高温稳定性。

 

(4)从试验操作过程中发现,拌合时分散性最好是木质素纤维,其次是矿物纤维。需要指出的是,木质素纤维易受潮,如果保存不当受潮,其分散性要大大降低,必然会影响沥青混合料的整体性能。

 

 

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