玄武巖纖維瀝青混合料力學(xué)及疲勞特性

馬 峰，楊宇峰，紀 續(xù)，郭興隆，易小帆

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064；2.濟南金曰公路工程有限公司，濟南 250101)

20世紀60年代，纖維開始被應(yīng)用于瀝青路面中，因其能夠明顯改善瀝青性能和防止路面反射裂縫的發(fā)生和擴展，受到工程界的廣泛認可[1]。常用纖維有木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維等[2]。玄武巖纖維工作范圍廣并且環(huán)保無污染，相比于其他纖維，玄武巖纖維在改善瀝青混合料性能上效果更好[3-5]，因而愈發(fā)受到研究學(xué)者的關(guān)注。國內(nèi)外許多研究人員對玄武巖纖維瀝青混合料進行了多方面的研究。文獻[6-8]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以很好地提高瀝青膠漿的高低溫性能；文獻[9]從微觀角度解釋了低溫改性機理。容易發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維瀝青膠漿的性能優(yōu)異，而對于瀝青混合料性能研究，文獻[10]發(fā)現(xiàn)溫度較低時玄武巖纖維改善了瀝青混合料的抗拉強度和蠕變強度，但是當(dāng)溫度超過軟化點時，提升幅度較小；文獻[11]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠改善大空隙瀝青混合料的高低溫性能和水穩(wěn)性能，但對排水性能產(chǎn)生不利影響；文獻[12]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維加強了瀝青混合料高溫抗變形的能力；文獻[13-14]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維減輕了瀝青混合料受凍融循環(huán)的破壞程度，改善了在復(fù)雜環(huán)境下的低溫性能；文獻[15]利用建立的廣義Sigmoidal模型主曲線，研究SBS與玄武巖纖維瀝青混合料的抗凍融性能，文獻[16]研究表明其抗凍融能力出色。從宏觀層面研究玄武巖纖維瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)其性能有明顯提高，同時研究人員也從微觀角度對玄武巖纖維改性機理進行分析。文獻[17]借助掃描電鏡和數(shù)字圖像處理技術(shù)對玄武巖纖維的低溫改性機理進行了深入探討；文獻[18]借助掃描電鏡分析了玄武巖纖維瀝青混合料韌性增強機理，認為玄武巖纖維能抑制路面反射裂縫的發(fā)生。

目前主要針對瀝青膠漿流變特性以及混合料高低溫、水穩(wěn)定性的性能進行研究，并借助微觀試驗及儀器研究其改性機理，反而對力學(xué)和疲勞特性關(guān)注較少，而混合料的力學(xué)特性能夠在一定程度上反映路面的結(jié)構(gòu)強度，在路面設(shè)計中起到重要的作用，其疲勞特性更是影響著路面的使用壽命，路面能否長期保持高性能有賴于混合料疲勞壽命的提升?；诖?，文中擬比對不同纖維摻量下混合料的常規(guī)性能，得到最佳纖維摻量，以不摻纖維的混合料為對照，分析玄武巖纖維瀝青混合料的力學(xué)及疲勞特性，從而對其性能進行綜合評價。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

采用SBS改性瀝青和6mm的短切玄武巖纖維，測試原材料的各項技術(shù)指標(biāo)，其結(jié)果均滿足規(guī)范要求，結(jié)果見表1和表2，玄武巖纖維外觀如圖1所示。

表1 瀝青的主要指標(biāo)

表2 玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)

圖1 玄武巖纖維

1.2 瀝青混合料最佳油石比

混合料級配選用AC-13級配中值，按馬歇爾試驗方法計算6種摻量下玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比，結(jié)果見表3。

表3 各種纖維摻量下的最佳油石比

由表3可知，瀝青用量隨玄武巖纖維摻量的增加大致呈線形增長。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是摻入玄武巖纖維使材料比表面積增大，所吸附的瀝青增多，所需瀝青用量也增多。

1.3 試驗方法

分別應(yīng)用車轍儀、萬能材料試驗機和馬歇爾試驗儀進行高低溫和水穩(wěn)性能試驗，試驗方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[19]中T0719,T0715,T0709及T0729；

1.3.1 力學(xué)性能試驗

以2 mm·min-1的加載速率測試20 ℃試件的靜態(tài)力學(xué)性能，試驗方法為單軸壓縮試驗；應(yīng)用UTM萬能材料試驗機測定20 ℃,35 ℃,50 ℃三個溫度以及0.1 Hz,0.5 Hz,1 Hz,5 Hz,10 Hz,25 Hz六種加載頻率下混合料的相位角和動態(tài)模量。

1.3.2 疲勞性能試驗

采用四點小梁彎曲疲勞試驗，應(yīng)用產(chǎn)自澳洲的UTM-100儀器在300 με,400 με,500 με,600 με四種應(yīng)變控制模式下研究瀝青混合料的疲勞性能，試驗溫度選用15 ℃，加載頻率為10 Hz。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 高溫穩(wěn)定性試驗

車轍試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 各種纖維摻量下瀝青混合料的動穩(wěn)定度

由圖2知，瀝青混合料加入了玄武巖纖維后，動穩(wěn)定度大幅提高，且提升最大時的纖維摻量為0.3%，相比于普通瀝青混合料提升了110.0%。摻量小于0.3%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度和纖維摻量成正相關(guān)，摻量為0.2%時，提升幅度為40.9%；纖維摻量大于0.3%時，過多的纖維反而降低了改善效果，當(dāng)摻量增加到0.6%時，動穩(wěn)定度提升效果降低到了31.5%。這是因為玄武巖纖維具有加筋效果，能夠抑制混合料高溫變形，但是過多的纖維在攪拌時不容易分散，相互結(jié)團，混合料的整體性受到影響，削弱了纖維的改善效果[20]。

2.2 低溫抗裂性試驗

圖3為低溫彎曲試驗結(jié)果。由圖3知，玄武巖纖維使瀝青混合料的低溫性能得到提高，摻量為0.3%時瀝青混合料的低溫性能達到頂峰，實測的兩項性能指標(biāo)(彎拉強度和破壞應(yīng)變)分別提高了9.8%和29.2%，但是纖維摻量超過0.3%時，混合料的低溫性能持續(xù)降低，玄武巖纖維用量達到0.6%時，其低溫性能與普通混合料相差無幾彎拉強度和坡外應(yīng)變分別僅提高2.2%和10.0%，從數(shù)據(jù)上看雖然混合料的低溫抗裂性能有所加強，但不如混合料的高溫性能改善效果。玄武巖纖維在混合料中相互搭接，遏制了裂縫的產(chǎn)生和延伸，改善了混合料的低溫性能。但過量的纖維在混合料內(nèi)易局部結(jié)團，降低瀝青混合料整體性，而結(jié)團處也易成為受力薄弱點，致使混合料抗裂性能降低，在荷載作用下發(fā)展成為裂縫。

圖3 低溫彎曲試驗結(jié)果

2.3 水穩(wěn)定性試驗

對比試件浸水前后的穩(wěn)定度可得浸水殘留穩(wěn)定度，對比試件凍融循環(huán)前后的劈裂抗拉強度可得凍融劈裂強度比(TSR)，其結(jié)果如圖4所示。兩種結(jié)果數(shù)值越大均表示水對混合料的不利影響越小。

圖4 各種纖維摻量下瀝青混合料的抗水損害能力

由圖4可知，玄武巖纖維瀝青混合料的試驗指標(biāo)均比未摻入纖維的瀝青混合料有一定程度的提高，兩個試驗指標(biāo)隨纖維摻量的增加先增大后減小，表明混合料的水穩(wěn)定性先提高后衰減。玄武巖纖維吸附自由瀝青，提高結(jié)構(gòu)瀝青的數(shù)量，對于混合料水穩(wěn)定性有利，但是過量的纖維會侵入瀝青和集料的粘結(jié)界面上，減少瀝青和集料的吸附面積，使混合料的水穩(wěn)定性降低[21]。纖維摻量0.3%對應(yīng)混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)極大值，對比普通瀝青混合料分別提升7.8%(浸水殘留穩(wěn)定度)和11.4%(TSR)，與混合料的高低溫試驗相比，纖維用量為0.3%時，混合料的水穩(wěn)定性增幅最小。對比兩種不同的水穩(wěn)定性試驗結(jié)果，對于浸水殘留穩(wěn)定度，當(dāng)纖維用量達到0.5%時，混合料的水穩(wěn)定性開始低于纖維用量為0.2%時的，而纖維用量為0.5%時的TSR依然高于纖維用量為0.2%時的，并且纖維用量0.6%的TSR與0.2%的相差不大，但是從實驗條件來說，凍融劈裂試驗較浸水馬歇爾試驗條件復(fù)雜、試驗方法更加嚴苛，綜合來看，雖然纖維對混合料水穩(wěn)定性的提升影響不大，但它能夠較好的改善在復(fù)雜環(huán)境下的低溫性能。

由文中分析可知，0.3%纖維摻量對瀝青混合料路用性能的改善效果最好，由于力學(xué)性能試驗和疲勞試驗的試驗變量較多，若采用6種摻量逐個分析，會造成實驗數(shù)據(jù)繁瑣，不易直觀感受玄武巖纖維帶來的影響，因此在力學(xué)性能試驗和疲勞試驗中選用0.3%為代表摻量進行試驗分析。

2.4 力學(xué)性能試驗

靜態(tài)回彈模量是當(dāng)前路面設(shè)計中使用較多的一種材料設(shè)計參數(shù)，但是作用在路表面的是變化的動荷載，相比于靜態(tài)模量，動態(tài)模量更能反映在真實荷載條件下瀝青混合料的力學(xué)性能，因此本文選用瀝青混合料的靜、動態(tài)模量進行對比研究。

2.4.1 瀝青混合料靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)

圖5為單軸壓縮試驗結(jié)果。

圖5 兩種瀝青混合料的抗壓強度及回彈模量

由圖5可知,玄武巖纖維瀝青混合料的靜態(tài)力學(xué)性能有所提升,但提升較小,抗壓強度和回彈模量僅提高了2.5%和10.1%。玄武巖纖維主要是通過在瀝青瀝青混合料中與瀝青和集料搭接形成相對穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)提高瀝青混合料的各項性能,對抗壓強度提升不大。在靜載作用下，混合料被壓縮后，高模量的玄武巖纖維能夠帶動混合料恢復(fù)變形，因此玄武巖纖維瀝青混合料的回彈應(yīng)變相對較小，模量更高[22]。

2.4.2 瀝青混合料動態(tài)力學(xué)性質(zhì)

動態(tài)回彈模量試驗結(jié)果如6所示。圖7為在不同溫度和頻率條件下兩種瀝青混合料的相位角。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)在相同的試驗條件下?lián)饺胄鋷r纖維的瀝青混合料的動態(tài)模量相比于不摻纖維的瀝青混合料有較大的提升，但是隨著試驗溫度的提高，玄武巖纖維對動態(tài)模量的提升效果減弱，20 ℃時提升最明顯，幅度在24%以上，到了50 ℃時，提升效果隨加載頻率變化不太穩(wěn)定，大多保持在10%左右，而當(dāng)溫度為35 ℃時，沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，但依然可以從圖中看出摻纖維混合料的動態(tài)模量高于普通混合料的。這說明玄武巖纖維對混合料的動態(tài)力學(xué)性能有一定程度的提升，特別是當(dāng)溫度較低時，提升效果更為可觀。

圖6 不同溫度和頻率條件下兩種混合料的動態(tài)模量

由圖7可知，不同溫度下，瀝青混合料的相位角隨頻率的變化而變化。對于普通瀝青混合料而言，20 ℃時的相位角隨頻率提高而減小，而35 ℃和50 ℃時的相位角卻隨頻率提高而增大；對于玄武巖纖維瀝青混合料而言，其受溫度的影響較小，隨頻率增加相位角整體呈現(xiàn)下降的趨勢，說明玄武巖纖維能減緩瀝青混合料受溫度的影響。對比同一溫度條件下兩者的相位角大小，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為20 ℃時，低頻荷載作用下玄武巖纖維瀝青混合料的相位角明顯低于普通瀝青混合料，而隨著頻率的升高，兩者相位角趨于接近；當(dāng)溫度為35 ℃和50 ℃時，玄武巖纖維瀝青混合料的相位角整體低于前者，且隨著作用荷載頻率的增加，兩者相位角的差值有增大的趨勢。綜合來看，玄武巖纖維的加入降低了混合料低溫低頻以及高溫高頻時的相位角，使混合料更加傾向于彈性性質(zhì)，對于混合料的動態(tài)力學(xué)性能有較大的提升。

圖7 不同溫度和頻率條件下兩種混合料的相位角

2.4.3 動靜態(tài)模量對比

動態(tài)模量的測試需要在不同溫度和不同頻率下獲得，而10 Hz對應(yīng)車速75 km·h-1，具有很高的代表性，因此在20 ℃、10 Hz條件下的對比動態(tài)模量與靜態(tài)模量。表4為兩種瀝青混合料的動、靜態(tài)模量數(shù)據(jù)。

表4 動靜態(tài)模量對比

由表4可以看出，兩種模量的數(shù)值相差巨大，動態(tài)模量可達靜態(tài)模量的8倍以上。這主要與兩種試件成型方式和加載方式的不同有關(guān)。0.3%摻量玄武巖纖維瀝青混合料的靜態(tài)模量提升為10.1%，動態(tài)模量提升為24.8%，動態(tài)模量相比于靜態(tài)模量提升效果明顯，說明在接近真實道路條件下，更能夠體現(xiàn)出玄武巖纖維的改善作用，玄武巖纖維瀝青路面能夠表現(xiàn)出良好的性能。

2.5 疲勞性能試驗

混合料疲勞試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料的疲勞壽命明顯提高，可隨著應(yīng)變水平的升高,提升效果急劇減小,加載應(yīng)變?yōu)?00με時，疲勞壽命提升達到400%以上，應(yīng)變?yōu)?00με和500με，疲勞壽命也能夠分別提升385.2%和154.6%，而加載應(yīng)變提高到600με時，疲勞壽命提升降至108.2%。分析其原因，玄武巖纖維能在混合料內(nèi)部“橋接”，構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，抑制了內(nèi)部裂縫的擴張，提高了混合料抵抗荷載作用的能力，疲勞壽命也相應(yīng)提高，而應(yīng)變水平的提高使小梁變形加大，內(nèi)部細微裂縫更易擴張，其勁度模量迅速下降，小梁所能承受的荷載作用次數(shù)大大減少，因此呈現(xiàn)出疲勞壽命隨應(yīng)變水平提高提升效果下降的現(xiàn)象。

圖8 應(yīng)變-疲勞壽命關(guān)系曲線

對兩種瀝青混合料的疲勞曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)下進行線形擬合,結(jié)果如圖9所示。發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的加入降低了疲勞曲線斜率，這說明玄武巖纖維瀝青混合料有著更低的疲勞敏感度，其抗疲勞性能的得到提升。

圖9 雙對數(shù)疲勞曲線擬合圖形

3 結(jié) 論

1) 玄武巖纖維能明顯提升瀝青混合料的高低溫和水穩(wěn)性能，且其性能與纖維摻量的關(guān)系曲線走向相同，當(dāng)纖維摻量為0.3%時，瀝青混合料的高低溫和水穩(wěn)定性能表現(xiàn)最好；從改善效果看，高溫穩(wěn)定性提升最多，水穩(wěn)定性增幅最小。

2) 玄武巖纖維增強了瀝青混合料的回彈模量，但對靜態(tài)模量的提升非常小，相比較之下，動態(tài)模量顯著提高；玄武巖纖維不僅顯著降低了瀝青混合料低溫低頻和高溫高頻時的相位角，還改變了相位角隨加載頻率的變化趨勢，使瀝青混合料更加傾向于彈性行為?？偟膩碚f，瀝青混合料力學(xué)性能優(yōu)異。

3) 玄武巖纖維顯著提高瀝青混合料的疲勞壽命，隨控制應(yīng)變的增大疲勞壽命的增幅速率變緩，但即使應(yīng)變達到600με，增幅依然能夠達到108.2%。對兩種瀝青混合料的疲勞曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)下進行線形擬合，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料對疲勞的敏感性降低，疲勞衰變速率減緩，抗疲勞能力提高。