竹纖維瀝青混合料的疲勞性能與其作用機理研究

夏超明, 蔣 康, 吳超凡, 吳慶定, 劉克非

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 南方綠色道路研究所，湖南 長沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015；3.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410205)

0 引言

瀝青路面是我國高等級路面的主要形式，因其柔性路面屬性，受車輪荷載的反復(fù)作用后易產(chǎn)生疲勞破壞，表現(xiàn)為沿路面縱向產(chǎn)生裂縫，進而發(fā)展為網(wǎng)裂和龜裂、甚至坑槽。疲勞破壞不僅影響行車舒適度，提高運營與維護成本，還會降低路面使用壽命。已有的研究表明，纖維的加入對瀝青混合料的疲勞性能有顯著地改善[1-2]。當(dāng)前，木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚合物化學(xué)纖維三大類纖維被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料，其中木質(zhì)素纖維因具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較強的吸油能力、低廉的價格等優(yōu)勢應(yīng)用最為普及[3-4]。但是，大部分木質(zhì)素纖維取自原木，其大規(guī)模使用不符合資源節(jié)約的發(fā)展理念，不適宜在快速增長的道路基礎(chǔ)建設(shè)中大范圍應(yīng)用。因此，亟待尋找綠色環(huán)?？稍偕闹参锢w維將其替代。

中國是竹資源最豐富的國家[5]。竹纖維是一種環(huán)保型有機纖維，具有價廉、可回收、可降解、可再生等特性，是替代路用(針葉木)木質(zhì)素纖維的最佳材料之一。因此，利用具有速生特點的竹材替代制備路用木質(zhì)素纖維的針葉木，有利于緩解木材供求矛盾。此外，竹纖維的強度和韌性較高[6]，作為瀝青混合料的增強材料具有明顯優(yōu)勢，若竹纖維可有效改善瀝青路面疲勞性能，其實際應(yīng)用對提高工程性能、降低造價、保護環(huán)境均具有重要意義。

已有眾多國內(nèi)外學(xué)者研究了不同植物纖維瀝青混合料的使用性能。李振霞[7]、雷彤[8]等發(fā)現(xiàn)玉米秸稈纖維和棉秸稈纖維可有效改善瀝青混合料路用性能，2種纖維在改善瀝青混合料性能方面和木質(zhì)素纖維效果相近。劉忠彥[9]等發(fā)現(xiàn)沙生灌木纖維可在低應(yīng)力比條件下改善瀝青混合料的疲勞耐久性。ABIOLA[10]等的研究證明天然植物纖維的加入對瀝青混合料疲勞壽命和結(jié)構(gòu)抗破壞能力均有明顯改善。SHENG[11]等研究發(fā)現(xiàn)竹纖維的使用改善了瀝青混合料的抗車轍能力和低溫開裂性能，與聚合物改性纖維和木質(zhì)素纖維相比，竹纖維的改善效果更優(yōu)。MUNDA[12]等發(fā)現(xiàn)竹纖維可有效改善瀝青瑪蹄脂混合料(SMA)的穩(wěn)定度和流值，且其路用性能可滿足實際工程要求。可以看到，當(dāng)前針對竹纖維瀝青混合料的研究多集中于常規(guī)路用性能，對疲勞性能的研究尚屬空白，缺乏從微觀角度分析竹纖維增強瀝青混合料疲勞性能機理的系統(tǒng)研究。

為分析竹纖維瀝青混合料的疲勞耐久性與其作用機制，本文將從毛竹桿莖中提取的絮狀竹纖維摻入瀝青混合料中，采用四點小梁彎曲疲勞試驗測試其疲勞壽命，并與木質(zhì)素纖維瀝青混合料進行比較分析，然后采用掃描電子顯微鏡(SEM)從微觀角度揭示纖維與混合料之間的作用機理，研究成果可為竹纖維瀝青混合料的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 原材料和試驗方案

1.1 原材料

1.1.1瀝青

所用瀝青為SBS改性瀝青，產(chǎn)自岳陽長嶺煉化公司，其基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS改性瀝青基本技術(shù)指標(biāo)Table 1 Basictechnical indexes of SBS modified asphalt對比內(nèi)容軟化點/℃針入度(25℃)/(0.1 mm)延度(5 ℃)/cm相對密度TFOT后(163 ℃,5 h)質(zhì)量變化/%針入度比/%殘留延度(5 ℃)/cm技術(shù)要求≥6040～60≥20實測≤1.0≥65≥15測試結(jié)果81.148.237.11.030-0.0179.024

1.1.2纖維

試驗所用竹纖維為毛竹桿莖中提取的絮狀纖維，實驗室自制。木質(zhì)素纖維為四川能高威科技有限公司生產(chǎn)的絮狀纖維。各纖維外觀圖見圖1，微觀形貌見圖2。

(a) 木質(zhì)素纖維

(a) 木質(zhì)素纖維 (×1 500)

各纖維基本技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.1.3礦料

本研究中，粗集料為玄武巖碎石，細集料為石灰石屑，礦粉為磨細石灰石粉，各集料具體技術(shù)指標(biāo)見表3～表5。

1.2 配合比設(shè)計

本研究采用SMA-13型瀝青混合料制備試樣測定馬歇爾穩(wěn)定度和疲勞性能，其礦料級配曲線見圖3。

圖3 SMA-13 型瀝青混合料級配曲線

根據(jù)已有研究基礎(chǔ)和規(guī)范JTGF40—2004，采用馬歇爾試驗進行測試，確定木質(zhì)素纖維瀝青混合料和竹纖維瀝青混合料的纖維最佳摻量均為混合料

表2 路用植物纖維基本技術(shù)指標(biāo)Table 2 Basic technical indexes of road plant fiber對比內(nèi)容纖維長度粒度組成灰分/%技術(shù)要求≤6—18±5木質(zhì)素<6—13.30.85 mm篩通過率92%16 竹纖維<5.50.425 mm篩通過率63%19 0.106 mm篩通過率28%15 pH含水率/%耐熱性(210 ℃、2 h,熱失重率)/%吸油率/倍(不小于纖維質(zhì))相對密度實測7.5±1≤5≤67.24.87.30.897.74.75.37.14.55.79.20.9437.34.35.5

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of coarse aggregate對比內(nèi)容壓碎值/%洛杉磯磨耗值 /%磨光值/%表觀相對密度吸水率/%技術(shù)要求≤20≤24≥42≥2.6≤2.0測試結(jié)果9.510.8512.960.67

表4 細集料技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indexes of fine aggregate對比內(nèi)容表觀相對密度砂當(dāng)量/%棱角性/s技術(shù)要求≥2.5≥60≥30測試結(jié)果2.857247

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indexes of mineral powder對比內(nèi)容表觀相對密度含水量/%塑性指數(shù)親水系數(shù)技術(shù)要求≥2.5≤1<4<1測試結(jié)果2.690.43.80.6

質(zhì)量的0.4%，最佳油石比分別為5.9%和6.5%。

1.3 試驗方案

1.3.1疲勞試驗方案

采用四點小梁彎曲疲勞試驗測試?yán)w維瀝青混合料的疲勞壽命。首先采用輪碾法成型板式試塊，然后切割成尺寸為380 mm×63 mm×50 mm的小梁試件(見圖4)。將小梁試件置于15 ℃保溫箱中養(yǎng)生4 h以上。試驗采用MTS-810型萬用材料試驗機進行。測試條件為：測試溫度15 ℃，加載頻率10 Hz，加載波形為連續(xù)正弦波。

圖4 四點彎曲小梁試件

測試中，先測得纖維瀝青混合料試件彎拉破壞時的最大荷載，計算各混合料的抗彎拉強度；然后采用應(yīng)力控制模式測試各混合料的疲勞壽命，應(yīng)力水平分別為0.3、0.4和0.5(見圖5)，各應(yīng)力水平取3個平行試件進行測試，測試結(jié)果取平均值。

圖5 四點小梁彎曲疲勞試驗示意圖

1.3.2SEM測試方案

采用QUANTA FEG 250型SEM觀測纖維增強瀝青混合料的微觀形貌特征，從微觀尺度分析纖維在瀝青混合料中的增強機理[13]。取纖維瀝青混合料彎拉破壞試件的斷面進行SEM測試。取樣時先沿破裂面將試件切割成2 cm(長)× 2 cm(寬)× 1 cm(高)的薄片，將帶有纖維的樣品用鑷子取下，每個試件選取5個樣品。將導(dǎo)電膠粘在試驗臺，用鑷子將樣品粘在導(dǎo)電膠上，然后對其進行噴金處理。電腦控制樣品將其移動到觀察點，確定放大倍數(shù)后截取SEM圖像。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 疲勞性能測試結(jié)果

應(yīng)力控制模式下瀝青混合料的疲勞特性應(yīng)滿足關(guān)系式[14]：

(1)

式中:Nf為疲勞壽命，次;σ0為初始彎拉應(yīng)力,MPa;K、n為由測試確定的疲勞方程參數(shù)。

對公式兩邊取對數(shù)可得：

lgNf=-nlgσ0+lgK

(2)

式中:K表示疲勞測試曲線線位的高低,K值越大，瀝青混合料抗疲勞性能越好;n表示疲勞測試曲線斜率的大小,n值越大，瀝青混合料的疲勞壽命越易受到應(yīng)力的影響。

木質(zhì)素纖維與竹纖維瀝青混合料的疲勞性能測試與分析結(jié)果見表6。

表6 纖維瀝青混合料疲勞性能測試結(jié)果Table 6 Fatigue performance test results of fiber asphalt mixture纖維類型應(yīng)力強度比應(yīng)力水平/MPa疲勞壽命/次疲勞方程參數(shù)0.32.64233 920K=1.570×106木質(zhì)素纖維0.43.5229 626n=3.983 20.54.4034 480R2=0.990 90.32.69332 907K=1.854×106竹纖維0.43.5909 291n=4.096 00.54.4884 093R2=0.995 0注: R2為相關(guān)指數(shù)。

為直觀體現(xiàn)2種纖維混合料的疲勞性能，將2種混合料疲勞壽命與應(yīng)力關(guān)系的雙對數(shù)曲線放入同一坐標(biāo)系進行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同纖維瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)力水平間的關(guān)系

由表6和圖6可知:① 在不同的應(yīng)力水平條件下，2種纖維瀝青混合料的疲勞壽命均與應(yīng)力水平表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，且相關(guān)指數(shù)均在0.99以上，表明2種纖維瀝青混合料均能較好地表征材料的疲勞性能[15]。② 隨著應(yīng)力水平的增大，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。各混合料在0.3、0.4和0.5的應(yīng)力水平下疲勞壽命降低呈現(xiàn)先急速下降再趨于緩和的趨勢。③ 在相同的應(yīng)力水平下，竹纖維瀝青混合料的疲勞壽命與木質(zhì)素纖維混合料相當(dāng)。④ 與木質(zhì)素纖維瀝青混合料的疲勞參數(shù)K值和n值相比，竹纖維瀝青混合料的K值和n值分別提高了18.1%和2.83%，表明竹纖維瀝青混合料具有更好抵抗疲勞重復(fù)荷載的能力，但相對而言對應(yīng)力變化較敏感。

2.2 SEM測試結(jié)果

根據(jù)SEM測試圖片，下面從2個方面分析纖維增強瀝青混合料疲勞性能的作用機理。

2.2.1纖維對瀝青混合料疲勞損傷的阻滯作用

取木質(zhì)素纖維和竹纖維瀝青混合料中纖維與混合料的連接處觀察，其SEM圖像見圖7?？梢钥吹剑罅繛r青附著在了纖維的表面上，纖維根部與混合料連接緊密。雖然纖維的摻量較低，但2種纖維的直徑都很小，因而比表面積較大，這使得數(shù)量眾多、長短不一、在混合料中均勻分散的纖維彼此搭接[9]。疲勞測試過程中，試件在疲勞荷載作用下內(nèi)部萌生裂紋，內(nèi)部初始缺陷處會產(chǎn)生應(yīng)力集中,且微裂縫以較快的速率擴展，荷載的重復(fù)作用使得裂縫更進一步擴大，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[16]。纖維的無規(guī)律分布可在裂紋周圍產(chǎn)生約束作用，從而阻止裂紋的進一步擴散。此外，細長的絲狀路用植物纖維將整個混合料連接起來，在瀝青混合料內(nèi)部集料出現(xiàn)分離時可起到一定拉伸作用來維持整個結(jié)構(gòu)的完整[17]，從而實現(xiàn)纖維對瀝青混合料的阻裂作用。

結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，與木質(zhì)素纖維相比，竹纖維吸油效果更好，且由于竹纖維表面粗糙度更大，對瀝青的吸附作用更強。由圖7可以看出，纖維表面吸附有大量的結(jié)構(gòu)瀝青，其較強的裹覆力可有效改善瀝青與混合料間的界面連接狀態(tài)，從而延緩裂縫的發(fā)展[18]。觀察混合料界面破壞處斷裂的纖維(見圖8)可以看到，纖維的斷口呈現(xiàn)不規(guī)則狀，說明結(jié)構(gòu)破壞時纖維受到了力的作用，屬于拉伸破壞。由于竹纖維表面更粗糙，竹纖維瀝青混合料的油石比更大，其疲勞性能比木質(zhì)素纖維瀝青混合料更優(yōu)。

(a) 木質(zhì)素纖維(×3 000)

圖8 竹纖維斷口形貌(×3 000)

2.2.2纖維對瀝青混合料自愈能力的增強作用

瀝青本身具有一定的微裂縫自愈能力，這對瀝青路面抗疲勞能力具有重要影響[19-20]。纖維的加入可增強瀝青混合料的滯后恢復(fù)能力[21-22]。

從SEM圖像可以看出，纖維與瀝青結(jié)合面表現(xiàn)出良好的過渡，呈面接觸而非點接觸，表明纖維與瀝青混合料之間具有較好的界面黏結(jié)性能。在外荷載作用下，纖維可有效分擔(dān)混合料所受拉應(yīng)力，進而阻礙其發(fā)生形變。由于纖維的抗拉強度比瀝青基體高，當(dāng)外部荷載消失后，纖維瀝青膠漿的黏彈特性使其變形恢復(fù)，從而瀝青混合料自愈[21-22]。從微觀圖像來看(圖7)，竹纖維與木質(zhì)素纖維的界面結(jié)合形式相似，因而均可增強瀝青混合料的自愈合能力。

3 結(jié)論

本文采用四點小梁彎曲疲勞試驗對比分析了木質(zhì)素纖維與竹纖維瀝青混合料的疲勞性能，采用SEM從微觀角度揭示了纖維對瀝青混合料疲勞性能的增強機理。主要得出以下結(jié)論：

a.竹纖維瀝青混合料的疲勞壽命與木質(zhì)素纖維相當(dāng)；竹纖維瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能，但其對應(yīng)力水平變化的敏感程度略高于木質(zhì)素纖維瀝青混合料。

b.竹纖維能夠改善瀝青混合料疲勞性能的主要原因在于其對初始疲勞損傷的阻滯作用和對自愈合能力的增強作用。

c.竹纖維瀝青混合料具有良好的抗疲勞性能，是替代木質(zhì)素纖維的可靠產(chǎn)品。在未來的實際應(yīng)用中可考慮從2個方面增強竹纖維對瀝青混合料抗疲勞性能的作用效果：一是提高其表面粗糙度，增強界面結(jié)合能力；二是改善其在混合料中的分散性，從而提高阻止初始裂紋擴散的能力。