基于凍融損傷的玄武巖纖維瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

王春陽

（鄭州市公路工程公司，河南鄭州450009）

玄武巖纖維是玄武巖礦石經(jīng)高溫拉絲工藝制備的新型材料，具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)的特點(diǎn)，玄武巖纖維瀝青混合料作為一種新型道路復(fù)合材料近年來被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)工程中，能夠提升瀝青混合料的抗疲勞性能，緩解路面病害問題，延長道路使用壽命[1-3]。根據(jù)路面結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)不同，玄武巖纖維還可以應(yīng)用于再生瀝青混凝土路面、超薄磨耗層路面等，都具有較好的路用性能表現(xiàn)[4]。我國北方地區(qū)冬季寒冷，路表溫度常低于零下10℃，在雨雪交替天氣環(huán)境下，路表會(huì)經(jīng)受往復(fù)的凍融損傷[5-6]。余地[7]將摻不同纖維的瀝青混合料進(jìn)行凍融損傷試驗(yàn)研究，結(jié)果表明SMA-13 級(jí)配的玄武巖瀝青混合料經(jīng)多次循環(huán)凍融損傷后具有較好的抗開裂性能；王子拓等[8]結(jié)合凍融循環(huán)試驗(yàn)研究了瀝青混合料抵抗水損傷的性能，建立了凍融損傷次數(shù)與混合料內(nèi)部孔隙發(fā)展趨勢的關(guān)聯(lián)。譚憶秋等[9-10]采用抗壓回彈模量作為評價(jià)使用壽命的指標(biāo)，建立了凍融損傷條件下瀝青混合料壽命模型。研究玄武巖纖維瀝青路面在凍融環(huán)境下的路用性能表現(xiàn)，能夠揭示玄武巖纖維瀝青混合料性能演變規(guī)律，對于延長道路綜合使用質(zhì)量具有重要意義。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 集料與填料

研究采用的粗細(xì)集料均為山西運(yùn)城產(chǎn)的石灰?guī)r，集料表面潔凈無雜質(zhì)，大小顆粒分布較均勻，集料與填料的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.2 瀝青

研究采用的瀝青為SBS 改性瀝青，對其進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測定，結(jié)果見表1 所示，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

1.3 玄武巖纖維

研究采用的玄武巖纖維為吉林產(chǎn)的短切玄武巖纖維，長度為9mm，產(chǎn)品質(zhì)量滿足公路工程玄武巖纖維及其制品要求。

表1 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of SBS modified asphalt

1.4 配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括原材料的選擇、級(jí)配設(shè)計(jì)和最佳油石比的確定，關(guān)于原材料的選擇，一般根據(jù)施工項(xiàng)目拌和樓設(shè)定要求進(jìn)行集料的分倉管理，集料根據(jù)粒徑大小進(jìn)行分類存儲(chǔ)。SMA-13 級(jí)配也叫瀝青馬蹄脂碎石材料，是高等級(jí)公路長使用的面層級(jí)配，具有較好的抗車轍變形能力。SMA-13 瀝青混合料級(jí)配的設(shè)計(jì)組成結(jié)果如圖1 所示。

圖1 SMA-13 級(jí)配曲線圖Fig. 1 SMA-13 grading curve

當(dāng)?shù)V料間隙率及瀝青飽和度等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，選取較高空隙率水平的3.71% 所對應(yīng)的油石比6.2%為最佳設(shè)計(jì)油石比，其馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表2 所示。

表2 SMA-13 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Marshall test results of SMA-13 asphalt mixture

2 玄武巖纖維瀝青混合料凍融損傷試驗(yàn)研究

對玄武巖纖維瀝青混合料進(jìn)行凍融損傷試驗(yàn)研究，該凍融損傷主要是將不同性能測試的試件經(jīng)15min 真空壓縮后，在常溫水浴池中進(jìn)行半個(gè)小時(shí)的飽水，然后將飽水后的試件放入-10℃的恒溫箱中冷凍24h，達(dá)到規(guī)定的冷凍時(shí)間后將試件放入60℃的水浴箱中進(jìn)行30min 的解凍，此為1 個(gè)凍融損傷循環(huán)過程。研究分別對不同凍融損傷次數(shù)下（1 次～10 次）的玄武巖纖維瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與普通瀝青混合料凍融損傷后的性能進(jìn)行對比，探究凍融損傷條件下玄武巖纖維瀝青混合料的衰變規(guī)律。

2.1 穩(wěn)定度試驗(yàn)

馬歇爾穩(wěn)定度是瀝青混合料質(zhì)量檢測的關(guān)鍵指標(biāo)，馬歇爾穩(wěn)定度值與混合料的抗水損傷性能有關(guān)，研究對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的玄武巖纖維瀝青混合料和普通瀝青混合料穩(wěn)定度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)根據(jù)規(guī)范JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的具體要求進(jìn)行，穩(wěn)定度加載速率為50mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖3 所示。

圖2 穩(wěn)定度值衰變曲線Fig. 2 Decay curve of stability value

圖3 穩(wěn)定度值損失率曲線Fig. 3 Loss rate curve of stability value

由圖2～圖3 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料內(nèi)部經(jīng)受了水損傷和凍融損傷等復(fù)雜多變環(huán)境，瀝青混合料的穩(wěn)定度也在逐漸減小，凍融循環(huán)4 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度值達(dá)到10.12kN，普通瀝青混合料的穩(wěn)定度值達(dá)到8.31kN，相差1.81kN；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度值相比普通瀝青混合料高出2.11kN，兩者的下降速率相接近。而從穩(wěn)定度值的損失率來看，普通瀝青混合料的穩(wěn)定度值損失率要明顯高于普通瀝青混合料，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度值損失率為52.78%，普通瀝青混合料的穩(wěn)定度值損失率為64.96%。玄武巖纖維是礦石經(jīng)高溫拉絲工藝成型的纖維制品材料，與瀝青混合料混合攪拌過程中纖維不斷的分散和填充，在混合料內(nèi)部形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升了瀝青混合料的整體性。

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)是將瀝青混合料試件經(jīng)萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測定的力學(xué)表征試驗(yàn)，測試得到的指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度，可以反應(yīng)路面材料抵抗高溫環(huán)境下車轍變形的能力。研究對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的馬歇爾試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)控制溫度為50℃±0.5℃，加載速率為 2mm/min，試驗(yàn)研究結(jié)果如圖4～圖5 所示。

圖4 單軸壓縮強(qiáng)度衰變曲線Fig. 4 Decay curve of uniaxial compression strength

圖5 單軸壓縮強(qiáng)度損失率曲線Fig. 5 Loss rate curve of uniaxial compression strength

由圖4～圖5 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的單軸壓縮強(qiáng)度也在不斷減小，凍融循環(huán)4 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的單軸壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.61MPa，普通瀝青混合料的單軸壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.44MPa，相差0.17MPa；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的單軸壓縮強(qiáng)度相比普通瀝青混合料高出0.34MPa，是凍融循環(huán)4 次時(shí)兩種瀝青混合料單軸壓縮強(qiáng)度差值的兩倍。而單軸壓縮強(qiáng)度損失率方面，在凍融循環(huán)次數(shù)4 次以內(nèi)時(shí)，兩種瀝青混合料的強(qiáng)度損失率較為接近，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到4 次以上時(shí)，普通瀝青混合料的強(qiáng)度損失率急劇增長，而玄武巖纖維瀝青混合料的強(qiáng)度損失率緩慢增長。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí)，普通瀝青混合料的強(qiáng)度損失率為65.81%，玄武巖纖維瀝青混合料的強(qiáng)度損失率為51.86%，這與混合料穩(wěn)定度值的損失率變化趨勢相一致。

2.3 低溫抗裂試驗(yàn)

瀝青混合料的低溫性能是抵抗低溫收縮裂縫的能力，研究采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)來評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。試件尺寸為250mm×30mm×35mm，對小梁在低溫環(huán)境下開裂破壞時(shí)的荷載進(jìn)行分析，試驗(yàn)控制溫度為-10℃±0.5℃，加載速率為50mm/min，試驗(yàn)研究結(jié)果如圖6～圖7 所示。

圖6 開裂荷載衰變曲線Fig. 6 Cracking load decay curve

圖7 開裂荷載損失率曲線Fig. 7 Curve of cracking load loss rate

如圖6～圖7 所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，瀝青混合料的在開裂破壞時(shí)達(dá)到的荷載也在不斷減小，凍融循環(huán)4 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載達(dá)到1.94kN，普通瀝青混合料的開裂荷載達(dá)到1.79kN，相差0.15kN；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載相比普通瀝青混合料高出0.45kN，是凍融循環(huán)4 次時(shí)兩種瀝青混合料開裂荷載差值的3 倍。而瀝青混合料在開裂對應(yīng)荷載的損傷率來看，在凍融循環(huán)次數(shù)4 次以內(nèi)時(shí)，兩種瀝青混合料開裂荷載的損失率變化情況較為接近，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到4 次以上時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載損失率遠(yuǎn)小于普通瀝青混合料。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí)，普通瀝青混合料的開裂荷載損失率為68.35%，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載損失率為53.43%。玄武巖纖維均勻分散在瀝青混合料中，在起到加筋裹附的作用時(shí)，還發(fā)揮了增韌阻裂的功效，試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維瀝青混合料在凍融循環(huán)環(huán)境下的低溫抗開裂性能要優(yōu)于普通瀝青混合料。

2.4 疲勞性能

抗疲勞性能是表征瀝青混合料抵抗路面力學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，路面材料的抗疲勞性能好可以體現(xiàn)路面材料的服役時(shí)間較長，對瀝青混合料的抗疲勞性能進(jìn)行研究，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲小梁試驗(yàn)，選擇650 微應(yīng)變?yōu)榭刂茀?shù)進(jìn)行加載測試，試驗(yàn)條件為溫度15℃±0.5℃，加載頻率為10Hz±0.1Hz。試驗(yàn)結(jié)果如圖8～ 圖 9 所示。

圖8 疲勞壽命衰變曲線Fig. 8 Fatigue life decay curve

圖9 疲勞壽命損失率曲線Fig. 9 Fatigue life loss rate curve

由圖8～圖9 可知，隨著瀝青混合料凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的疲勞壽命也在逐漸降低，但玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞壽命要遠(yuǎn)高于普通瀝青混合料，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到4 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞壽命達(dá)到11.86 萬次，而普通瀝青混合料僅有7.52萬次，而凍融循環(huán)達(dá)到10 次時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞壽命為7.67 萬次，而普通瀝青混合料的疲勞壽命僅為4.59 萬次，玄武巖纖維在起到增韌阻裂作用的同時(shí)，不斷提升瀝青混合料其使用質(zhì)量、延長其疲勞壽命。在疲勞壽命損失率結(jié)果來看，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料疲勞壽命損失率也在不斷增加，損失率增長速度呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢。瀝青混合料在經(jīng)受凍融損傷的作用時(shí)，疲勞壽命下降速率較快，待混合料的疲勞壽命達(dá)到臨界點(diǎn)后，凍融損傷對其劣化影響較小，混合料的疲勞壽命處于緩慢下降階段。

3 玄武巖纖維瀝青混合料凍融損傷演變規(guī)律

上述研究表明，玄武巖纖維瀝青混合料與普通瀝青混合料相比具有較大的優(yōu)越性，尤其在低溫抗開裂和疲勞性能等方面發(fā)揮較大作用。研究對不同凍融循環(huán)次數(shù)下玄武巖纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度、單軸抗壓強(qiáng)度、開裂荷載和疲勞壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究認(rèn)為不同表征參數(shù)在性能損失率方面具有較強(qiáng)的一致性，能夠說明混合料在凍融環(huán)境下隨凍融次數(shù)增加性能衰變的規(guī)律過程。本文對上述四種試驗(yàn)獲取的性能損失率結(jié)果進(jìn)行散點(diǎn)分布及曲線擬合如圖10～圖12 所示。

圖10 玄武巖纖維瀝青混合料性能衰變擬合曲線Fig. 10 Performance decay curve of basalt fiber asphalt mixture

圖11 普通瀝青混合料性能衰變擬合曲線Fig. 11 Performance decay curve of common asphalt mixture

圖12 兩種瀝青混合料性能衰變擬合曲線Fig. 12 Performance decay curve of two asphalt mixtures

如圖10～圖12 所示，玄武巖纖維瀝青混合料的性能損失率散點(diǎn)分布較為分散，對其進(jìn)行曲線擬合后，R2為0.9741，二元一次擬合方程擬合結(jié)果較為良好。而普通瀝青混合料性能損失率散點(diǎn)分布較為集中，主要沿?cái)M合曲線兩側(cè)分布。二者均能較好反應(yīng)瀝青混合料隨凍融次數(shù)增加的性能衰退演變過程，而兩條擬合曲線相比較，普通瀝青混合料的性能衰變擬合曲線位于玄武巖纖維瀝青混合料擬合曲線上方，兩條曲線隨凍融損傷次數(shù)的增加，曲線間的離差也逐漸增大。而標(biāo)記陰影圖層的面積大小則表征玄武巖纖維混合料較普通瀝青混合料性能提升的多少，研究表明玄武巖纖維摻入瀝青混合料中能夠提升材料的綜合使用性能，尤其在凍融循環(huán)作用下也能減低性能衰退的速率。

4 結(jié)語

以玄武巖纖維瀝青混合料和普通瀝青混合料為研究對象，探究了不同凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料在穩(wěn)定度、單軸抗壓強(qiáng)度、低溫抗裂及疲勞壽命的性能衰變規(guī)律。研究表明，玄武巖纖維以三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分散在瀝青混合料中，能夠全面提升混合料的整體性和均勻性，隨著凍融循壞次數(shù)的增加，玄武巖纖維瀝青混合料仍然能夠延緩混合料性能的下降速率，適用于高海拔和存在凍融循環(huán)損傷嚴(yán)寒地區(qū)，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。