玄武巖纖維瀝青膠漿及混合料的低溫性能關(guān)聯(lián)性

李震南，申愛琴，郭寅川，吳 華

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

低溫開裂是瀝青路面常見的病害之一，而瀝青膠漿及混合料的低溫性能是影響瀝青路面低溫開裂的重要因素[1-2].玄武巖纖維(BF)作為一種新型環(huán)保路面材料，具有模量高、耐久性好、與瀝青相容性好等優(yōu)點，對瀝青膠漿及混合料的低溫性能有良好的改善作用[3-4].Davar等[5]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能提高瀝青混合料的低溫變形能力，減少瀝青路面開裂.Tanzadeh等[6]認為玄武巖纖維能顯著提高瀝青混合料的強度.吳萌萌等[7]研究表明在合理摻量下玄武巖纖維能改善瀝青膠漿的低溫抗裂性，但纖維摻量過大會對其抗裂性產(chǎn)生不利影響.馬立杰等[8]研究表明玄武巖纖維能增加高模量瀝青的柔韌性和強度，并對其作用機理進行了初步探究.覃瀟等[9]認為玄武巖纖維瀝青膠漿及混合料的路用性能具有良好的相關(guān)性，但未對其低溫指標(biāo)進行關(guān)聯(lián)性分析.以上研究主要集中于玄武巖纖維瀝青膠漿(BFAM)或混合料的低溫性能，未對兩者間的關(guān)聯(lián)性進行定量分析，更缺乏玄武巖纖維對瀝青低溫性能改善機理的深入研究.此外，針對纖維瀝青膠漿的低溫性能，目前尚未有統(tǒng)一的評價方法和評價指標(biāo).

基于此，本文通過拉伸試驗研究了BFAM的低溫性能，并提出了多種評價指標(biāo)；采用低溫彎曲試驗評價了玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能，并對兩者的關(guān)聯(lián)性進行定量分析；同時對BFAM相態(tài)變化及玄武巖纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)進行測試與表征，深入分析了BF對瀝青膠漿及混合料低溫性能的改善機理，為玄武巖纖維瀝青路面的發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐.

1 試驗

1.1 原材料

瀝青為盤錦90#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1；纖維為浙江石金公司生產(chǎn)的玄武巖纖維(BF)短切絲，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2；粗集料為玄武巖碎石，細集料為石灰?guī)r碎石，填料為石灰?guī)r礦粉，原材料各項性能均滿足要求.

表1 瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 BF的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計

采用AC-13型瀝青混合料，其級配見表3.采用馬歇爾法確定不同玄武巖纖維摻量(1)文中涉及的摻量、油石比、粉膠比等均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.wBF下的最佳油石比(mA/mS)，結(jié)果見表4.

表3 瀝青混合料級配組成

表4 不同BF摻量下的最佳油石比

1.3 試驗方法

1.3.1拉伸試驗

將瀝青加熱至(165±5)℃，加入礦粉(粉膠比為1∶2)，拌和后加入相應(yīng)摻量的BF并攪拌均勻，在玻璃板上成型厚度均勻的BFAM板狀試件，試件尺寸為15cm×12cm.試驗前將試件分別在-10、-20℃ 下保溫3h后，在低溫環(huán)境箱內(nèi)進行拉伸試驗.MTS試驗機拉伸速度為10mm/min，當(dāng)拉力衰減為極限拉力(Fu)的50%時停止試驗，得到試件的荷載-位移(F-δ)曲線.典型的F-δ曲線見圖1.

圖1 典型的F-δ曲線Fig.1 Typical F-δ curve

通過拉伸試驗測試BFAM的極限拉力，以此表征膠漿在不同低溫環(huán)境下的抗裂性能.另外，纖維膠漿的變形能力對其抗裂性能也有較大影響，因此引入拉伸斷裂能U(達到極限拉力前荷載-位移曲線面積，即圖1中陰影部分面積)來綜合評價膠漿的低溫性能，纖維膠漿拉伸斷裂能U為：

(1)

式中：δ0為極限拉力對應(yīng)的位移，m.

1.3.2低溫彎曲試驗

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，分別在-10、-20℃下進行瀝青混合料的彎曲試驗，并計算不同BF摻量下混合料的彎拉強度(RB)、彎拉應(yīng)變(εB)和應(yīng)變能密度(dW/dV)，以此評價瀝青混合料的低溫性能.

1.3.3灰色關(guān)聯(lián)度計算方法

灰色關(guān)聯(lián)度作為一種多屬性決策工具，通過計算主序列(目標(biāo)值)與子序列(影響因素)之間的關(guān)聯(lián)度，并對關(guān)聯(lián)度進行排序，從而尋找影響主序列的主要因素，計算步驟如下[10].

(1)對各子序列進行均值化處理，得到參考序列：

(2)

(2)計算比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù):

(3)

Δi(k)=|X′0(k)-X′i(k)|

(4)

(3)計算關(guān)聯(lián)度γi:

(5)

若子序列X′i(k)與比較序列X′0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)γi越大，說明X′i(k)對X′0(k)的影響越大.

2 結(jié)果與討論

2.1 BFAM的低溫性能

BFAM的極限拉力和拉伸斷裂能分別見圖2、3.由圖2、3可見：BFAM在-10℃下的極限拉力和拉伸斷裂能隨著纖維摻量wBF的增大而增加，但其增長幅度逐漸變緩慢；隨纖維摻量增加，BFAM在-20℃下的極限拉力和拉伸斷裂能出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在0.4%摻量下其極限拉力和拉伸斷裂能均達到最大值；與普通瀝青膠漿(玄武巖纖維摻量為0%)相比，玄武巖纖維對瀝青膠漿的低溫性能具有明顯的增強效果，在0.4%摻量時-10℃下BFAM的極限拉力是普通瀝青膠漿的5.4倍，-20℃下其極限拉力、拉伸斷裂能分別是普通瀝青膠漿的5.6、4.6倍.

圖2 BFAM的極限拉力Fig.2 Ultimate tension of BFAM

圖3 BFAM的拉伸斷裂能Fig.3 Tensile fracture energy of BFAM

在瀝青基體受拉應(yīng)力時，玄武巖纖維與基體共同受力，且其具有較高的抗拉強度和斷裂伸長率，因此能大幅度提高瀝青膠漿的極限拉力和拉伸斷裂能.當(dāng)玄武巖纖維摻量過多時，纖維束無法分散為均勻的纖維絲，降低了瀝青對纖維的裹覆程度，纖維與瀝青無法形成均勻、穩(wěn)定的整體，從而削弱玄武巖纖維的增強效果，宏觀表現(xiàn)為低溫指標(biāo)降低或增幅變緩[11].

2.2 玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能

瀝青混合料的彎拉應(yīng)變εB、彎拉強度RB與應(yīng)變能密度dW/dV見圖4、5.由圖4可見：隨玄武巖纖維摻量增加，低溫下瀝青混合料的彎拉應(yīng)變先增大后減小；當(dāng)玄武巖纖維摻量由0%增加至0.2%、0.3%和0.4%時，-10℃下瀝青混合料的彎拉應(yīng)變分別增加了8.0%、18.3%和19.0%，-20℃下混合料的彎拉應(yīng)變分別增加了9.0%、15.5%和25.0%;當(dāng)纖維摻量增加至0.5%時，混合料的彎拉應(yīng)變出現(xiàn)減小的趨勢；與普通瀝青混合料相比，-10、-20℃下BF摻量為0.4%的瀝青混合料彎拉應(yīng)變增幅分別為19.0%、25.0%，即隨溫度降低瀝青混合料的彎拉應(yīng)變增幅變大.由此表明，在合理的玄武巖纖維摻量下混合料對低溫環(huán)境有較強的適應(yīng)性.由圖5可見：玄武巖纖維瀝青混合料的彎拉強度、應(yīng)變能密度與其彎拉應(yīng)變有相同的變化規(guī)律，均在玄武巖纖維摻量為0.4%摻量時達到峰值.

圖4 瀝青混合料的彎拉應(yīng)變Fig.4 Bending strain of asphalt mixtures

圖5 瀝青混合料的彎拉強度和應(yīng)變能密度Fig.5 Bending strength and strain energy density of asphalt mixtures

普通瀝青混合料的裂縫發(fā)展過程見圖6.彎曲試驗加載過程中：初期普通瀝青混合料和玄武巖纖維瀝青混合料均未發(fā)生破壞，玄武巖纖維的增強作用不明顯；隨荷載的持續(xù)增加，荷載和變形超過普通瀝青混合料的極限后，普通混合料底部出現(xiàn)裂縫并向上擴展，見圖6(a)；接著裂縫會快速發(fā)展，最終形成貫穿裂縫，導(dǎo)致試件的整體破壞，見圖6(b).

玄武巖纖維瀝青混合料在彎曲試驗加載初期，其所受荷載較小，玄武巖纖維與混合料基體作為一個整體共同承受荷載作用，并通過纖維-瀝青界面的黏結(jié)作用將應(yīng)力傳遞至纖維.彎曲試驗加載過程中：在玄武巖纖維瀝青混合料中，首先是橫跨在微裂縫或薄弱部位兩側(cè)的橋接纖維承受荷載作用，約束微裂紋的發(fā)展；隨著荷載的繼續(xù)增加，玄武巖纖維瀝青混合料內(nèi)部的微裂縫逐漸擴展，成為宏觀裂縫，此時混合料內(nèi)部的玄武巖纖維承受更大的荷載應(yīng)力，減慢開裂速度，混合料仍具有較強的承載能力；隨著荷載不斷增長，瀝青混合料底部的玄武巖纖維不斷被拉伸、拔出，位置偏上的玄武巖纖維開始承受荷載作用，進一步提高混合料的抗裂性能.當(dāng)玄武巖纖維瀝青混合料達到承載能力的極限后，裂縫失穩(wěn)擴展，玄武巖纖維被拔出、脫膠、拉斷等，混合料的承載能力降低.玄武巖纖維拔出、拉斷等過程同樣消耗能量，因此與普通混合料相比，玄武巖纖維瀝青混合料具有較高的彎拉強度、彎拉應(yīng)變和應(yīng)變能密度.

圖6 普通瀝青混合料裂縫發(fā)展過程Fig.6 Crack development process of ordinary asphalt mixture

此外，玄武巖纖維的增強效果與其摻量密切相關(guān)：當(dāng)玄武巖纖維摻量過小時，對瀝青混合料的增強效果不明顯；當(dāng)玄武巖纖維摻量過多時，纖維難以均勻分散，纖維結(jié)團、卷曲，纖維絲相互重疊，形成受力薄弱面，降低混合料的抗裂性能.

2.3 關(guān)聯(lián)性分析

由BFAM及混合料的低溫性能試驗結(jié)果可知，玄武巖纖維摻量對BFAM及混合料有相似的影響規(guī)律，但目前兩者低溫指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性鮮有報道.JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中主要以-10℃時的彎拉應(yīng)變來評價瀝青混合料的低溫性能，此外，中國北方季凍區(qū)及重冰凍區(qū)冬季氣溫遠遠低于-10℃，因此本文以-10、-20℃ 下各纖維摻量的玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變?yōu)楸容^序列，分析各子序列(-10℃ 和-20℃ 下BFAM的極限拉力和拉伸斷裂能)與比較序列的關(guān)聯(lián)度，計算結(jié)果見表5.

表5 BFAM的低溫性能指標(biāo)與玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

由表5可見：BFAM低溫性能指標(biāo)與玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變的灰色關(guān)聯(lián)度排序依次為：-20℃拉伸斷裂能>-20℃極限拉力>-10℃拉伸斷裂能>-10℃極限拉力.-20℃時BFAM的拉伸斷裂能與玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變的關(guān)聯(lián)程度最大.因此在以后研究中，應(yīng)采用-20℃下瀝青膠漿的拉伸斷裂能評價玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能，并可以通過該指標(biāo)初步優(yōu)選纖維規(guī)格.

2.4 BFAM的相態(tài)變化分析

為深入研究BFAM性能的改善機理，采用差示掃描量熱(DSC)分析法探討B(tài)FAM在受熱過程中的相態(tài)變化，最佳玄武巖纖維摻量(0.4%)下BFAM及普通瀝青膠漿的DSC曲線見圖7.

由圖7可見：BFAM的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比普通瀝青膠漿低3.75℃，意味著BFAM處于高彈態(tài)的溫度范圍更大，其在低溫環(huán)境下具有更好的黏彈性；BFAM的彈流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度與普通瀝青膠漿相差不大，但在相態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，BFAM的吸熱量高于普通瀝青膠漿，吸熱量增加0.1525J/g.在高彈態(tài)與黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中，BFAM需要吸收更多的熱量以完成相態(tài)變化，因此其具有良好的熱穩(wěn)定性.玄武巖纖維絲直徑為6～9μm，具有較大的比表面積，能吸附瀝青中的輕質(zhì)組分，使在轉(zhuǎn)化溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生相態(tài)變化的分子數(shù)量減少，從而使瀝青膠漿具有良好的低溫性能和熱穩(wěn)定性.

圖7 BFAM和普通瀝青膠漿的DSC曲線Fig.7 DSC curves of BFAM and ordinary asphalt mortar

2.5 玄武巖纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電鏡(SEM)測試了普通瀝青混合料和玄武巖纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)，如圖8所示.

由圖8可見：普通瀝青混合料內(nèi)部連接較薄弱，集料與瀝青間存在不同程度的剝離，其整體性較差；玄武巖纖維瀝青混合料具有較好的整體性，瀝青、纖維和礦料連接成一體，無明顯的剝離現(xiàn)象.究其原因，主要是玄武巖纖維對瀝青有較強的吸附作用，使瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青增多，自由瀝青減少，瀝青膜厚度增加，從而提高集料與瀝青間的黏結(jié)力，增強了混合料的整體性，因此其性能優(yōu)于普通瀝青混合料.

玄武巖纖維在瀝青混合料中的分散狀態(tài)見圖9.由圖9(a)可見：玄武巖纖維縱橫交錯，相互重疊，形成致密結(jié)構(gòu).當(dāng)瀝青混合料受力變形時，玄武巖纖維結(jié)構(gòu)分散和傳遞應(yīng)力，有效地避免了應(yīng)力集中，使混合料的受力和變形更均勻.

圖8 玄武巖纖維瀝青混合料和普通瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of basalt fiber asphalt mixture and ordinary asphalt mixture

圖9 玄武巖纖維在瀝青混合料中的分散狀態(tài)Fig.9 Dispersion state of BF in asphalt mixture

由圖9(b)可見：玄武巖纖維跨越孔隙及裂紋，形成橋接纖維，約束裂紋的發(fā)展.當(dāng)荷載作用時，橫跨在微裂紋處的玄武巖纖維承受應(yīng)力；隨荷載持續(xù)作用，玄武巖纖維被拉斷或拔出，裂縫才能進一步擴展.通過玄武巖纖維的加筋阻裂作用，延緩裂紋的擴展，從而提高瀝青混合料的抗裂性.

3 結(jié)論

(1)BFAM與混合料的低溫性能有良好的關(guān)聯(lián)性，-20℃下BFAM的拉伸斷裂能與混合料的彎拉應(yīng)變關(guān)聯(lián)度最大，推薦采用-20℃下BFAM的拉伸斷裂能來評價玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能.

(2)基于低溫性能推薦玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%，-20℃下最佳玄武巖纖維摻量BFAM的拉伸斷裂能是普通瀝青膠漿的4.6倍，-10、-20℃ 下玄武巖纖維瀝青混合料的彎拉應(yīng)變比普通瀝青混合料分別提高19.0%、25.0%.

(3)BFAM具有良好的低溫性能和熱穩(wěn)定性，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比普通瀝青膠漿低3.75℃，從高彈態(tài)到黏流態(tài)轉(zhuǎn)化過程中吸熱量增加0.1525J/g.

(4)普通瀝青混合料內(nèi)部連接較薄弱，集料與瀝青間剝離嚴重，摻入玄武巖纖維增強了瀝青混合料的整體性，同時玄武巖纖維能承受和傳遞應(yīng)力，約束裂紋擴展，從而改善瀝青混合料的抗裂性.