基于響應(yīng)曲面法的玄武巖纖維-巖瀝青混合料路用性能研究

鄧強(qiáng)民

(湖南省高速公路集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 引 言

截至2021年底,我國高速公路里程已達(dá)16.91萬km,而公路養(yǎng)護(hù)里程高達(dá)525.16萬km,占公路總里程比重為99.4%,瀝青路面頻繁損壞是導(dǎo)致公路養(yǎng)護(hù)任務(wù)繁重的主要因素[1]。為滿足新形勢(shì)下對(duì)安全、便捷、高效交通運(yùn)輸建設(shè)的需求,有效提升瀝青路面結(jié)構(gòu)的路用性能,顯著延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)的服役壽命,已成為我國路面結(jié)構(gòu)發(fā)展的重大需求和必然趨勢(shì)[2]。

天然巖瀝青是瀝青與礦物質(zhì)的混合物,具有聚合程度高、與基質(zhì)瀝青配伍特性好及制備工藝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[3],其作為性質(zhì)優(yōu)良的瀝青改性劑而廣泛應(yīng)用[4]。王修山等[5]利用巖瀝青和環(huán)氧樹脂復(fù)合改性RAP料,結(jié)果表明巖瀝青可有效改善再生瀝青混合料的高溫性能,提高RAP舊料的利用率;Yan等[6]研究發(fā)現(xiàn)巖瀝青可通過促進(jìn)基質(zhì)瀝青的交聯(lián)聚合,優(yōu)化瀝青分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)排列,提升瀝青膠漿的黏結(jié)力和抗老化性能。黃衛(wèi)東等[7]利用漢堡車轍試驗(yàn),分析了水-熱耦合作用下膠粉-巖瀝青混合料的抗蠕變速率和總變形速率,研究表明巖瀝青可極大地提高TB改性瀝青混合料在水-熱作用下的高溫性能。盡管巖瀝青在改善瀝青路面性能方面優(yōu)點(diǎn)十分突出,但在工程應(yīng)用中也暴露出低溫性能不足的缺點(diǎn)[8],基于此,依托湖南省衡棗高速公路大修工程(衡陽-棗木鋪),開展玄武巖纖維-巖瀝青混合料的路用性能研究,將玄武巖纖維(BF)作為增強(qiáng)材料,充分利用BF的橋接、加筋和分散應(yīng)力的作用[9],化解巖瀝青對(duì)路面結(jié)構(gòu)低溫性能產(chǎn)生的不利影響,通過響應(yīng)曲面法制備BF和巖瀝青復(fù)合增強(qiáng)的瀝青混合料試件,分析不同摻量的玄武巖纖維和巖瀝青對(duì)瀝青混合料路用性能影響的規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)瀝青選用克拉瑪依90#道路石油瀝青,其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示;巖瀝青選用雜質(zhì)含量少、聚合程度高的新疆烏爾禾巖瀝青,其技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示;玄武巖纖維為短切絲,主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示;粗、細(xì)集料均為玄武巖碎石,填料為玄武巖磨細(xì)的礦粉,其各項(xiàng)性能均滿足公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

表1 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 巖瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表3 玄武巖纖維的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的相關(guān)規(guī)定,對(duì)不同巖瀝青和玄武巖纖維摻量下的瀝青混合料試件,分別開展?jié)h堡車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析巖瀝青和玄武巖纖維復(fù)合增強(qiáng)作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的路用性能。其中,礦料配合比設(shè)計(jì)取《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的AC-13型的級(jí)配范圍中值;巖瀝青采用外摻法將其與基質(zhì)瀝青進(jìn)行高溫融合剪切,摻量分別為4.0%、6.0%和8.0%(占基質(zhì)瀝青的質(zhì)量百分?jǐn)?shù));玄武巖纖維采用內(nèi)摻法直接加入到混合料中,摻量分別為0.2%、0.4%和0.6%(占瀝青混合料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。

2 基于曲面響應(yīng)法的BF-巖瀝青配合比設(shè)計(jì)

2.1 Box-Behnken 法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用響應(yīng)曲面法研究玄武巖纖維和巖瀝青兩個(gè)變量,以A(巖瀝青摻量)和B(BF摻量)為自變量,以動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比和疲勞壽命等為響應(yīng)值,在中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)模式下進(jìn)行兩因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施,試驗(yàn)因素水平及其編碼水平如表4所示,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 試驗(yàn)因素水平及其編碼水平

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2 有效性分析

采用Design-Expert計(jì)算軟件對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比和疲勞壽命等指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面擬合,計(jì)算獲取的兩個(gè)因素與響應(yīng)值之間的二次回歸方程式如公式(1)～公式(6)所示。通過對(duì)6個(gè)回歸方程進(jìn)行方差分析,有效性分析過程與結(jié)果見表6所示。

表6 方差分析

Y1=3 371.733 87+361.992 03A+

1 604.823 32B

(1)

Y2=11.93-0.420 3A+0.658 7B+

0.252 5AB-0.230 2A2-0.332 7B2

(2)

Y3=3 450.4-121.64A+173.64B+

59.75AB-36.89A2-69.39B2

(3)

Y4=91.14+0.027 9A+2.79B+

0.655AB-0.405 5A2-2.74B2

(4)

Y5=88.87+0.392A+2.22B-0.22AB-

0.121 2A2-1.31B2

(5)

Y6=674 500-9 435.44A+19 432.51B+

8 522.25AB-1 136.4A2-9 557.65

(6)

式中:A為巖瀝青摻量,%;B為玄武巖摻量,%。Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6為響應(yīng)指標(biāo),分別是動(dòng)穩(wěn)定度,(次·mm);抗彎拉強(qiáng)度,MPa;最大彎拉應(yīng)變,με;浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度,%;凍融劈裂殘留強(qiáng)度比,%;疲勞壽命,次。

模型P值代表概率,指代一件事情發(fā)生可能性的大小,統(tǒng)計(jì)學(xué)根據(jù)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的P值,一般會(huì)認(rèn)為P<0.01表示影響極顯著,0.01≤P≤0.05表示影響顯著,P>0.05表示影響不顯著[10];失擬項(xiàng)P表示預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差異程度,反映建立的預(yù)測(cè)模型與實(shí)際值的擬合程度。由表6可以看出,回歸預(yù)測(cè)模型的F值均大于臨界值,且在回歸模型中P<0.01,這反映了基于試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)值之間的高度擬合性,建立的預(yù)測(cè)模型均能達(dá)到影響極顯著水平。

3 玄武巖纖維-巖瀝青混合料路用性能分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

通過漢堡車轍試驗(yàn)分析不同摻量下玄武巖纖維-巖瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,結(jié)果如圖1所示。

圖1 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可以看出,在纖維摻量保持不變時(shí),隨著巖瀝青摻量的增加,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大,這是由于摻入新疆巖瀝青后,混合料的整體性和抗車轍能力得到明顯提高,其原因在于巖瀝青富含大量的瀝青質(zhì)、芳香分和飽和分,巖瀝青的逐漸添加,改變了瀝青分子的聚集狀態(tài),增強(qiáng)了瀝青的膠團(tuán)極性。另外,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),巖瀝青分子之間的大膠束破裂,在破裂斷面位置產(chǎn)生新的活性點(diǎn),會(huì)促使瀝青分子團(tuán)結(jié)構(gòu)向“半聚合”狀態(tài)轉(zhuǎn)變,這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了瀝青膠漿的黏性,使集料與瀝青膠漿的相互作用得到加強(qiáng),從而提高瀝青混合料的整體性和抗高溫變形能力。同時(shí),玄武巖纖維的添加進(jìn)一步提高了瀝青混合料的高溫性能,當(dāng)巖瀝青為6.0%時(shí),隨著BF摻量的增大,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增大了7.8%,而越過0.5%纖維摻量峰值后,動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)幅度逐漸趨緩,這表明適量的玄武巖纖維可在混合料中穿插形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),起到固定、加筋集料的作用,進(jìn)一步提高了礦料骨架的整體穩(wěn)定性,但纖維摻量過高時(shí),BF可能發(fā)生團(tuán)結(jié)、沉聚,在聚集處與混合料的結(jié)合強(qiáng)度弱化,對(duì)其高溫性能產(chǎn)生不利影響,因此,當(dāng)巖瀝青摻量為8.0%、玄武巖纖維摻量為0.5%時(shí),復(fù)合增強(qiáng)瀝青混合料的高溫性能效果最佳。

3.2 低溫抗裂性

通過低溫小梁彎曲試驗(yàn),分析評(píng)價(jià)玄武巖纖維-巖瀝青符合增強(qiáng)瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出,不同摻量的玄武巖纖維-巖瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均滿足大于2 500的要求,但當(dāng)BF摻量一定時(shí)(以0.2%時(shí)為例),隨著巖瀝青摻量的增大,瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變逐漸降低,在巖瀝青摻量由4.0%增加至8.0%的過程中,抗彎拉強(qiáng)度及彎曲應(yīng)變分別降低了12.3%和10.7%,隨著巖瀝青的逐漸添加,改性瀝青膠漿中瀝青質(zhì)的含量增大,相較于基質(zhì)瀝青,輕質(zhì)組分含量降低,低溫環(huán)境下瀝青變硬變脆,延展性變?nèi)?導(dǎo)致混合料的低溫抗裂性能降低。與之不同的是巖瀝青摻量一定時(shí),隨著玄武巖纖維摻量的增加,瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變均有一定程度的提高,這主要是由于BF的加筋、錨固和界面增強(qiáng)等作用,有效抵抗外力作用下的集料之間相互滑移,極大地限制了微裂縫的萌生與發(fā)展,使材料發(fā)生斷裂需克服更多的功,從而提高混合料的低溫抗裂性能,而進(jìn)一步增大BF摻量時(shí),抗彎拉強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),這表明BF摻量過高會(huì)發(fā)生纏結(jié)、團(tuán)聚,易產(chǎn)生受力薄弱區(qū),削弱瀝青混合料的低溫性能。

3.3 水穩(wěn)定性

通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),評(píng)價(jià)玄武巖纖維-巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出,添加不同比例的玄武巖纖維和巖瀝青后,瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范規(guī)定的要求,隨著BF和巖瀝青摻量的增加,一定范圍內(nèi)混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),當(dāng)摻量為0.42%BF+5.96%巖瀝青時(shí),瀝青混合料殘留穩(wěn)定度達(dá)到最高值為94.21%,當(dāng)摻量為0.42%BF+6.05%巖瀝青時(shí),混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比最高,其值為88.83%,這說明玄武巖纖維和巖瀝青的組合摻配提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。其原因在于兩個(gè)方面,一是巖瀝青富含大量的氮元素,且以官能團(tuán)的形式存在,使瀝青黏度增大,抗氧化性增強(qiáng),極大地改善了瀝青與集料間的黏附性和抗剝落能力;另一方面是BF的加入,使瀝青被緊密吸附裹附集料表面,纖維的加筋、增韌作用使得混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到大幅增強(qiáng),在BF和巖瀝青的復(fù)合增強(qiáng)下,瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到明顯改善。

3.4 抗疲勞性

采用應(yīng)力控制的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),評(píng)價(jià)玄武巖纖維-巖瀝青混合料的抗疲勞特性,水平拉應(yīng)力為0.5,加載頻率為10 Hz,試驗(yàn)溫度15 ℃,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出,不同摻量下的玄武巖纖維-巖瀝青混合料抗疲勞性能均滿足規(guī)范要求,且隨著BF和巖瀝青摻量的增大,混合料的疲勞壽命有逐漸增大,當(dāng)摻量為0.39%BF+5.96%巖瀝青時(shí),其對(duì)混合料抗疲勞性能的提升效果最佳,這是由于添加的BF會(huì)在混合料中形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),起到很好的加筋、橋接和錨固作用,并且可有效分散結(jié)構(gòu)應(yīng)力,增強(qiáng)混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,減緩和抑制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展,從而提高瀝青路面的抗疲勞損傷能力。

3.5 玄武巖纖維和巖瀝青最佳摻量確定

玄武巖纖維和巖瀝青最佳摻量是基于動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比和疲勞壽命等響應(yīng)指標(biāo)最優(yōu)化,采用Design-Export軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)所得,玄武巖纖維和巖瀝青的最佳摻量分別為0.495%和7.6%,為了進(jìn)一步驗(yàn)證此最佳摻量的準(zhǔn)確性,以預(yù)測(cè)結(jié)果中的A=0.495%、B=7.6%為試驗(yàn)條件,將路用性能的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表7所示。

表7 最佳摻量試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果

從表7可以看出,基于動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比和疲勞壽命等響應(yīng)指標(biāo)的模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度分別為99.52%、98.47%、99.20%、99.63%、98.91%和98.19%,計(jì)算準(zhǔn)確度均大于98%,這說明利用響應(yīng)面法可有效表達(dá)玄武巖纖維和巖瀝青摻量對(duì)混合料路用性能的影響,計(jì)算獲取的玄武巖纖維和巖瀝青最佳摻量具備合理性與可靠性。

4 結(jié) 論

基于響應(yīng)面法優(yōu)化玄武巖纖維和巖瀝青的配比,系統(tǒng)分析了玄武巖纖維-巖瀝青混合料的路用性能,主要結(jié)論如下。

(1)玄武巖纖維和巖瀝青的復(fù)合增強(qiáng)作用,可顯著提升瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞特性,且適量的玄武巖纖維可有效化解巖瀝青對(duì)混合料低溫性能帶來的不利影響。

(2)利用響應(yīng)曲面法表達(dá)玄武巖纖維-巖瀝青混合料的路用性能具有良好的可行性,通過計(jì)算獲得玄武巖纖維和巖瀝青的最佳摻量分別為0.495%和7.6%,在此摻量下,瀝青混合料表現(xiàn)出優(yōu)良的路用性能。