玄武岩纤维在路面应用中性能研究

玄武岩纤维具有突出的拉伸强度、较高的弹性模量及适宜的断裂延伸率;端部有明显的突起,似触角状;结构密实,表面浸润性好,吸持沥青能力较好;极低的吸水率,避免纤维沥青界面因水分侵蚀膨胀;突出的耐热性能,在高温条件具有完整的力学性能,可作为阻燃材料应用于隧道等封闭结构施工;在高湿度、酸、碱类介质结构中具有良好的化学稳定性。同时其效果比目前常用的木质素纤维和聚酯纤维好。

2种纤维的比较

玄武岩纤维与玻璃纤维制造工艺是相似的。第一是先将玄武岩岩石破碎、清洗,而后投入熔炉;第二是玄武岩与玻璃不一样,玄武岩纤维的冶炼,不需要添加其他原料,只需单一投料即可,对玄武岩原材料的纯度和稳定性不需要直接或间接的控制;第三是虽然玄武岩矿物和玻璃矿物的主要成分都是硅酸盐分子组成,熔融冷却后的玻璃矿物质形成非晶态体结构,但玄武岩矿物本身却具有晶体结构,它这种结构的形成是因为玄武岩所在地理区域熔岩流动的具体条件不同而造成的。

玄武岩矿物进人熔炉后,在℃下熔化,不透明的玄武岩与透明的玻璃不同,它不是通过热量传输而是通过吸收红外能量使其溶化。故此,要想熔化玄武岩矿物,使用传统熔炉上方燃烧器均匀加热玄武岩矿物原料就难以达到目的。假若使用传统的上方燃烧器来对玄武岩矿物原料加热,就必须将玄武岩矿物熔体在贮液槽内停留几个h的较长时间才能达到熔化温度均匀持续,这就会造成劳民伤财,资源浪费。鉴于此种情况,玄武岩纤维生产厂商采用了“浸没式电极法”等几种方法来加强玄武岩熔体的均匀加热。但因生产厂家为了保证纤维的质量的原因,宁可采用成本高的气熔而不是采用成本低的电熔来对玄武岩熔体进行加热,经过科学的分析与实验,综合考虑加热的各种方法的优劣,取长补短,一般厂家都是采取两极加热方案,也就是分区采用不同的加热系统。玄武岩矿物原料熔炉料道部分温度控制精度要求高,要严格控制;而在熔体前段加热时可采用比较简单的加热控制系统。玄武岩纤维成形与玻璃纤维一样,用铂铑漏板完成,为了保证纤维的形态,成型后的纤维要施加浸润剂冷却,最后将纤维用拉丝机缠绕成卷。

由于玄武岩纤维的抗磨损力比玻璃纤维抗磨损力要强,纤维经漏板成型过程中,纤维对价格不菲的漏板磨损比较严重,需要频繁的对漏板反复加工,一旦漏板圆形漏孔受到纤维不均匀的磨损后,对纤维成型工艺控制会造成严重影响,如不及时维护处理,就会使纤维的直径粗细不一致,进而使生产的无捻粗纱,断裂强度难以预测。一般情况下,玻璃纤维的漏板使用寿命在6个月以上,而玄武岩纤维的漏板却只能使用3~5个月。但玄武岩纤维生产厂家经科研攻关,将玄武岩纤维漏板寿命与玻璃纤维的漏板一样延长到了6个月。

如此而来,使玄武岩纤维的生产成本超过了玻璃纤维,但玄武岩纤维的产品性能明显优于玻璃纤维,玄武岩纤维比玻璃纤维有更高的断裂强度和弹性模量。玻璃和玄武岩无捻粗纱用环氧树脂浸渍,制成单向浸料,再将其压成层压板状态,从层压板上切下mmx15mm的试样板,用卡尺测量它们的厚度,然后进行三点弯曲试验和1LSS试验,并测试试样板的强度和刚度。测得结果:尽管玄武岩纤维试样板比玻璃纤维试样板重3.6%,而玄武岩纤维试样板比玻璃纤维板试样的强度高13.7%,刚度高17.5%。

再者,玄武岩矿物是百分之百的惰性物质,它遇空气和水均无任何毒性反应,既不燃烧,还防爆炸。玄武岩纤维具有天然的抗紫外线和高能量的电磁辐射的独特性能,在低温环境条件下能够保持其性能不发生变化,还具有非常好的耐酸性。有关专家指出,由于玄武岩矿物质是火山活动的产物,加工成纤维的过程中,可能释放的热量气体已在早前的岩浆喷发过程中释放完毕,所有,玄武岩经熔化制成纤维过程中比玻璃纤维更为环保与安全。

纤维最佳掺量

按照部颁规范的相关试验规定,沥青混凝土的玄武岩纤维的最佳掺量,经反复试验得出,其分别为:0,0.1%,0.3%,0.5%的掺量。在最佳油石比条件下,AC-13C类型沥青混合料进行车辙试验。

根据以上试验数据可以绘制沥青混合料的动稳定度与纤维掺量的关系曲线。一般来说,沥青混凝上混合料的结构类型属于密实悬浮型结构,其空隙率为3%~5%。混合料中各个粒级的集料都有,由于粗集料较少,难以形成支撑结构的骨架,所以,这种类型结构的沥青混合料热稳定性较差,因此,这里把沥青混凝土的混合料的高温稳定性能指标作为判定玄武岩纤维最佳掺量的标准,也就是以混合料车辙试验的结果来确定玄武岩纤维的最佳掺量。

试验结果综合分析可知:

(1)沥青混凝土随着纤维掺量的增加,混合料的动稳定度先增加而后减少,在玄武岩纤维掺量为0.3%时,混合料的动稳定度出现了峰值。大量实验证明,掺加了玄武岩纤维的沥青混合料的动稳定度均有所提高,这主要是因为玄武岩纤维的掺入有效地阻止了沥青混合料集料间的相对滑移,且增强了沥青混合料的整体性;沥青混合料动稳定度峰值对应的就是玄武岩纤维的最佳掺量,纤维最佳掺量对应的混合料高温稳定性的影响也是最佳的,只有在此最佳掺量条件下,纤维最佳掺量的掺入对沥青性能的稳定作用和对沥青混合料的加筋作用才能达到最大值。

(2)沥青混合料不能随意的增加玄武岩纤维的掺量,假若纤维掺量过高,不但不能对沥青混合料起到加筋和稳定作用,还会浪费材料资源,同时还增加了施工造价。有前述所知,沥青混合料掺入纤维后,动稳定度明显得到了改善提高。混合料的高温变形,是由集料间的相对滑移引起的,掺加纤维使得纤维与细集料混合料结构中形成了有效的网络结构,对沥青起到了稳定作用,有效的阻碍和约束了集料的滑移作用,减小了沥青混合料的剪切变形和竖向变形的产生,提高了沥青混合料的动稳定度。

(3)沥青混合料掺加了0.3%的短切玄武岩纤维后的动稳定度,比不掺加玄武岩纤维的混合料提高了约29%;玄武岩纤维掺加量为0.5%时,沥青混合料的动稳定度不但提高幅度不明显,还有降低的趋势,这主要是因为玄武岩纤维掺量过高时,沥青混合料与玄武岩纤维将难以拌和均匀,而且掺加了玄武岩纤维的沥青混合料的成本也会有所增加,经过上述分析,在沥青混合料中玄武岩纤维的最佳掺量为:0.3%。

最佳适用长度

沥青混合料掺加玄武岩纤维最佳适用长度,要通过以下试验来确定:车辙试验和低温弯曲试验。在沥青混合料纤维最佳掺量和油石比最佳条件下,通过比较沥青混合料掺加玄武岩纤维3mm,6mm,9mm等3种长度的高温稳定性和低温抗裂性,从而确定沥青混合料掺加玄武岩纤维的最佳适合长度。

高温稳定性能分析

据玄武岩纤维的吸油率实验可知,一旦沥青混合料掺加纤维类型确定,其物理性能常数也就固定下来,鉴于此条件,纤维的吸油量取决于其掺加数量。纤维掺量相同,纤维长度不同,对沥青混合料的最佳油石比影响甚微。因此,对于沥青混合料掺加3mm,6mm,9mm等3种长度的玄武岩纤维,纤维的最佳掺量都是0.3%,混合料的最佳油石比都是5.0%。按照上述条件进行车辙试验。

可知:沥青混合料玄武岩纤维的加入对其动稳定度的改善效果十分明显,掺加玄武岩纤维后动稳定度均比素沥青混凝土高,最多可以提高34.2%;掺加长6mm纤维的沥青混合料动稳定度最高,而掺加长9mm纤维比掺加长6mm纤维的沥青混合料的动稳定度要低,这是因为随着掺加纤维长度的增加,纤维的分散性降低;所以,选择合适的纤维掺加长度对于发挥纤维的作用是十分有益的。

看出:随着玄武岩纤维长度的增加,沥青混合料的动稳定度先变大,当纤维长度达到一定值后,由于纤维长度过长,沥青混合料中纤维的分散性能会受到影响,使得沥青混合料的动稳定度不但不增大,反而逐渐减小。

低温抗裂性能分析

由于沥青具有较强的温度敏感性,随着大地环境温度的逐渐下降,沥青混合料的强度逐渐增大,而允许混合料变形的弹性能力降低,这就容易出现沥青混合料的脆性破坏,在低温季节沥青混凝土路面裂缝往往会出现。

对于沥青混合料低温开裂性能评价的方法很多,有低温弯曲蠕变试验、低温弯曲试验、应力松弛试验、沥青混合料脆化点试验等。

采用万能材料试验机进行小梁的低温弯曲试验,用以评价玄武岩纤维沥青混合料低温抗裂性能。试验试件成型尺寸为mm×mm×50mm,车辙板采用轮碾法制作,马歇尔标准击实密度控制车辙板的密实度在的±1%范围内。并将车辙板切割成尺寸为mm×30mm×35mm的小梁试件,按照3种掺加纤维长度,各自分别制备8个试验试件。在-10℃环境中将小梁试件养护5h以上,而后在万能材料试验机上进行小梁3点弯曲试验,加载速度为50mm/min。

我国现行路面材料性能规范规定,是以沥青混合料的破坏应变作为低温抗裂性能控制指标。沥青混合料试件在荷载作用下,发生破坏时的抗弯拉应变越大,就充分说明沥青混合料的低温抗裂性就越好,同时也反映了沥青胶结材料本身的低温性能。

可知,沥青混合料掺入玄武岩纤维可以改善和提高其低温抗弯拉强度,沥青混合料掺入长3mm的玄武岩纤维后,抗弯拉强度提高了5.8%;沥青混合料掺入长6mm的玄武岩纤维后,抗弯拉强度提高了13.0%;沥青混合料掺入长9mm的玄武岩纤维后,抗弯拉强度提高了5.4%。可以看出,沥青混合料掺加纤维量为0.3%且纤维长为6mm的弯拉强度提高的百分比最大,沥青混合料抗弯拉强度随着掺加的玄武岩纤维长度的增加先是增大后是减小,这也充分说明适当的增加掺加的玄武岩纤维长度,有益于发挥纤维高抗拉强度的优点,使纤维在沥青混合料中的交织作用力增强;但特别注意,纤维长度不能过分增长,如若纤维长度增加幅度过大,就会造成纤维在沥青混合料中的分散性减弱,这时,掺加玄武岩纤维的沥青混合料其抗弯拉强度不但不会增加,还会使其降低,这是因为纤维的分散不均匀而造成的,同时也会影响掺加玄武岩纤维沥青混合料的其它方面的力学性能。

通过对沥青混合料掺加不同长度玄武岩纤维后的高温稳定性和低温抗裂性的比较,当沥青混合料掺加玄武岩纤维,在纤维最佳掺量和油石比最佳条件下,掺加长6mm玄武岩纤维的沥青混合料,不论是高温稳定性,还是低温抗裂性,两者都处于最佳状态,所以,确定沥青混合料掺加玄武岩纤维的最佳适用长度为6mm。

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