玄武岩纤维沥青胶浆优化设计及机理分析

郭寅川， 李震南， 申爱琴， 覃 潇， 魏自玉(长安大学 公路学院， 陕西 西安， 710064)

内蒙古自治区呼伦贝尔市属于季节性重冰冻区，冬季寒冷漫长，年平均温差较大，气候条件十分恶劣.在已建成公路中，温度裂缝、车辙、坑槽为重冰冻区路面的主要病害，约占路面病害总量的80%[1].在路面材料中掺加纤维是防治重冰冻区路面病害行之有效的方法[2].然而，有机纤维存在强度低、易老化、与沥青相容性差等缺点，不能满足重冰冻区路面耐久性的要求，玄武岩纤维作为天然矿物纤维，具有优异的力学强度和稳定性，更适合在重冰冻区道路中使用[3].

目前，国内外已有一些学者对玄武岩纤维改性路面材料进行了研究.Artemenko等[4]研究表明由于玄武岩纤维和沥青之间的物理化学反应，沥青路面的耐热性和使用寿命显著提高；Morova[5]认为当玄武岩纤维掺量为沥青混合料质量的0.5%时，沥青混合料路用性能最佳；Lee等[6]和Sim等[7]认为玄武岩纤维沥青混合料具有较强的抗裂性能；张华等[8]评价了玄武岩纤维沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性，并对玄武岩纤维增强沥青混合料机理进行了初步探索；宋云祥等[9]和覃潇等[3]在玄武岩纤维沥青胶浆的软化点、延度、表观黏度和高温流变性等方面进行了深入研究.玄武岩纤维、沥青和填料形成的纤维沥青胶浆是沥青混合料的重要组成部分，对混合料路用性能影响显著[10-11].以上研究多围绕玄武岩纤维沥青混合料和纤维沥青胶浆高温性能，对重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆低温性能的研究较少，更缺乏对其改善机理的研究.

针对多指标正交试验最佳方案的决策问题，苏宏华等[12]运用模糊数学分析方法，建立隶属函数和指标满意度等概念，把试验结果转化为指标满意度，并对各指标和综合指标满意度进行分析，从而优选出最佳方案.

基于上述分析，本文将通过三因素三水平正交试验，以玄武岩纤维的吸附能力、玄武岩纤维沥青胶浆的低温极限拉力和低温拉伸断裂能、冻融抗剪强度为评价指标，研究纤维长度、纤维掺量和沥青标号对重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆的影响规律，并基于模糊分析确定重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆的最佳组成；同时借助扫描电镜(SEM)揭示玄武岩纤维对沥青胶浆的改善机理，以期为重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆设计提供理论及技术依据.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

沥青选用盘锦70#，90#，110#基质沥青，各项技术指标见表1；纤维采用海宁安捷复合材料有限公司生产的玄武岩纤维集束状短切丝，长度为6，9，15mm，技术指标见表2；矿粉采用石灰岩矿粉，各项技术指标均满足规范要求.

表1 沥青技术指标Table 1 Technical specification of asphalts

表2 玄武岩纤维技术指标Table 2 Technical specification of basalt fibers

1.2 正交试验设计

影响玄武岩纤维沥青胶浆性能的因素较多，结合重冰冻区气候环境特点及本文研究重点，认为纤维长度、纤维掺量1)和沥青标号是重冰冻区纤维沥青胶浆性能的主要影响因素.每种因素选择3个水平，正交试验表头见表3，选择L9(33)正交设计来安排试验.

1)文中涉及的掺量、粉胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比.

1.3 试验方法及评价指标

1.3.1网篮析出试验

取粉胶比为1∶2，将矿粉分次加入(165±5) ℃沥青中，并搅拌均匀.取不同掺量的纤维加入沥青胶浆中，搅拌至纤维无明显结团、缠绕状态.待纤维沥青胶浆冷却后放入0.6mm网篮中，在130℃下保温，每隔0.5h测量1次网篮上纤维胶浆剩余量，以网上剩余率r(%)为评价指标，评价不同规格玄武岩纤维对沥青的吸附能力.

表3 玄武岩纤维沥青胶浆正交试验表头Table 3 Orthogonal test header of basalt fiber reinforced asphalt mastics

1.3.2低温拉伸试验

在玻璃板上成型纤维沥青胶浆板状试件，试件尺寸为15cm×12cm.结合依托工程所在地冬季气温条件，试件在-20℃下保温6h后，使用MTS万能试验机进行拉伸试验，拉伸速率选择10mm/min. 试验时系统采集试件受力和变形情况，当达到试件极限拉力Fu时停止试验，测得的荷载-位移(F-δ)曲线如图1所示.

图1 低温拉伸试验荷载-位移曲线Fig.1 Load-displacement curve of tensile test in low temperature

由图1知，仅用极限拉力评价纤维沥青胶浆的低温抗裂性并不全面.为综合考虑玄武岩纤维沥青胶浆在低温拉伸时的强度和变形，引入纤维沥青胶浆低温拉伸断裂能(即达到低温极限拉力前荷载-位移曲线的面积)的概念，用来综合评价重冰冻区纤维沥青胶浆的低温性能，按式(1)计算纤维沥青胶浆低温拉伸断裂能W.

(1)

式中：F为试件所受拉力，N；δ为试件某一时刻位移，m；δ0为试件最大位移，m.

1.3.3冻融抗剪试验

制备纤维沥青胶浆并倒入试模中，常温冷却.根据依托工程所在地冬季平均温度及全年冻融循环条件，将试模在-20℃下保温3h后，再在25℃水浴箱中保温1h，记为1次冻融循环.每组试件冻融循环4次后进行抗剪试验，试验示意图见图2.记录试锤在纤维沥青胶浆内10s时的沉入深度h，根据式(2)计算冻融抗剪强度τ.

图2 冻融抗剪试验示意图Fig.2 Schematic diagram of freeze-thaw shear test

(2)

式中：G为试锤总重，kN；h为沉入深度，m；α为试锤角度，(°).

2 正交试验结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

玄武岩纤维沥青胶浆正交试验结果见表4.

表4 玄武岩纤维沥青胶浆正交试验结果Table 4 Orthogonal test results of basalt fiber reinforced asphalt mastics

对正交试验结果进行极差与方差分析，考核纤维长度、纤维掺量与沥青标号对胶浆各评价指标的影响显著性程度，计算结果见表5.

表5 玄武岩纤维沥青胶浆极差及方差分析结果Table 5 Analysis results of range and variance of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由表5可知，玄武岩纤维对沥青的吸附能力主要受纤维掺量和纤维长度的影响，沥青标号对纤维吸附能力的影响不显著；纤维长度是影响纤维沥青胶浆低温极限拉力的主要因素，纤维掺量次之；但纤维掺量对胶浆低温拉伸断裂能的影响最为显著，其次是纤维长度；沥青标号对胶浆低温极限拉力和低温拉伸断裂能的影响最小.影响胶浆冻融抗剪强度的因素显著性顺序依次为：沥青标号>纤维掺量>纤维长度.由上述分析可知，一定条件下纤维掺量仍然是影响胶浆性能的主要因素，其次为纤维长度.因此，在设计重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆时应重点考虑纤维掺量和纤维长度.

2.2 各因素对纤维吸附沥青能力的影响

图3为各因素对玄武岩纤维沥青胶浆网上剩余率的影响规律.由图3可知，随着玄武岩纤维长度的增加，胶浆的网上剩余率减小，即纤维长度与纤维吸附沥青能力呈反比关系.当纤维长度从6mm增大到9，15mm时，1.0h网上剩余率分别减小了8.1%，14.5%.当纤维直径相同时，纤维长径比越大，集束状纤维越容易缠绕、连接，而不能分散成均匀纤维丝，导致纤维与沥青有效接触面积减小，且单根纤维丝与沥青裹附不均匀，不能完全发挥其对沥青的吸附作用.

图3 各因素对玄武岩纤维沥青胶浆网上剩余率的影响Fig.3 Influence of factors on net surplus ratio of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由图3还可知，玄武岩纤维吸附沥青能力与纤维掺量成正比，胶浆网上剩余率随纤维掺量增加而增大.当纤维掺量从4%增大到7%，10%时，1.0h胶浆网上剩余率增加了27%，32.1%.增加纤维用量，纤维吸附沥青能力并不能无限增大，其增幅缓慢.随着沥青标号的提高，胶浆网上剩余率呈降低趋势，但降幅较小，可以认为沥青标号对纤维吸附沥青能力无显著影响.

2.3 各因素对低温极限拉力的影响

各因素对玄武岩纤维沥青胶浆低温极限拉力的影响规律见图4.

图4 各因素对玄武岩纤维沥青胶浆低温极限拉力的影响Fig.4 Influence of factors on ultimate tension in low temperature of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由图4可知，各因素对玄武岩纤维沥青胶浆低温极限拉力的影响规律相似，即随着纤维长度、纤维掺量的增加与沥青标号的提高，玄武岩纤维沥青胶浆低温极限拉力均出现先增大后减小的变化规律.由上述极差与方差分析结果(表5)可知，纤维长度对纤维胶浆低温极限拉力的影响最为显著，纤维掺量次之，沥青标号的影响最小.

当纤维沥青胶浆受拉时，纤维之间形成网状搭接结构，在胶浆内起加筋、阻裂作用，可显著提高纤维胶浆低温极限拉力.当纤维长度由6mm增大到9mm时，纤维胶浆低温极限拉力提高了84.5%，其抗裂性极大提高；但随着纤维长度的进一步增加，纤维胶浆低温极限拉力减小.在纤维胶浆中，玄武岩纤维形成的网状结构存在有效搭接长度，当玄武岩纤维长度超过有效搭接长度时，过长的纤维则形成滑动面，从而降低了纤维胶浆的抗裂性.

当纤维掺量由4%增大至7%时，纤维胶浆低温极限拉力提高了56.2%，但随着纤维掺量的进一步增加，纤维胶浆低温极限拉力减小.当纤维掺量过大时，会在一定范围内造成纤维堆积成团现象，导致纤维分布、取向不均匀，形成受拉薄弱面.从前文的极差与方差分析可知，与增大纤维掺量相比，增加纤维长度是提高纤维胶浆低温极限拉力更为有效的途径.沥青标号对纤维胶浆低温极限拉力的影响较小，但通过纤维与沥青的物化反应[13]，90#沥青制备的纤维胶浆低温极限拉力最大.

2.4 各因素对低温拉伸断裂能的影响

各因素对玄武岩纤维沥青胶浆低温拉伸断裂能的影响规律见图5.

图5 各因素对玄武岩纤维沥青胶浆低温拉伸断裂能的影响Fig.5 Influence of factors on tensile crack energy in low temperature of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由图5可知，随着纤维长度的增大，纤维胶浆低温拉伸断裂能增大；随着纤维掺量的增加，低温拉伸断裂能先增大后减小；提高沥青标号，低温拉伸断裂能先减小后增大，但变化幅度不大.总的来说，纤维掺量对纤维胶浆低温拉伸断裂能的影响较显著，其次是纤维长度，沥青标号的影响较小.

由图5还可知，当纤维长度由6mm增大至9，15mm时，纤维胶浆低温拉伸断裂能提高了59.2%，69.6%.增大纤维长度虽降低了纤维胶浆的低温极限拉力(见图4)，但增加了纤维胶浆的韧性，提高了其变形能力，因此其低温拉伸断裂能变大.提高纤维掺量会增加纤维胶浆的低温拉伸断裂能；但纤维过多时，纤维胶浆低温拉伸断裂能减小，这与纤维掺量对纤维胶浆低温极限拉力的影响相同，因此在设计重冰冻区纤维沥青胶浆时，为提高胶浆抗裂性，应合理选择纤维掺量.

2.5 各因素对冻融抗剪强度的影响

图6为各因素对玄武岩纤维沥青胶浆冻融抗剪强度的影响规律.由图6可知，随着沥青标号的提高，纤维胶浆冻融抗剪强度急剧降低，当沥青标号由70#提高到90#，110#时，纤维胶浆冻融抗剪强度降低了31.2%，63.1%；纤维胶浆的冻融抗剪强度随纤维长度增大而增加，当纤维长度由6mm增大到9，15mm时，纤维胶浆冻融抗剪强度增加了14.4%，59.5%；随着纤维掺量的增加，纤维胶浆冻融抗剪强度先增大后减小.总的来说，沥青标号对纤维胶浆冻融抗剪强度的影响最为显著，而纤维掺量和纤维长度有相似的显著性水平.

图6 各因素对纤维胶浆冻融抗剪强度的影响Fig.6 Influence of factors on freeze-thaw shear strength of fiber mastics

沥青作为纤维胶浆复合材料中的基体，对纤维胶浆的冻融抗剪强度起决定性作用.因此，在重冰冻区为避免冻融循环后沥青混合料抗剪强度不足，应合理选择沥青标号；同时，掺加玄武岩纤维能提高纤维胶浆冻融抗剪性.

3 基于模糊理论优选纤维沥青胶浆组成

根据模糊理论[12]，采用熵权法修正权重[8]，并结合重冰冻区纤维胶浆性能要求[1]，确定0.5h网上剩余率与1.0h网上剩余率权重均为0.1，冻融抗剪强度权重为0.2，低温极限拉力与低温拉伸断裂能权重均为0.3.根据文献[12]中的计算步骤，确定每个影响因素的多指标综合满意度向量，并计算各水平的平均值与方差，结果见表6.

表6 多指标性能综合满意度分析结果Table 6 Analysis results of multi index performance comprehensive satisfaction

由表6中的方差分析结果可知，纤维掺量对重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆性能的综合影响最为显著，其次是纤维长度，沥青标号的影响最不显著.本试验所选评价指标均为正向指标，当各因素综合满意度平均值最大时为最优组合，因此推荐重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆组成为A2B2C2，即采用9mm玄武岩纤维、纤维掺量为7%、选用90#沥青.

4 基于SEM的玄武岩纤维作用机理研究

图7为玄武岩纤维和玄武岩纤维-沥青界面的微观形貌.

由图7(a)可见，玄武岩纤维呈圆柱状，但其表面并非完全光滑，而是分布有不规则形状的凸起和凹陷，这可以扩大纤维比表面积，增大纤维表面的摩擦力，从而增加纤维与沥青的黏结强度，有益于玄武岩纤维的增强效应.

界面浸润理论认为，各相之间结合的主要模式是机械连结和润湿吸附，而浸润是纤维复合材料间形成界面最基本的条件.由图7(b)可知，玄武岩纤维与沥青相容性较好，沥青充分裹附纤维，玄武岩纤维的表面缺陷增加了其与沥青的界面浸润效果.玄武岩纤维与沥青的充分浸润，使纤维-沥青界面产生了较强的物理吸附，甚至超过沥青材料的内聚能，宏观表现为纤维与沥青有较大的黏结强度.

图8为玄武岩纤维沥青胶浆拉伸损伤断裂面的微观形貌.

图7 玄武岩纤维和玄武岩纤维-沥青界面的微观形貌Fig.7 Micrographs of basalt fiber and basalt fiber-asphalt interface

图8 玄武岩纤维沥青胶浆拉伸损伤断面的微观形貌Fig.8 Micrographs for tensile damage fracture of basalt fiber reinforced asphalt mastics

由图8可见，玄武岩纤维在玄武岩纤维沥青胶浆拉伸损伤断面上均匀分布，在各个方向均有受力纤维，无明显薄弱面.玄武岩纤维在沥青中形成网状搭接结构，在受力时可以更好地传递和消散应力，同时还能克服彼此之间的滑动，减慢裂缝扩展速度.玄武岩纤维取向与断裂面垂直，纤维受拉利用率较高，充分发挥了阻裂作用.

在玄武岩纤维沥青胶浆低温受拉损伤时，纤维横跨胶浆微裂缝.当纤维胶浆再次受拉时，首先是纤维受力，且由于纤维与沥青界面充分浸润，具有较高的黏结强度，因此能避免发生纤维脱胶等界面损伤，有效约束内部微裂纹的扩展.

5 结论

(1)玄武岩纤维长度和纤维掺量对纤维吸附沥青能力、纤维胶浆低温极限拉力和低温拉伸断裂能的影响较为显著；沥青标号对纤维胶浆冻融抗剪强度的影响最为显著.

(2)基于模糊理论分析得出，纤维掺量对重冰冻区纤维胶浆综合性能的影响最为显著，纤维长度次之，沥青标号的影响最小；推荐重冰冻区玄武岩纤维沥青胶浆的最佳组成为90#沥青中加入纤维掺量为7%的9mm玄武岩纤维.

(3)玄武岩纤维微观表面较粗糙，与沥青浸润充分，玄武岩纤维形成的网状搭接结构可增强纤维胶浆的抗裂性，并能延缓内部微裂缝的扩展.

[1] 袁锦浪.重冰冻区长寿命路面沥青混合料优化设计研究[D].西安:长安大学，2012.

YUAN Jinlang.The optimization design of asphalt mixture of long-life pavement in heavy-frozen area[D].Xi’an：Chang’an University,2012.(in Chinese)

[2] 林平东,冯德成.纤维加筋材料在寒冷地区道路的适用性研究[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36(10):1414-1416.

LIN Pingdong，FENG Decheng.Applicability study of fiber reinforced material in frigid region road[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2004,36(10):1414-1416.(in Chinese)

[3] 覃潇,申爱琴,郭寅川.玄武岩纤维沥青胶浆性能试验研究[J].建筑材料学报,2016,19(4):659-664.

QIN Xiao，SHEN Aiqin，GUO Yinchuan.Experimental study on road performance of basalt fiber reinforced bitumen mastics[J].Journal of Building Materials,2016,19(4):659-664.(in Chinese)

[4] ARTEMENKO S E,ARZAMASTSEV S V,SHATUNOV D A，et al.Basalt plastics - New materials for road construction[J].Fiber Chemistry,2008,40(6):499-502.

[5] MOROVA N.Investigation of usability of basalt fiber in hot mix asphalt concrete[J].Construction and Building Materials,2013,47:175-180.

[6] LEE S J,RUSH J P,HAMOUDA H,et al.Fatigue cracking resistance of fiber-reinforced asphalt concrete[J].Textile Research Journal, 2005,75(2):123-128.

[7] SIM J,PARK C,MOOND Y.Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures[J].Composites Part B(Engineering),2005,36(6/7):504-512.

[8] 张华,杜小虎,汪德才,等.基于加权灰靶理论的纤维沥青混合料综合性能评价[J].江苏大学学报(自然科学版),2016,37(5):616-620.

ZHANG Hua，DU Xiaohu，WANG Decai，et al.Comprehensive performance evaluation of fiber asphalt mixture based on weight coefficient grey target theory[J].Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition)，2016,37(5):616-620.(in Chinese)

[9] 宋云祥,韦佑坡,李玉梅,等.玄武岩纤维沥青胶浆的路用性能[J].公路交通科技,2012,29(8):15-19,24.

SONG Yunxiang，WEI Youpo，LI Yumei，et al.Road performance of basalt fiber reinforced asphalt mastic[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2012,29(8):15-19,24.(in Chinese)

[10] XIONG R,FANG J H,XU A H,et al.Laboratory investigation on the brucite fiber reinforced asphalt binder and asphalt concrete[J].Construction and Building Materials,2015,83:44-52.

[11] 吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海：同济大学出版社，2001：94-97.

LÜ Weimin.Principle and method of asphalt mixture design[M].Shanghai:Tongji University Press,2001：94-97.(in Chinese)

[12] 苏宏华,姚正军.多指标正交试验的模糊分析方法[J].南京航空航天大学学报,2004,36(1):29-33.

SU Honghua，YAO Zhengjun.Fuzzy analysis method for multi-index orthogonal test[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2004,36(1):29-33.(in Chinese)

[13] 柳力,刘朝晖,向宇,等.硅烷偶联剂改性玄武岩纤维的机理及其路用性能[J].建筑材料学报,2017,20(4):623-629.

LIU Li，LIU Zhaohui，XIANG Yu，et al.Mechanism and road performance of basalt fiber modified by silane coupling agent[J].Journal of Building Materials,2017,20(4):623-629.(in Chinese)