王亚飞 庞 凌 徐海钦 高 祥

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

沥青路面占我国高等级路面的90%以上.SMA沥青混凝土路面结构以其优良的抗疲劳、耐高低温和水稳定性能，以及良好的表面功能(抗滑、平整度好、噪声小)，在机场高速和桥面铺装等重要道路上得到了广泛应用.然而，SMA沥青混凝土路面在荷载应力、紫外线、温度，以及雨水等因素的作用下易产生裂纹，如不及时修复，任其发展成裂缝、坑槽等路面病害，将会影响行车安全和服役寿命[1].

沥青混凝土具有自愈合性能，沥青胶浆在一定的温度条件下，会发生浸润、扩散，以及流动，使微裂纹愈合[2].马涛等[3-4]研究发现：在感应加热愈合过程中，当低于一定的温度时，沥青胶浆难以产生愈合能力；而当温度过高时又容易致使沥青老化，降低路用性能，所以根据沥青胶浆的流动特性确定一个合适的温度作为初始自愈合温度指导自愈合养护工作是非常重要的.Garca等[5]发现沥青混凝土裂缝自愈合分为裂缝接触、闭合、沥青胶浆扩散，以及力学性能恢复四个阶段，沥青混凝土自愈合与其流变性能关系密切，包括沥青胶浆流动性、弹性恢复、界面润湿，以及沥青扩散.Heyes等[6]认为沥青胶浆在达到一定的流动能力后，即可以自发流动时，其自愈合能力才会体现出来.因此，沥青胶浆具有一定流动能力时的温度，成为研究沥青混凝土自愈合能力的关键参数.王宁等[7]提出了根据黏度测定沥青材料流动特性的指数n，在n=1时对应的液体是牛顿流体；n在0.9～1被称作近牛顿流体，即可以近似看作牛顿流体；在n=0.9时被认为是沥青材料开始自发流动的值；而在n=0.9时所对应的温度就是沥青材料进行初始自愈合的温度.

聚酯纤维和玄武岩纤维具有高的弹性模量，可以提高路面的整体高温稳定性和低温抗裂性，广泛应用于制备SMA沥青混凝土.文中通过相位角、复合剪切模量，以及复合黏度分析聚酯纤维和玄武岩纤维的掺入对沥青胶浆流变性能的影响，并在此基础上计算流动特性指数n，分析不同掺量下两种不同类型纤维沥青胶浆初始自愈合温度的变化规律.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

采用湖北某公司生产的SBS改性沥青，其技术指标见表1.采用湖北某公司的玄武岩纤维，其技术指标见表2.武汉某公司提供的聚酯纤维技术指标见表3.

表1 SBS改性沥青基本性能指标

表2 玄武岩纤维技术指标

表3 聚酯纤维技术指标

由表2～3可知，玄武岩纤维和聚酯纤维的长度都为6 mm，直径相差不大，但是玄武岩纤维的密度为2.810 g/cm3，远大于聚酯纤维的1.360 g/cm3；除此之外，玄武岩纤维的拉伸强度达到了聚酯纤维的3倍.

1.2 制备工艺

将SBS改性沥青加热到160 ℃，按比例逐步加入纤维.由于纤维在搅拌时易缠结，所以要均匀地逐次添加，用叶片搅拌机进行搅拌，搅拌时间不宜过长，一般控制在15 min，等到胶浆均匀稳定时倒入盛放的容器.在实验过程中发现聚酯纤维在掺量达到沥青质量的5%以后将变得难以融入，缠结成网现象严重，所以本文将玄武岩纤维和聚酯纤维的掺量定为1%、2%、3%.

1.3 试验方法

玄武岩纤维和聚酯纤维通过QUANTA FEG 450扫描电子显微镜(SEM)进行形貌观察.

转子尺寸为直径25 mm，实验板间隙为1.00 mm，加载模式为温度扫描，控制应变为1.25%，测试的温度范围是45～75 ℃，试验角频率为10 rad/s.

将不同掺量玄武岩纤维和聚酯纤维的沥青胶浆分别进行频率扫描试验.试验采用动态剪切流变仪进行加载模式为频率扫描，试验温度为30 ℃～80 ℃，间隔为10 ℃，角频率范围为0.1～10 rad/s.纤维沥青胶浆的流动性可以通过复合黏度和频率推导，将得到的复合黏度和频率的数值按以下公式进行幂函数拟合，得到流动特性指数 ：

η*=m|ω|n-1

式中：ω为角频率；η为复合黏度；m和n为拟合参数，n也称为流动特性指数.据此分析纤维沥青胶浆的初始自愈合温度进而研究其自愈合能力.

2 试验结果与分析

2.1 纤维形貌

在肉眼观察下玄武岩纤维(basalt fibe,BF)有明显的金色光泽，聚酯纤维(polyester fiber,PF)则通体白色.在扫描电镜下可以看到聚酯纤维呈非常规则的圆柱形状，并且表面十分光滑.玄武岩纤维也是圆柱体，但是直径略小于聚酯纤维，并且伴有纤维的碎屑以及一些凸起的物质，为玄武岩加工过程中骤冷所形成的结晶物质.

2.2 流变性能

图1～2为不同掺量的玄武岩纤维和聚酯纤维沥青胶浆的相位角和复合剪切模量的测试结果.由图1可知：随着温度上升，相位角曲线的斜率逐渐变小，掺加和未掺加纤维的沥青胶浆的相位角变化有相似的趋势，说明纤维的加入并没有改变沥青胶浆的黏弹性能.随着纤维掺量的增加，纤维沥青胶浆的相位角降低，聚酯纤维对相位角的降低作用比玄武岩纤维更为显著.相位角越小，表明材料弹性成分越大，在相同掺量下，聚酯纤维在整个温度范围内的增弹作用都要高于玄武岩纤维.相对于玄武岩纤维来说，聚酯纤维具有较大的比表面积可以吸附较多的沥青，从而获得更好的增弹效果.

由图2可知：随着温度的升高，沥青胶浆的复合剪切模量逐渐降低.随着纤维掺量的增加，沥青胶浆的复合剪切模量逐渐升高.相同掺量下，聚酯纤维对复合剪切模量的增大作用比玄武岩纤维更为显著.这主要是因为沥青中添加纤维后，部分自由沥青被纤维吸收后，形成与纤维黏更加紧密的结构沥青，进一步提高了沥青的抗变形和抗剪能力，具体表现为复合剪切模量的增加和相位角的减小.

图1 不同掺量的玄武岩和聚酯纤维对沥青胶浆相位角的影响

图2 不同掺量的玄武岩和聚酯纤维对沥青胶浆复合剪切模量的影响

相对于玄武岩纤维，聚酯纤维的密度较小，导致混合均匀后相同掺量的聚酯纤维与沥青的接触面积比较大；同时，聚酯纤维与沥青同属聚合物，它们之间有良好的亲和性，可大幅提升自有沥青向结构沥青转化的程度，进一步提高沥青胶浆的抗变形及抗剪能力.玄武岩纤维虽然长度和聚酯纤维接近，但是玄武岩纤维属于矿物纤维，本质上是一种无机材料，与沥青的黏附性和相容性较弱，从而导致对复合剪切模量的提升效果不及聚酯纤维.

2.3 初始自愈合温度

频率扫描得到的不同掺量玄武岩纤维沥青胶浆复合黏度的测试结果见图3.随着纤维掺量的增加，玄武岩纤维沥青胶浆的复合黏度会得到较为显著的提升，这是由于纤维在胶浆中形成空间随机分布的网络结构阻碍了沥青的流动，在宏观上就表现为沥青胶浆的黏度增加.

图3 不同掺量玄武岩纤维沥青胶浆的频率-复合黏度关系

由图3可知：随着频率的增加，玄武岩纤维沥青胶浆的复合黏度有明显的下降趋势，当温度上升到70 ℃以后，玄武岩纤维掺量不大于2%时，复合黏度与频率的相关性明显变差，黏度曲线几乎变成一条水平的直线，说明此时沥青胶浆基本符合牛顿流体的特性, 黏度值恒定不变.在玄武岩纤维掺量达到3%后，在70 ℃的复合黏度仍然随着频率的增加呈下降态势，说明在较高的纤维掺量下纤维沥青胶浆的流动被严重阻碍，难以完全达到牛顿流体的状态[8].

根据图3结果进行拟合得到表4玄武岩纤维沥青胶浆流动特性指数.

表4 玄武岩纤维沥青胶浆流动特性指数拟合结果

由表4可知：SBS改性沥青和玄武岩纤维沥青胶浆的流动特性指数随着温度的上升有逐渐增大的趋势，表明了其沥青胶浆在较高温度下逐渐变为近牛顿流体.

图4为不同掺量的聚酯纤维沥青胶浆的复合黏度-频率关系图，曲线趋势在大体上与玄武岩纤维沥青胶浆一致，不过在温度较高时的曲线不再平滑，仍然表现出下降的趋势，并且聚酯纤维沥青胶浆的复合黏度都要明显高于玄武岩纤维沥青胶浆，表明聚酯纤维的掺入，明显阻碍了纤维沥青胶浆的流动.

图4 不同掺量的聚酯纤维沥青胶浆的复合黏度-频率关系图

由图4可知：聚酯纤维掺量达到3%以后，复合黏度-频率关系曲线的斜率将会明显增大，说明此时的聚酯纤维沥青胶浆流动状态存在较大的波动，其胶浆在聚酯纤维的严重阻碍下难以达到近牛顿流体的状态.

基于图4的结果，拟合得到的不同温度下聚酯纤维沥青胶浆的流动特性指数结果见表5，掺加聚酯纤维后的沥青胶浆流动特性指数较掺加玄武岩纤维的沥青胶浆有明显的降低，当掺量超过2%以后，其流动特性指数达不到0.9.

表5 聚酯纤维沥青胶浆流动特性指数拟合结果

由于聚酯纤维密度小，相同质量比下聚酯纤维沥青胶浆中的位错阻碍效应更加明显，所以聚酯纤维沥青胶浆流动性低于玄武岩纤维沥青胶浆，导致达到相同的流动状态需要更高的温度或更长的时间.

图5为不同掺量的玄武岩纤维和聚酯纤维沥青胶浆流动特性指数随温度变化的趋势图.由图5可知:两种纤维沥青胶浆随着纤维掺量的增加，初始自愈合温度都会随之上升，说明了纤维的加入降低了SBS改性沥青的流动性，需要通过升到更高的温度来达到相同的流动状态.流动特性指数为0.9时，玄武岩纤维掺量从1%到3%时的沥青胶浆的初始自愈合温度分别为43，48，57 ℃；聚酯纤维掺量为1%时的初始自愈合温度为58 ℃，掺量高于2%后，聚酯纤维沥青胶浆的流动特性指数将达不到0.9.

图5 聚酯纤维和玄武岩纤维沥青胶浆在不同温度下的流动特性指数

综上所述，随着纤维掺量的增加，沥青胶浆初始自愈合温度明显增高，说明纤维掺量较高时，纤维之间的相互作用是影响沥青胶浆流动性能的主要因素.所以，在实际施工时，应根据不同的纤维类型和掺量设置合适的温度进行裂纹自愈合，既能达到愈合效果，又能减少消耗.

3 结 论

1) 随着纤维掺量的增加，纤维沥青胶浆的相位角降低，在相同掺量下，聚酯纤维对相位角的降低作用比玄武岩纤维更为显著，其在整个温度范围内的增弹作用都要高于玄武岩纤维.沥青胶浆的复合剪切模量随着纤维掺量的增加逐渐升高，在掺量相同的情况下，聚酯纤维对复合剪切模量的增大作用比玄武岩纤维更为显著.

2) 随着纤维掺量的增加，两种纤维沥青胶浆的复合黏度系数明显增大，流动特性指数下降.玄武岩纤维掺量为1%、2%、3%时，在30～80 ℃范围内流动特性指数分别从0.820上升到0.946，0.810上升到0.920，0.803上升到0.911；聚酯纤维掺量为1%时，在30 ℃到80 ℃范围内流动特性指数分别从0.811上升到0.901；聚酯纤维掺量超过2%以后，其流动特性指数将达不到0.9.相同掺量下，玄武岩纤维沥青胶浆比聚酯纤维沥青胶浆更容易达到满足自愈合条件的流动特性.

3) 玄武岩纤维掺量从1%～3%时的沥青胶浆的初始自愈合温度分别为43，48，57 ℃；聚酯纤维掺量为1%时的初始自愈合温度为58 ℃，聚酯纤维掺量超过2%后，流动特性指数将不足以评价其初始自愈合温度.纤维掺量增加导致自愈合温度增加，相同掺量下玄武岩纤维沥青胶浆的初始自愈合温度远低于聚酯纤维.