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      基于微觀特性的纖維與纖維瀝青膠漿性能研究
      發布日期:2020-04-16

      圖片1.png 

       

      2種纖維和纖維瀝青膠漿的微觀特性試驗出發,通過對纖維技術性能試驗,常規瀝青膠漿試驗和DSR試驗等,系統的分析了兩種纖維的技術性能,檢驗不同纖維對瀝青膠漿的性能影響,并對纖維的加強和改善作用機理進行了剖析。試驗結果表明,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定性。

      關鍵詞

      木質素纖維 | 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用歷史,而我國自90年代末才開始陸續推廣使用。目前國內對纖維改性瀝青混合料性能進行了較深入研究,但對纖維改善瀝青性能作用機理尚欠微觀的系統的分析。纖維摻加到瀝青中,纖維與瀝青之間存在著復雜的相互作用關系,纖維種類的改變也會顯著影響纖維瀝青膠漿的性能。為此,本文將木質素纖維和玄武巖礦物纖維進行系統研究對比,分析兩種纖維的技術性能,研究纖維瀝青膠漿改善作用機理和效能。

      原材料

      纖維

      纖維是一種由連續或不連續的細絲組成的材料,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、棉等經過處理加工制得與瀝青摻配的礦物纖維、木質素纖維等天然纖維;人造合成纖維是對一些高聚物經過化學加工制成,如聚酯纖維。

       

      (1)木質素纖維

      木質纖維是天然木材經過篩選、分裂、高溫處理、漂白、化學處理、中和、篩分成不同長度和粗細度的纖維。由于處理溫度高達250℃以上,在通常條件下是化學上非常穩定的物質,不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕,具有無毒、無味、無污染、無放射性的優良品質,不影響環境,對人體無害,屬綠色環保產品,這是其它礦物質素纖維所不具備的。纖維微觀結構是帶狀彎曲的,凹凸不平的,多孔的,交叉處是扁平的,有良好的韌性、分散性和化學穩定性,吸水能力強,有非常優秀的增稠抗裂性能。

       

      (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定性非常好,在混合料拌和、碾壓及使用過程中不會產生耐熱性差的問題。

      基質瀝青

      本研究選用某型70號重交瀝青,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE202011)的要求對基質瀝青進行了3大指標試驗,滿足規范所規定的要求,試驗結果如表1所示。

      圖片2.png 

      礦粉

      礦粉作為瀝青混合料的填料,其作用十分重要,質量好壞將直接影響混合料的性能,與瀝青發生化學反應增加膠結強度,并且在混合料中起填充空隙作用。試驗所采用礦粉是由石灰巖類堿性巖石磨制而成的,其細度(0.075mm篩通過量)90%,親水系數為0.7,主要技術指標如表2所示。

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      纖維技術性能試驗研究

      纖維微觀分析

      兩種纖維的電子顯微鏡放大倍數均為200倍,下圖中顯示的標注長度為200μm。

      圖片4.png 

      從圖1、2中可以看出,礦物纖維呈纖細狀,表面光滑;木質素纖維枝葉寬闊狀,大部分呈以片狀形態。從微觀的角度分析其結構特點,礦物纖維纖細、表面光滑不易吸附瀝青,粘附能力差;木質素纖維枝葉寬闊、表面粗糙有利瀝青吸附、粘附能力強。其呈寬闊狀的纖維能夠吸附更多的瀝青主要起到穩定瀝青的功能,但其加筋效果不如呈現纖細狀纖維的效果明顯。

      纖維耐熱性

      纖維的耐熱性是纖維實際應用推廣的前提。纖維在瀝青混合料中要經過200℃左右高溫拌和,耐熱性差的纖維結團或卷曲現象,影響瀝青混合料整體性能的發揮。

       

      為了測試兩種纖維的耐熱性,模仿瀝青混合料現場高溫拌和過程中纖維的耐熱性能優劣情況,分別在烘箱中對木質素纖維和礦物纖維進行200℃、3小時高溫烘烤耐熱試驗,觀察其顏色和形態的變化情況,試驗結果如表3所示。

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      試驗現象表明,兩種纖維都表現出良好的高溫穩定性。也就是說,纖維瀝青混合料現有的高溫拌合過程中,這兩種纖維的性能不會產生高溫變化而影響到其作用的發揮。

      纖維燒失量

      纖維燒失量測定方法是纖維在600℃的高溫環境下燃燒后所失去的質量與原質量的比值。木質素纖維的燒失量為76.6%,灰分含量為22.4%,滿足13%23%的規范范圍。礦物質纖維高溫穩定性好,規范中沒有規定其燒失量,在試驗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。纖維的密度試驗時是通過酒精作為介質在瀝青比重瓶來測試。比表面積是包括了纖維的表面和內部空隙。

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      纖維的比表面積是影響纖維對瀝青吸附能力的重要影響因素。從表4可以看出,木質素纖維的比表面積大于礦物質纖維,通過電鏡圖也驗證了該結果。

      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。從表5中可以看出,木質素纖維對瀝青的吸附能力遠高于礦物纖維。

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      纖維瀝青膠漿試驗研究

      纖維與瀝青膠漿混合后形成穩定的粘結材料,將骨料粘結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均為500倍,圖中顯示的標注長度為100μm。

      圖片8.png 

      從圖3、4中分析得出:兩種纖維對瀝青的親油性基本一致,未出現明顯的裸露處,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素纖維瀝青吸附能力差。

      纖維瀝青膠漿網籃析出試驗

      分別按照最佳纖維和瀝青膠漿用量進行拌制后,分別在120℃、140℃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果如表6所示。

      圖片9.png 

      從表6的數據可以看出,隨著保溫的時間和試驗溫度增加,纖維瀝青膠漿的瀝青析出率在不斷的增加。隨著保溫時間不斷增加在保溫后期,發現析出量逐漸減小并趨近于穩定。兩種纖維隨著保溫時間的增加瀝青析出量的變化規律是相同的,但析出的數量卻有較大的差別,其中以礦物纖維的析出百分率最大,在170℃時達到了32.4%,木質素纖維為3.75%。定量分析進一步得出木質素纖維的吸附瀝青能力遠大于礦物纖維。

      纖維瀝青膠漿錐入度試驗

      為了能夠測試纖維瀝青材料的抗剪切能力,從瀝青針入度試驗的原理創新發明了錐入度試驗,通過測試錐入度來分析纖維瀝青材料的優劣性能。

       

      錐入度試驗是將針入度標準針換成錐形針,在試驗溫度45℃下,利用錐形針和其固定物的自重,記錄其5s之內在纖維瀝青中的下沉位移的大小。試驗其它條件和步驟與針入度測試方法相同。試驗結果如表7所示。

      圖片10.png 

      從表7可以看出,木質素纖維瀝青的錐入度試驗結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之一,而纖維的形狀特點是決定加筋效果直接關系,通常礦物纖維的抗剪切能力優于木質素纖維,主要是礦物纖維具有通直形狀,而木質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動態剪切試驗

      美國SHP設備動態剪切流變儀(DS),是通過測定瀝青材料的復數剪切模量(G*)和相位角(δ)來表征瀝青材料的粘彈性。其中復數剪切模量G*是材料重復剪切變形時總阻力的度量,包含彈性部分和粘性部分。相位角δ是可恢復和不可恢復變形的相對指標。根據美國SHP規范,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,有利于增強瀝青材料的抗永久變形能力。

       

      60℃溫度下,分別對礦物纖維和木質素纖維進行纖維摻量為混合料質量0.3%,瀝青膠漿粉膠比0.8行動態剪切試驗,試驗結果如表8所示。

      圖片11.png 

      車轍因子G*/sinδ反映了瀝青膠漿的抗永久變形的能力,因此根據表8的結果來看,木質素纖維車轍因子大于礦物纖維車轍因子,表明摻木質素纖維瀝青混合料的高溫抗永久變形能力要強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。

       

      木質素纖維對瀝青膠漿的穩定效果較好,而礦物纖維,由于對瀝青的吸附能力較小,因此對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,僅僅靠加筋的效果難以充分的延遲瀝青膠漿的流變,因此其對瀝青膠漿的抗永久變形能力也是低于木質素纖維。

      結論

      (1)礦物纖維對瀝青的吸附能力小于木質素纖維對瀝青的吸附能力,兩種纖維耐熱性均比較理想,而礦物纖維高溫穩定性要優于木質素纖維,試驗得出木質素纖維的比表面積大于礦物纖維,木質素纖維的吸油率大于礦物纖維的吸油率。

       

      (2)從網籃析出試驗看出,木質素纖維對瀝青的穩定作用表現突出;從錐入度試驗可以看出,礦物纖維抗剪切能力優于木質素纖維。

       

      (3)纖維在瀝青膠漿中主要起穩定作用和加筋作用,能夠對瀝青的高溫性能很好的改善。對于SMAOGFC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,能夠起到較好的穩定作用,避免發生泛油等現象。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定性。

       

      (4)從試驗操作過程中發現,拌合時分散性最好是木質素纖維,其次是礦物纖維。需要指出的是,木質素纖維易受潮,如果保存不當受潮,其分散性要大大降低,必然會影響瀝青混合料的整體性能。

       

       

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