玄武巖短切纖維對(duì)環(huán)氧瀝青及其混合料性能的影響

張婧麗

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，太原 030012)

0 引 言

自2016年7月交通運(yùn)輸部頒布《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》(交公路[2016]115號(hào))以來(lái)，全國(guó)范圍內(nèi)加快推進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，十三五期間鋼結(jié)構(gòu)橋梁比例明顯提高，鋼橋面鋪裝數(shù)量也持續(xù)增長(zhǎng)，鋼橋面鋪裝成為新的研究熱點(diǎn)[1]。得益于所摻入的環(huán)氧基、羥基、醚鍵等活性和極性基團(tuán)，環(huán)氧瀝青的熱固性賦予其混合料優(yōu)異的力學(xué)性能與使用性能，尤其是在高溫穩(wěn)定性、抗水損害性、抗疲勞耐久性和耐腐蝕性方面，環(huán)氧瀝青混合料比普通改性瀝青混合料高數(shù)倍甚至數(shù)十倍，因此環(huán)氧瀝青混合料可應(yīng)用于環(huán)境極端溫度要求高且受力條件嚴(yán)苛的重載道路瀝青鋪裝層[2-4]。大量研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[5-7]，環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝克服傳統(tǒng)SMA混合料、澆筑式瀝青混合料橋面鋪裝高溫性能差、與橋面板隨從性差、黏結(jié)強(qiáng)度不足和抗疲勞性能差的弊端，單層或雙層厚度不超過(guò)8 cm的環(huán)氧瀝青混凝土鋪筑已經(jīng)成為南方濕熱地區(qū)鋼橋面鋪裝的主要技術(shù)方案之一。然而國(guó)內(nèi)近10年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[8-11]，目前大多環(huán)氧瀝青產(chǎn)品延展性差，易脆裂，導(dǎo)致環(huán)氧瀝青混合料鋪裝結(jié)構(gòu)抗裂性能差，在服役期間易出現(xiàn)開(kāi)裂病害，進(jìn)而誘發(fā)松散脫落和橋面板銹蝕等病害，這與環(huán)氧瀝青固有的熱塑性特點(diǎn)有關(guān)[12-15]。為了改善環(huán)氧瀝青混凝土鋪筑結(jié)構(gòu)的柔韌性，有學(xué)者提出通過(guò)礦料級(jí)配選擇與優(yōu)化，摻加聚酯纖維、橡膠粉增柔增韌改性劑等技術(shù)手段，來(lái)彌補(bǔ)環(huán)氧瀝青混合料抗裂性能的不足。本文將玄武巖纖維摻加到環(huán)氧瀝青中，研究了玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青膠漿及其混合料的性能，并深入分析了玄武巖纖維環(huán)氧瀝青混合料的改性機(jī)理，為玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料應(yīng)用于高寒地區(qū)鋼橋面鋪裝提供借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)環(huán)氧瀝青：由廣東某環(huán)氧瀝青廠家生產(chǎn)，環(huán)氧樹脂(A組分)、道路石油瀝青與固化劑均質(zhì)合成物(B組分)按照1∶6質(zhì)量比配制而成，環(huán)氧樹脂膠結(jié)料主要性能見(jiàn)表1，經(jīng)檢測(cè)環(huán)氧樹脂各項(xiàng)性能滿足公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T 3363-02—2019)要求。

表1 環(huán)氧瀝青膠結(jié)料性能與技術(shù)要求Table 1 Performance and technical requirements of epoxy asphalt cement

(2)集料：3～13.2 mm三檔粗集料，選用高質(zhì)量玄武巖碎石，粗集料針片狀含量<9%，壓碎值≤16%，磨光值PSV>45，軟石含量<1.5%。S15(0～3 mm)細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，吸水率<1.5%，表觀密度>2.55%，堅(jiān)固性<3%，砂當(dāng)量>65%，集料各項(xiàng)性能符合JTG/T 3363-02—2019和JTG F40—2004的要求。

(3)玄武巖短切纖維：陜西西安某玄武巖纖維股份有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)度7 mm，單絲公稱直徑12 μm。技術(shù)性能見(jiàn)表2，滿足(JT/T 776.1—2010)《玄武巖短切纖維》要求。

表2 玄武巖短切纖維性能與技術(shù)要求Table 2 Properties and technical requirements of basalt chopped fiber

1.2 試驗(yàn)方法

(1)黏度試驗(yàn)：采用Brookfield DV-Ⅱ+Pro型旋轉(zhuǎn)粘度儀，頻率50 Hz，黏度精度為±1.0%，根據(jù)儀器說(shuō)明書規(guī)定的不同轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的速率和黏度范圍，選用SC4-21號(hào)轉(zhuǎn)子，速率為20 r/min，試驗(yàn)按照布洛克菲爾德黏度計(jì)法進(jìn)行。試驗(yàn)研究間隔2wt%,從2wt%～10wt%變化共5組玄武巖短切纖維，將玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青置于120 ℃油浴中養(yǎng)護(hù)，記錄不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下黏度變化趨勢(shì)。

(2)直接拉伸試驗(yàn)：按照J(rèn)TG E20—2011試驗(yàn)規(guī)程中T 0629—2011瀝青斷裂性能試驗(yàn)進(jìn)行，在標(biāo)準(zhǔn)試模中澆筑2wt%～10wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青試樣，接著在23 ℃水浴中保溫3 h，試驗(yàn)時(shí)控制拉伸速率為1 mm/min。

(3)貫入剪切試驗(yàn)：加熱纖維改性環(huán)氧瀝青至150 ℃，在馬歇爾試模中澆筑φ101.6 mm×H63.5 mm試樣，按照J(rèn)TG/T 3363-02—2019養(yǎng)護(hù)要求，在60 ℃水浴中養(yǎng)護(hù)4 d使環(huán)氧瀝青完全固化。貫入剪切試驗(yàn)加載速率為50 mm/min。

(4)高溫性能試驗(yàn)：鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層在服役期間極端高溫可達(dá)70 ℃，為了模擬高溫條件下環(huán)氧瀝青混合料的抗永久變形能力，JTG/T 3363-02—2019要求環(huán)氧瀝青混合料70 ℃、0.7 MPa的動(dòng)穩(wěn)定度不小于6 000 times/mm，但未考慮超載對(duì)環(huán)氧瀝青混合料高溫性能的影響。本文通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)鋼輪接地壓強(qiáng)進(jìn)行超載30%、50%、80%、100%荷載條件下的車轍試驗(yàn)。

(5)低溫性能試驗(yàn)：為了從能量角度揭示玄武巖纖維阻止裂紋擴(kuò)展的能力，采用預(yù)切口梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，根據(jù)荷載-位移包絡(luò)線計(jì)算玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的斷裂能。小梁彎曲試驗(yàn)方法按照J(rèn)TG E20—2011中T 0715—2011進(jìn)行，預(yù)切口梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的試件制備方法與加載方式同小梁彎曲試驗(yàn)，預(yù)切口縫高比為0.5，縫高為2.5 cm，加載點(diǎn)位于切縫正上方，記錄加載過(guò)程中荷載-位移曲線，以位移為橫坐標(biāo)，荷載為縱坐標(biāo)，先計(jì)算荷載-加載點(diǎn)位移曲線與橫坐標(biāo)的包絡(luò)線面積(W)，然后根據(jù)文獻(xiàn)[3-5]研究成果，計(jì)算斷裂能(GF)。

(6)疲勞試驗(yàn)：采用三點(diǎn)加載控制應(yīng)變疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的抗疲勞開(kāi)裂性能，試驗(yàn)溫度為20 ℃，應(yīng)變水平為800×10-6、1 000×10-6、1 200×10-6和1 500×10-6。

(7)SEM試驗(yàn)：采用庫(kù)塞姆(COXEM)電子顯微鏡制造商生產(chǎn)的EM-30Plus型SEM獲取6wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)形貌，分析玄武巖纖維對(duì)環(huán)氧瀝青的改性機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度試驗(yàn)

黏度是表征環(huán)氧瀝青施工和易性和確定環(huán)氧瀝青容留時(shí)間的重要控制指標(biāo)。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青的黏度如圖1所示。由圖1可知，在120 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青的黏度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)呈線性增加，且黏度-時(shí)間曲線的擬合優(yōu)化度R2均大于0.95，相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間，玄武巖現(xiàn)場(chǎng)摻量越大，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青的黏度越大，并且擬合方程斜率隨玄武巖纖維摻量增加而增大，說(shuō)明增加玄武巖纖維摻量提高了環(huán)氧瀝青黏度對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的敏感性，分析其原因，縱橫交錯(cuò)分布在環(huán)氧瀝青中的玄武巖纖維起到橋接、加筋作用，增加了環(huán)氧瀝青的內(nèi)摩阻力。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]研究成果，要求環(huán)氧瀝青施工黏度為1.0～3.0 Pa·s，通過(guò)圖1黏度-時(shí)間曲線方程反算玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青容留時(shí)間上下限，摻加0wt%、2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武巖短切纖維后環(huán)氧瀝青容留時(shí)間下限分別為39 min、35 min、33 min、32 min、31 min、30 min，容留時(shí)間上限分別為80 min、64 min、59 min、55 min、48 min、43 min，可見(jiàn)玄武巖纖維摻量越大，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青的容留時(shí)間越短，而摻加2wt%～10wt%玄武巖短切纖維改性環(huán)氧瀝青的上限容留時(shí)間均滿足>40 min施工和易性要求。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間環(huán)氧瀝青黏度曲線Fig.1 Viscosity curves of epoxy asphalt with different curing time

2.2 拉伸試驗(yàn)

直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均隨著玄武巖纖維摻量增加呈二次函數(shù)關(guān)系變化，擬合優(yōu)化度R2達(dá)到了0.99。摻加2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武巖纖維環(huán)氧瀝青比普通環(huán)氧瀝青拉伸強(qiáng)度分別提高8.9%、15.6%、18.9%、17.8%、14.4%，斷裂伸長(zhǎng)率分別提高23.6%、42.0%、49.0%、44.6%、35.0%，在玄武巖纖維摻量為6wt%時(shí)改性環(huán)氧瀝青的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到峰值。分析其原因，玄武巖纖維的加筋作用、吸附穩(wěn)定作用使玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青表現(xiàn)出較高的拉伸強(qiáng)度和優(yōu)異的變形能力。觀察破壞界面形態(tài)，8wt%、10wt%纖維改性環(huán)氧瀝青在破壞界面有明顯的纖維聚集現(xiàn)象，破壞界面的纖維數(shù)量明顯增多，有明顯拔出痕跡和破壞界面纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，圖3為玄武巖纖維在環(huán)氧瀝青中的SEM照片，由圖可知，摻加8wt%、10wt%玄武巖纖維因分散不均勻而產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青試件中纖維與環(huán)氧瀝青裹附狀況不良而出現(xiàn)軟弱結(jié)構(gòu)面，在纖維聚集處拉應(yīng)力不能均勻傳遞，會(huì)誘發(fā)纖維聚集處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，玄武巖纖維摻量大于6wt%時(shí)會(huì)出現(xiàn)不均勻問(wèn)題和結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度下降。

圖2 不同玄武巖纖維摻量環(huán)氧瀝青拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Tensile test results of epoxy asphalt with different basalt fiber content

圖3 玄武巖纖維在環(huán)氧瀝青中的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of basalt fiber in inepoxy asphal

2.3 貫入剪切試驗(yàn)

貫入剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著玄武巖纖維摻量增加，環(huán)氧瀝青貫入剪切強(qiáng)度先增大后減小，貫入剪切位移先減小后增大，摻加2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武巖纖維的環(huán)氧瀝青比普通環(huán)氧瀝青貫入剪切強(qiáng)度分別提高了14.7%、33.6%、62.3%、34.8%、24.1%，貫入深度分別減小了10.8%、26.9%、31.3%、30.1%、22.5%。貫入剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)結(jié)果相類似，摻加6wt%玄武巖纖維對(duì)環(huán)氧瀝青高溫抗剪切性能的改善作用最明顯。

圖4 不同玄武巖纖維摻量環(huán)氧瀝青貫入剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Penetration shear test results of epoxy asphalt with different basalt fiber content

2.4 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料路用性能

2.4.1 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

選用JTG/T 3363-02—2019推薦的EA-10級(jí)配中值，試驗(yàn)礦料級(jí)配如表3所示。每種玄武巖纖維摻量下以預(yù)估油石比為中值，按照±0.2%變化5組環(huán)氧瀝青用量，成型馬歇爾試件，按照J(rèn)TG/T 3363-02—2019進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以未固化和固化后馬歇爾試驗(yàn)測(cè)試體積參數(shù)，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青EA-10混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表3 EA-10環(huán)氧瀝青混合料級(jí)配Table 3 EA-10 epoxy asphalt mixture gradation

表4 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青EA-10混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 4 Design results of basalt fiber modified epoxy asphalt EA-10 mixture

環(huán)境極端溫度高且受力條件嚴(yán)苛的重載道路，對(duì)環(huán)氧瀝青的路用性能和耐久性能提出了更高要求。在最佳油石比條件下成型試件，并按照J(rèn)TG/T 3363-02—2019要求進(jìn)行加速養(yǎng)護(hù)，研究玄武巖纖維摻量對(duì)環(huán)氧瀝青混合料性能的影響。

2.4.2 高溫穩(wěn)定性

采用高溫、超載條件下的車轍試驗(yàn)驗(yàn)證玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料在高溫、重載行車環(huán)境下的耐候性。超載30%、50%、80%、100%對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)鋼輪接地壓強(qiáng)分別為0.91 MPa、1.05 MPa、1.26 MPa、1.40 MPa，70 ℃試驗(yàn)溫度已經(jīng)接近南方高溫季節(jié)鋼橋面鋪裝層極端最高溫度，因此試驗(yàn)溫度采用70 ℃，試驗(yàn)輪加載速率為42 times/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)結(jié)果Table 5 High temperature performance test results of basalt fiber modified epoxy asphalt mixture

由表5可知，在70 ℃、0.70 MPa加載條件下，6組環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均超過(guò)了12 000 times/mm，同時(shí)車轍深度不足1 mm，環(huán)氧瀝青熱固性賦予了其混合料優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。相同輪壓條件下，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨玄武巖纖維摻量增加先增大后減小，車轍深度呈先減小后增大趨勢(shì)，在玄武巖纖維摻量為6%時(shí)環(huán)氧瀝青混合料的高溫性能最優(yōu)，分析以為，“橋接”和“搭接”分散在環(huán)氧瀝青混合料中的玄武巖纖維起到了增韌阻裂、加筋、增黏、穩(wěn)定作用，纖維形成的加筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙、限制了高溫荷載作用下集料的轉(zhuǎn)向位移和膠漿的壓密變形，從而提高了環(huán)氧瀝青混合料的整體性和高溫穩(wěn)定性。環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著試驗(yàn)鋼輪接地壓強(qiáng)增大而逐漸減小，車轍變形量不斷增大，環(huán)氧瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)試驗(yàn)輪接地壓強(qiáng)變化極為敏感，試驗(yàn)輪接地壓強(qiáng)由0.70 MPa增大至1.40 MPa，超載100%。0wt%、2wt%、4wt%、6wt%、8wt%、10wt%玄武巖纖維環(huán)氧瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別衰減至初始值(標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件)的7.7%、12.5%、14.7%、17.3%、12.4%、9.9%。在1.40 MPa試驗(yàn)輪荷載作用下，2wt%～10wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度范圍為1 365～2 898 times/mm，比普通環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)能穩(wěn)定度增加了45%～207%，車轍深度降低了35.1%～44.2%，尤其是6wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料，在70 ℃、超載100%條件下動(dòng)能穩(wěn)定度仍接近3 000 times/mm，車轍深度不足3 mm，可見(jiàn)摻加玄武巖纖維顯著改善了超載、高溫作用下環(huán)氧瀝青混合料的抗永久變形能力，明顯提高了環(huán)氧瀝青混凝土鋪筑對(duì)高溫、超載行車環(huán)境的適用性。

2.4.3 低溫抗裂性能

固化后的環(huán)氧瀝青勁度模量大，柔性低，延展性差，易脆裂，尤其是低溫環(huán)境條件下環(huán)氧瀝青混合料普遍存在低溫性能不足的問(wèn)題。玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Low temperature performance test results of basalt fiber modified epoxy asphalt mixture

由表6可知，隨著玄武巖纖維摻量增加，環(huán)氧瀝青混合料彎拉強(qiáng)度、跨中撓度、極限彎曲應(yīng)變、荷載-位移包絡(luò)線面積、斷裂能5個(gè)指標(biāo)均呈先增大后減小趨勢(shì)，摻加6wt%玄武巖纖維時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度、跨中撓度、極限彎曲應(yīng)變、荷載-位移包絡(luò)線面積、斷裂能5個(gè)指標(biāo)均達(dá)到最大值。摻加6wt%玄武巖纖維后，普通環(huán)氧瀝青混合料的極限彎曲應(yīng)變由2 579.7×10-6增大至3 787.3×10-6，4wt%～10wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的極限彎曲應(yīng)變>3 000×10-6，滿足JTG/T 3363-02—2019規(guī)范彎曲應(yīng)變>3 000×10-6的要求，玄武巖纖維極大提高了環(huán)氧瀝青混合料的低溫強(qiáng)度和柔性變形能力。相較于普通環(huán)氧瀝青混合料，摻加2wt%～10wt%玄武巖纖維后，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的荷載-位移包絡(luò)線面積、斷裂能分別增大了44.9%～138.1%、25.5%～106.3%，可見(jiàn)摻加玄武巖纖維有助于提高破壞強(qiáng)度，增加裂紋的擴(kuò)展路徑長(zhǎng)度，纖維的阻裂作用延緩了裂紋的發(fā)展，增加了試件破壞能量。

2.4.4 抗疲勞性能

環(huán)氧瀝青混合料橋面鋪裝的設(shè)計(jì)壽命不小于15年，在服役期間承受環(huán)境極端高低溫、車輛荷載重復(fù)作用，其應(yīng)具備優(yōu)異的抗疲勞性能，不產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂病害。疲勞試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命有百萬(wàn)次，試驗(yàn)加載耗時(shí)長(zhǎng)，故本文只進(jìn)行了普通環(huán)氧瀝青混合料和6wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料兩組對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7，疲勞曲線見(jiàn)圖5。

表7 環(huán)氧瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Fatigue test results of epoxy asphalt mixture

圖5 不同玄武巖纖維摻量下環(huán)氧瀝青的疲勞曲線Fig.5 Fatigue curves of epoxy asphalt with different addition of basalt fibers

由表7可知，在800×10-6、1 000×10-6、1 200×10-6、1 500×10-6應(yīng)變水平下，6wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命分別比普通環(huán)氧瀝青混合料提高了33.2%、40.3%、45%、52.2%，可見(jiàn)摻加玄武巖纖維顯著改善了環(huán)氧瀝青混合料的抗疲勞性能，并且應(yīng)變水平越高，玄武巖纖維對(duì)環(huán)氧瀝青混合料疲勞壽命的改善效果越明顯。由圖5可知，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)變水平提高呈負(fù)線性相關(guān)，疲勞方程擬合優(yōu)化度R2>0.98，相較于普通環(huán)氧瀝青混合料，6wt%玄武巖纖維改性瀝青混合料疲勞方程的斜率絕對(duì)值減小了13.5%，疲勞方程截距增大了4.6%，表明摻加6wt%玄武巖纖維增大了環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命，同時(shí)降低了疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平的敏感性。

2.5 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)

6wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖6所示。

由圖6(a)、(b)可知，玄武巖纖維之間通過(guò)“橋接”“搭接”“錨固”呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布于環(huán)氧瀝青混合料中，存在多個(gè)交織點(diǎn)。在破壞界面處玄武巖纖維橫跨裂縫兩端，在纖維根部有明顯的拉出痕跡，玄武巖纖維貫穿裂紋，一方面將外界荷載傳遞給纖維錨固處的環(huán)氧瀝青混合料，使環(huán)氧瀝青混合料協(xié)同受力，同時(shí)纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，從而分擔(dān)了拉應(yīng)力。另一方面，裂紋產(chǎn)生后，纖維加筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)橫跨裂縫兩端，起到明顯的阻裂和增韌作用，阻止或延緩了裂縫的發(fā)展與擴(kuò)展，增加了裂紋的擴(kuò)展路徑長(zhǎng)度，約束了礦料的滑移和膠漿的壓密變形，從而顯著改善了環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能與高溫穩(wěn)定性。由圖6(c)、(d)可知，玄武巖纖維表面被環(huán)氧瀝青完全裹附，二者黏結(jié)狀況良好，玄武巖纖維有較大的表面積能夠吸附環(huán)氧瀝青，一方面增加了環(huán)氧瀝青混合料的環(huán)氧瀝青用量，這有助于增強(qiáng)界面黏結(jié)強(qiáng)度，減小黏結(jié)失效破壞。另一方面，玄武巖纖維與環(huán)氧瀝青的良好黏結(jié)，使得玄武巖纖維加筋、阻裂、增黏作用發(fā)揮更加充分。纖維就像鋼筋混凝土中的鋼筋一樣，在外界荷載作用時(shí)，先受力有位移趨勢(shì)的部位將力傳遞給周圍纖維，纖維與環(huán)氧瀝青膠漿良好黏結(jié)，最終可形成一個(gè)空間整體的受力區(qū)，纖維加筋網(wǎng)與環(huán)氧瀝青之間的“橋接”“錨固”，進(jìn)一步加強(qiáng)了纖維對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的阻裂和分散應(yīng)力作用。

圖6 玄武巖纖維在環(huán)氧瀝青混合料中的微觀形貌Fig.6 Micro-morphology of basalt fiber in epoxy asphalt mixture

3 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料鋪裝工程應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)研究成果將雙層熱拌玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土應(yīng)用于內(nèi)蒙古呼和浩特市某城市主干線公路鋼橋面鋪裝大修工程。原鋼橋面鋪裝采用雙層7 cm厚SMA瀝青混凝土(3 cm AMA-10+4 cm SMA-13)，服役3年后產(chǎn)生了大量車轍和推移病害，經(jīng)方案比選，熱拌環(huán)氧瀝青混凝土較溫拌瀝青混凝土施工質(zhì)量控制難度低，容錯(cuò)率高，占用車道少，保養(yǎng)時(shí)間短，尤其是環(huán)氧瀝青混合料突出的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能優(yōu)勢(shì)。考慮到本項(xiàng)目近十年極端最低溫平均值小于25 ℃，大中修工程中選擇摻加6wt%玄武巖纖維。局部清除原鋪裝層后對(duì)鋼橋面板噴砂除銹(表面清潔度Sa2.5級(jí)，粗糙度60～140 μm)，噴涂環(huán)氧富鋅底漆(用量0.2 kg/m2)，灑布防水黏結(jié)層(2層甲基丙烯酸甲酯樹脂，用量3.0 kg/m2，環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑，用量0.7 kg/m2)，攤鋪4.0 cm厚EA-10玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝下層(玄武巖纖維摻量6wt%)，灑布環(huán)氧瀝青黏結(jié)劑(用量0.45 kg/m2)，攤鋪3.0 cm EA-10玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝磨耗層(玄武巖纖維摻量6wt%)。2016年5月施工完成后，玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土鋪筑已經(jīng)服役長(zhǎng)達(dá)3年，連續(xù)3年現(xiàn)場(chǎng)回訪調(diào)查均未見(jiàn)明顯高溫車轍和低溫開(kāi)裂病害，僅與SMA鋪裝接縫處有輕微開(kāi)裂，但開(kāi)裂并未發(fā)展為松散脫落，這是接縫處理不當(dāng)所致，總體上，雙層玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料用于鋼橋面病害修補(bǔ)取得了滿意的使用效果，達(dá)到了研究應(yīng)用目的。

4 結(jié) 論

(1)摻加玄武巖纖維后環(huán)氧瀝青的黏度增大，容留時(shí)間減短。在玄武巖纖維摻量為6wt%時(shí)玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率、貫入剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值。

(2)摻加玄武巖纖維顯著改善了重載、高溫作用下環(huán)氧瀝青混合料的抗車轍能力，隨著玄武巖纖維摻量增加，環(huán)氧瀝青混合料彎拉強(qiáng)度、跨中撓度、極限彎曲應(yīng)變、荷載-位移包絡(luò)線面積、斷裂能5個(gè)指標(biāo)均呈先增大后減小趨勢(shì)，摻加玄武巖纖維有助于提高破壞強(qiáng)度，增加裂紋擴(kuò)展路徑長(zhǎng)度，顯著改善環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性能和抗疲勞耐久性。

(3)玄武巖纖維與環(huán)氧瀝青的良好黏結(jié)強(qiáng)度，使得玄武巖纖維加筋、阻裂、增黏作用發(fā)揮更加充分，摻加玄武巖纖維提高了環(huán)氧瀝青混合料的整體性，玄武巖纖維的加筋、阻裂和增韌作用，阻止和延緩了破壞裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

(4)實(shí)體工程應(yīng)用表明6wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料比雙層SMA鋼橋面鋪裝表現(xiàn)出了更優(yōu)異的抗車轍性能，將6wt%玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土應(yīng)用于高寒地區(qū)鋼橋面鋪裝是可行的。