玄武巖纖維與高模量外摻劑復(fù)合增強(qiáng)瀝青混合料性能

劉朝暉，朱國虎，柳力,2*，李文博，楊程程，傅順發(fā)

(1.長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，長沙 410114; 2.公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國家工程實驗室(長沙理工大學(xué))，長沙 410114)

高模量瀝青混合料可提高瀝青混合料的高溫動態(tài)模量，有效降低行車荷載作用下瀝青面層的壓應(yīng)變、剪應(yīng)變[1-2]，增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的抗車轍和抗疲勞能力[3-5]；同時，鋪筑高模量瀝青混合料可減薄路面厚度，化解路面加鋪改造時厚度受限的技術(shù)問題，在瀝青路面工程中具備優(yōu)良的應(yīng)用價值。

通過直投法添加高模量外摻劑(High modulus additive，HM)是提高瀝青混合料復(fù)數(shù)模量的重要技術(shù)方法。目前一些研究指出，高模量外摻劑能使瀝青混合料的高溫抗車轍能力、耐疲勞性能及勁度模量得到有效提升，然而其低溫抗裂性能相對較差[6-7]，而低溫開裂是高模量瀝青混合料路面早期主要破壞形式之一[8]，這使得高模量瀝青混合料在年溫差較大、晝夜溫差較大的溫帶大陸性氣候地區(qū)的應(yīng)用受到極大限制。

玄武巖纖維(basalt fiber，BF)是一種綠色環(huán)保建筑材料[9]，具有廣泛的使用溫度范圍、優(yōu)異的物理力學(xué)性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)越的抗老化性能等優(yōu)點[10]。已有研究表明，BF能夠有效提升普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等路用性能[11-13]；同時能使高模量瀝青混合料的低溫性能和耐疲勞性能得到明顯提高[14]。但是，現(xiàn)有研究主要關(guān)注玄武巖纖維和高模量外摻劑對瀝青混合料性能的提升作用，忽視了纖維改性材料和高模量外摻劑復(fù)配后對瀝青混合料配合比設(shè)計的影響，缺乏對玄武巖纖維與高模量外摻劑復(fù)合增強(qiáng)瀝青混合料的材料組成和性能的系統(tǒng)研究。

基于上述分析，現(xiàn)采用玄武巖纖維和高模量劑復(fù)配方法增強(qiáng)瀝青混合料路用性能。為優(yōu)化玄武巖纖維和高模量劑的復(fù)配摻量，實現(xiàn)復(fù)合增強(qiáng)瀝青混合料配合比的最佳設(shè)計，選定油石比、玄武巖纖維和高模量劑摻量為因素變量，利用響應(yīng)曲面法對3個影響因素進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，獲取玄武巖纖維、高模量劑的最佳復(fù)配摻量和混合料的最佳油石比。在此基礎(chǔ)上，開展玄武巖纖維與高模量劑復(fù)合增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能研究，并通過掃描電鏡試驗，從微觀角度分析玄武巖纖維對高模量瀝青混合料的性能改善機(jī)理。

1 原材料性能及混合料級配組成

1.1 瀝青及集料

采用70 #道路石油瀝青為基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示；根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)[15]測得的玄武巖粗細(xì)集料各項技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表1 基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of base asphalt

表2 集料技術(shù)性能指標(biāo)Table 2 Technical performance index of aggregate

1.2 高模量外摻劑

直投式高模量外摻劑(以下簡稱HM)主要技術(shù)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 高模量外摻劑技術(shù)性能指標(biāo)Table 3 Technical performance indexes of high modulus admixture

1.3 玄武巖纖維

選用長度為6 mm的短切玄武巖纖維(BF)，BF宏觀及微觀狀態(tài)如圖1所示；BF性能測試結(jié)果如表4所示。

圖1 短切BFFig.1 Chopped BF

表4 玄武巖纖維技術(shù)性能指標(biāo)及測試結(jié)果Table 4 Technical performance indexes and test results of basalt fiber

1.4 混合料級配組成

由于高模量瀝青混合料在瀝青路面中面層應(yīng)用較多[9]，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[16]及相關(guān)工程應(yīng)用實踐，選用AC-20C級配進(jìn)行瀝青混合料試驗研究，其礦料級配組成如表5所示。

表5 AC-20C型瀝青混合料級配范圍Table 5 Grading range of AC-20C asphalt mixture

2 試驗方案設(shè)計

2.1 響應(yīng)曲面法試驗方案設(shè)計

采用響應(yīng)曲面法中的BBD(Box-Behnken design)試驗設(shè)計方法，此方法的影響因子數(shù)量范圍為3～7個[17]，其優(yōu)勢在于設(shè)計點通常較少，在相同因子數(shù)量下運行成本較低?？紤]瀝青用量及BF、HM摻量均會對瀝青混合料路用性能產(chǎn)生重要影響，因此采用HM摻量(A)、BF摻量(B)及油石比(C)3個自變量作為影響因子，對其進(jìn)行三因素三水平復(fù)合設(shè)計，各影響因子水平及設(shè)計如表6所示。針對3個影響因子利用Design-expert軟件設(shè)計17組試驗方案，進(jìn)行5組中心點重復(fù)試驗，以馬歇爾試驗測試指標(biāo)空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值作為響應(yīng)值。

表6 響應(yīng)曲面試驗影響因素水平及設(shè)計Table 6 Level and design of influencing factors of response surface test

2.2 性能驗證試驗方案設(shè)計

采用馬歇爾試驗、浸水漢堡車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗對瀝青混合料性能進(jìn)行測試，以驗證基于響應(yīng)曲面法設(shè)計得出的最佳配合比對瀝青混合料的性能提升優(yōu)勢。

通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對玄武巖纖維高模量瀝青混合料的微觀形貌及玄武巖纖維在混合料中的分布情況進(jìn)行觀測，并對BF在高模量瀝青混合料中的強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行剖析。

3 復(fù)合增強(qiáng)瀝青混合料配合比優(yōu)化設(shè)計分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

對17組方案進(jìn)行馬歇爾試驗，測得5個響應(yīng)值數(shù)據(jù)如表7所示。

采用Design-expert軟件對表7數(shù)據(jù)進(jìn)行方程擬合，建立關(guān)于3個影響因子的二階函數(shù)模型，進(jìn)行方差及顯著性檢驗。以響應(yīng)值穩(wěn)定度為例對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，穩(wěn)定度(S)的二階回歸方程如式(1)所示。

表7 響應(yīng)曲面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 7 Response surface test design and results

S=15.70+0.516 2A+0.506 2B-0.112 5C-

0.062 5AB-0.025 0AC-0.015 0BC-

0.462 2A2-0.307 2B2-0.579 8C2

(1)

對二階擬合方程的方差中每一項因素作用是否顯著進(jìn)行檢驗，以排除不顯著項，穩(wěn)定度方程方差檢驗結(jié)果如表8所示。

統(tǒng)計學(xué)認(rèn)為根據(jù)方差檢驗方法獲得的事件概率P值在試驗過程中受某些不可控因素影響，會造成實驗結(jié)果的一些誤差，故先假定方差檢驗結(jié)果不存在顯著性差異，以概率0.05為界限值，當(dāng)概率P<0.05時，試驗結(jié)果存在統(tǒng)計學(xué)差異，此項為顯著項；當(dāng)概率P>0.05時，符合原假定條件，檢驗結(jié)果僅為機(jī)會差異，此項為不顯著項。表8中，穩(wěn)定度方差檢驗結(jié)果A、B、C、A2、B2、C2均為顯著項，失擬項為不顯著項，且修正擬合度達(dá)到98.89%。表明失擬項不顯著由純誤差引起，模型能夠反映出實際結(jié)果，具有較好的模擬效果。去掉不顯著項后穩(wěn)定度的二階回歸方程如式(2)所示。

表8 擬合方程方差檢驗Table 8 Variance test of fitted equation

S=15.70+0.516 2A+0.506 2B-0.112 5C-

0.462 2A2-0.307 2B2-0.579 8C2

(2)

3.2 各因子交互影響作用分析

利用擬合回歸方程繪制出各影響因子與響應(yīng)值之間的三維響應(yīng)曲面圖及二維等值曲線圖，研究各影響因子的交互作用對測試指標(biāo)的影響。以穩(wěn)定度響應(yīng)值為例，HM摻量為0.4%、BF摻量為0.4%、油石比為5%時的響應(yīng)曲面圖及等值線圖分別如圖2～圖4所示。

圖2 HM摻量與BF摻量交互影響曲面圖和等值線圖Fig.2 Curved surface plot and contour plot of the interaction between the content of HM and the content of BF

圖3 HM摻量與油石比交互影響曲面圖和等值線圖Fig.3 Curved surface plot and contour plot of the interaction between the content of HM and the ratio of oil-stone

圖4 BF摻量與油石比交互影響曲面圖和等值線圖Fig.4 Curved surface plot and contour plot of the interaction between the content of BF and the ratio of oil-stone

由圖2可知，HM摻量和BF摻量間有較明顯的交互作用。當(dāng)油石比為5%不變時，隨著HM或BF摻量的增加，穩(wěn)定度均表現(xiàn)出先增大后減小趨勢，在選定水平范圍內(nèi)穩(wěn)定度存在最大值，這表明單一摻量的增加并不能使得穩(wěn)定度逐漸增大，摻量過大會起到相反作用，故在此范圍內(nèi)存在BF及HM最佳摻量，使得混合料強(qiáng)度最高。

HM摻量與油石比交互影響曲面圖及等值線圖表明，HM摻量與油石比交互作用明顯。當(dāng)BF摻量為0.4%不變時，隨HM摻量的增大，穩(wěn)定度呈現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，穩(wěn)定度在兩個因素給定水平范圍內(nèi)存在最大值，說明HM摻量或油石比單一影響因子變化雖會對穩(wěn)定度有影響，但并不能使混合料強(qiáng)度達(dá)到最大值。

通過圖4可以得知，BF摻量和油石比相互作用較為明顯。當(dāng)HM摻量為0.4%不變時，穩(wěn)定度隨著BF摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而當(dāng)兩因子取適量范圍時，穩(wěn)定度達(dá)到最大值，由此說明適量BF能使得混合料穩(wěn)定度增大，但摻量過大反而會使得穩(wěn)定度降低。

對圖2～圖4分析可以得知，HM摻量及BF摻量對穩(wěn)定度值均會有較大影響，且在17組試驗方案之外存在一組最優(yōu)配合比，使得混合料穩(wěn)定度達(dá)到最大?？障堵?V)、礦料間隙率(M)、瀝青飽和度(F)及流值(L)這4個響應(yīng)指標(biāo)最終二階回歸方程如式(3)～式(6)所示。

V=3.93+0.172 5A+0.401 3B-0.243 8C+

0.063 0A2+0.290 5B2+0.135 5C2

(3)

M=16.82+0.137 5A-0.687 5B+0.350 0C-

0.360 0A2-0.260 0B2-0.335 0C2

(4)

F=76.61-0.852 5A-3.60B+2.06C-

0.914 8A2-2.32B2-1.36C2

(5)

L=2.99+0.025 0A-0.068 8B+0.128 8C+

0.043 3A2+0.055 8B2+0.030 7C2

(6)

3.3 最佳配合比確定及試驗驗證

為獲得最優(yōu)配合比，需對每個響應(yīng)指標(biāo)設(shè)定一個期望值，將空隙率期望值設(shè)為3.5%～4.5%，礦料間隙率期望值設(shè)為大于15%，瀝青飽和度期望值設(shè)為70%～80%，穩(wěn)定度的期望值設(shè)為最大，流值期望值根據(jù)規(guī)范設(shè)為2～5 mm。

根據(jù)期望值進(jìn)行擬合回歸方程的點預(yù)測，得出最佳方案為：HM摻量0.44%、BF摻量0.45%、油石比4.98%。

將最佳方案下馬歇爾試件測得的響應(yīng)指標(biāo)實測值與預(yù)測值進(jìn)行對照，以驗證得到的最佳配合比是否可靠。馬歇爾指標(biāo)實測值和預(yù)測值如表9所示。

由表9可知，通過響應(yīng)曲面法得到的各響應(yīng)參數(shù)預(yù)測值與實測值相差很小，這表明由響應(yīng)曲面法計算出的最佳配合比具有較大的可靠性。

表9 馬歇爾響應(yīng)指標(biāo)驗證結(jié)果Table 9 Marshall response indexes verification results

4 路用性能試驗驗證與微觀試驗分析

4.1 路用性能試驗驗證

4.1.1 浸水漢堡車轍試驗

將試件置于50 ℃水浴溫度下浸泡4 h，采用浸水漢堡車轍試驗對瀝青混合料高溫性能進(jìn)行測試。設(shè)置加載頻率為22 次/min，試驗終止條件為產(chǎn)生20 mm車轍深度或經(jīng)過10 000 次循環(huán)加載后。選用車轍深度、總變形速率[18]為評價指標(biāo)。

3組瀝青混合料漢堡車轍試驗結(jié)果如圖5及表10所示。

圖5表明，隨著輪載次數(shù)的增加，3組瀝青混合料車轍深度發(fā)展趨勢基本一致，大致可分為蠕變及剝落兩個階段。與另外兩組瀝青混合料相比，最佳配合比下玄武巖纖維高模量瀝青混合料蠕變速率最緩，車轍深度發(fā)展速度最慢，剝落拐點出現(xiàn)最晚，進(jìn)入剝落階段時間靠后，其抗變形能力及抗水損害能力最好。

圖5 瀝青混合料車轍深度隨輪載次數(shù)變化曲線Fig.5 Curve of rutting depth of asphalt mixture with wheel load times

通過表10可得，最佳配合比下玄武巖纖維高模量瀝青混合料的最終車轍深度、總變形速率均小于普通瀝青混合料及高模量瀝青混合料，說明摻加BF及HM能提高瀝青混合料在水熱耦合作用下的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性。

表10 不同瀝青混合料最終車轍深度及總變形速率Table 10 Rutting depth and total deformation rate of different asphalt mixtures

4.1.2 低溫小梁彎曲試驗

3組瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結(jié)果如表11所示。

表11 瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果Table 11 Low temperature bending test results of asphalt mixture

對試驗數(shù)據(jù)分析可知，加入HM后瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變降低了6.9%，導(dǎo)致彎曲勁度模量升高了11.2%，這表明高模量瀝青混合料的低溫性能較普通瀝青混合料差。加入BF后，瀝青混合料試件破壞時梁底最大彎拉應(yīng)變提升了28.9%，從而使得彎曲勁度模量降低了17.8%。由此可知，BF的加入使得高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能得到有效提升。

BF能提升高模量瀝青混合料低溫抗裂性能，主要有以下幾種原因：一是因為BF加入瀝青混合料中后，與瀝青形成復(fù)雜的纖維瀝青網(wǎng)格，能夠承擔(dān)并分散溫度應(yīng)力，降低瀝青混合料本身受溫度應(yīng)力損害程度，使得瀝青混合料低溫韌性提高。二是由于BF的加筋和橋聯(lián)作用阻滯了裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，具有一定的應(yīng)力分散和擴(kuò)散作用，增強(qiáng)了瀝青混合料的低溫抗裂性能。三是由于BF抗拉強(qiáng)度高，當(dāng)試件受力時，BF發(fā)生拉伸變形，承受部分荷載，當(dāng)荷載移除后，BF阻滯作用使瀝青混合料產(chǎn)生恢復(fù)原有形態(tài)的趨勢，使得瀝青混合料自愈能力增強(qiáng)，減少了外力損傷作用，從而使得瀝青混合料抗開裂性能增強(qiáng)。

4.1.3 水穩(wěn)定性試驗

3組瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig.6 Water stability test results of asphalt mixture

從試驗結(jié)果分析，3組瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與抗拉強(qiáng)度比變化趨勢基本一致，且均滿足規(guī)范要求。HM使得瀝青混合料殘留穩(wěn)定度及抗拉強(qiáng)度比分別提升了6.3%及5.9%，加入BF后瀝青混合料殘留穩(wěn)定度及抗拉強(qiáng)度比有所減小，較高模量瀝青混合料分別降低了4.3%及2.6%，但仍優(yōu)于普通瀝青混合料，因此摻加少量BF對高模量瀝青混合料水穩(wěn)定性影響較小。

此外，在試驗過程中得知，在瀝青混合料拌和時有必要先將BF投入集料中充分拌和均勻，之后再將HM投入拌和，否則由于HM加入高溫的集料中后迅速熔融，會將未能及時分散的纖維黏結(jié)成團(tuán)，導(dǎo)致瀝青混合料最終空隙率增大，水穩(wěn)定性變差。

4.2 微觀形貌觀測與機(jī)理分析

從最佳配合比下的玄武巖纖維高模量瀝青混合料試件破壞斷面上選取掃描電鏡試樣，掃描結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7可知，BF在高模量瀝青混合料中能與礦粉及細(xì)集料共同形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)起到較好的應(yīng)力分散及擴(kuò)散作用，從而能夠減輕高模量瀝青混合料內(nèi)部形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象對其本身的損害程度，使得混合料低溫抗裂性能得到提升。0.45%摻量的BF分布情況較為理想，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，對混合料起到較為明顯的加筋橋聯(lián)作用。

圖7 玄武巖纖維高模量瀝青混合料中的分布情況Fig.7 Distribution of basalt fiber in high modulus asphalt mixture

通過圖8可以看出，表面光滑的BF加入混合料中后其表面形成了黏附力較強(qiáng)的瀝青薄膜層，表明HM的存在使得瀝青與BF的黏附性增大，從而對集料的約束作用增強(qiáng)，這對提高混合料高溫穩(wěn)定性能較為有利；由圖8可知，BF斷面不規(guī)則，說明在混合料被破壞時BF并非是直接抽出，而是被拉伸扯斷，這表明BF在高模量瀝青混合料中能起到對混合料的加筋作用以及對應(yīng)力的分散和阻裂作用，在這種情況下纖維與瀝青及集料形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得混合料低溫性能得到有效提高。

圖8 BF斷面及與瀝青黏附性Fig.8 BF section and adhesion to asphalt

5 結(jié)論

(1)利用響應(yīng)曲面法得到了最優(yōu)HM摻量為0.44%，最佳BF摻量為0.45%，在此狀態(tài)下的最佳油石比為4.98%，并通過馬歇爾試驗驗證了其具有較大的穩(wěn)定度。

(2)BF及HM的加入使瀝青混合料的車轍深度減小，車轍發(fā)展趨勢減緩；使混合料彎曲勁度模量降低了17.8%，對混合料低溫性能有較大提升，BF的加入較好地解決了高模量瀝青混合料低溫性能較差的問題；同時混合料殘留穩(wěn)定度及抗拉強(qiáng)度比分別提升了1.77%和3.18%，使得混合料水穩(wěn)定性有一定程度的提升。

(3)BF在高模量瀝青混合料中能與瀝青和礦粉形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及在其表面形成黏附力較強(qiáng)的瀝青薄膜層，有利于混合料內(nèi)部應(yīng)力的傳遞和擴(kuò)散，能提高對集料的約束力，同時起到加筋以及對應(yīng)力的分散和阻裂作用，從而提升瀝青混合料高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性能。