玄武巖纖維瀝青膠漿及混合料的低溫性能關(guān)聯(lián)性

李震南，申愛(ài)琴，郭寅川，吳 華

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

低溫開(kāi)裂是瀝青路面常見(jiàn)的病害之一，而瀝青膠漿及混合料的低溫性能是影響瀝青路面低溫開(kāi)裂的重要因素[1-2].玄武巖纖維(BF)作為一種新型環(huán)保路面材料，具有模量高、耐久性好、與瀝青相容性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)瀝青膠漿及混合料的低溫性能有良好的改善作用[3-4].Davar等[5]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能提高瀝青混合料的低溫變形能力，減少瀝青路面開(kāi)裂.Tanzadeh等[6]認(rèn)為玄武巖纖維能顯著提高瀝青混合料的強(qiáng)度.吳萌萌等[7]研究表明在合理?yè)搅肯滦鋷r纖維能改善瀝青膠漿的低溫抗裂性，但纖維摻量過(guò)大會(huì)對(duì)其抗裂性產(chǎn)生不利影響.馬立杰等[8]研究表明玄武巖纖維能增加高模量瀝青的柔韌性和強(qiáng)度，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了初步探究.覃瀟等[9]認(rèn)為玄武巖纖維瀝青膠漿及混合料的路用性能具有良好的相關(guān)性，但未對(duì)其低溫指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析.以上研究主要集中于玄武巖纖維瀝青膠漿(BFAM)或混合料的低溫性能，未對(duì)兩者間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行定量分析，更缺乏玄武巖纖維對(duì)瀝青低溫性能改善機(jī)理的深入研究.此外，針對(duì)纖維瀝青膠漿的低溫性能，目前尚未有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo).

基于此，本文通過(guò)拉伸試驗(yàn)研究了BFAM的低溫性能，并提出了多種評(píng)價(jià)指標(biāo)；采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)了玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能，并對(duì)兩者的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行定量分析；同時(shí)對(duì)BFAM相態(tài)變化及玄武巖纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試與表征，深入分析了BF對(duì)瀝青膠漿及混合料低溫性能的改善機(jī)理，為玄武巖纖維瀝青路面的發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

瀝青為盤(pán)錦90#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；纖維為浙江石金公司生產(chǎn)的玄武巖纖維(BF)短切絲，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2；粗集料為玄武巖碎石，細(xì)集料為石灰?guī)r碎石，填料為石灰?guī)r礦粉，原材料各項(xiàng)性能均滿(mǎn)足要求.

表1 瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 BF的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用AC-13型瀝青混合料，其級(jí)配見(jiàn)表3.采用馬歇爾法確定不同玄武巖纖維摻量(1)文中涉及的摻量、油石比、粉膠比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.wBF下的最佳油石比(mA/mS)，結(jié)果見(jiàn)表4.

表3 瀝青混合料級(jí)配組成

表4 不同BF摻量下的最佳油石比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1拉伸試驗(yàn)

將瀝青加熱至(165±5)℃，加入礦粉(粉膠比為1∶2)，拌和后加入相應(yīng)摻量的BF并攪拌均勻，在玻璃板上成型厚度均勻的BFAM板狀試件，試件尺寸為15cm×12cm.試驗(yàn)前將試件分別在-10、-20℃ 下保溫3h后，在低溫環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行拉伸試驗(yàn).MTS試驗(yàn)機(jī)拉伸速度為10mm/min，當(dāng)拉力衰減為極限拉力(Fu)的50%時(shí)停止試驗(yàn)，得到試件的荷載-位移(F-δ)曲線.典型的F-δ曲線見(jiàn)圖1.

圖1 典型的F-δ曲線Fig.1 Typical F-δ curve

通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)試BFAM的極限拉力，以此表征膠漿在不同低溫環(huán)境下的抗裂性能.另外，纖維膠漿的變形能力對(duì)其抗裂性能也有較大影響，因此引入拉伸斷裂能U(達(dá)到極限拉力前荷載-位移曲線面積，即圖1中陰影部分面積)來(lái)綜合評(píng)價(jià)膠漿的低溫性能，纖維膠漿拉伸斷裂能U為：

(1)

式中：δ0為極限拉力對(duì)應(yīng)的位移，m.

1.3.2低溫彎曲試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，分別在-10、-20℃下進(jìn)行瀝青混合料的彎曲試驗(yàn)，并計(jì)算不同BF摻量下混合料的彎拉強(qiáng)度(RB)、彎拉應(yīng)變(εB)和應(yīng)變能密度(dW/dV)，以此評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能.

1.3.3灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法

灰色關(guān)聯(lián)度作為一種多屬性決策工具，通過(guò)計(jì)算主序列(目標(biāo)值)與子序列(影響因素)之間的關(guān)聯(lián)度，并對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，從而尋找影響主序列的主要因素，計(jì)算步驟如下[10].

(1)對(duì)各子序列進(jìn)行均值化處理，得到參考序列：

(2)

(2)計(jì)算比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù):

(3)

Δi(k)=|X′0(k)-X′i(k)|

(4)

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)度γi:

(5)

若子序列X′i(k)與比較序列X′0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)γi越大，說(shuō)明X′i(k)對(duì)X′0(k)的影響越大.

2 結(jié)果與討論

2.1 BFAM的低溫性能

BFAM的極限拉力和拉伸斷裂能分別見(jiàn)圖2、3.由圖2、3可見(jiàn)：BFAM在-10℃下的極限拉力和拉伸斷裂能隨著纖維摻量wBF的增大而增加，但其增長(zhǎng)幅度逐漸變緩慢；隨纖維摻量增加，BFAM在-20℃下的極限拉力和拉伸斷裂能出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在0.4%摻量下其極限拉力和拉伸斷裂能均達(dá)到最大值；與普通瀝青膠漿(玄武巖纖維摻量為0%)相比，玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿的低溫性能具有明顯的增強(qiáng)效果，在0.4%摻量時(shí)-10℃下BFAM的極限拉力是普通瀝青膠漿的5.4倍，-20℃下其極限拉力、拉伸斷裂能分別是普通瀝青膠漿的5.6、4.6倍.

圖2 BFAM的極限拉力Fig.2 Ultimate tension of BFAM

圖3 BFAM的拉伸斷裂能Fig.3 Tensile fracture energy of BFAM

在瀝青基體受拉應(yīng)力時(shí)，玄武巖纖維與基體共同受力，且其具有較高的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，因此能大幅度提高瀝青膠漿的極限拉力和拉伸斷裂能.當(dāng)玄武巖纖維摻量過(guò)多時(shí)，纖維束無(wú)法分散為均勻的纖維絲，降低了瀝青對(duì)纖維的裹覆程度，纖維與瀝青無(wú)法形成均勻、穩(wěn)定的整體，從而削弱玄武巖纖維的增強(qiáng)效果，宏觀表現(xiàn)為低溫指標(biāo)降低或增幅變緩[11].

2.2 玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能

瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?chǔ)臖、彎拉強(qiáng)度RB與應(yīng)變能密度dW/dV見(jiàn)圖4、5.由圖4可見(jiàn)：隨玄武巖纖維摻量增加，低溫下瀝青混合料的彎拉應(yīng)變先增大后減小；當(dāng)玄武巖纖維摻量由0%增加至0.2%、0.3%和0.4%時(shí)，-10℃下瀝青混合料的彎拉應(yīng)變分別增加了8.0%、18.3%和19.0%，-20℃下混合料的彎拉應(yīng)變分別增加了9.0%、15.5%和25.0%;當(dāng)纖維摻量增加至0.5%時(shí)，混合料的彎拉應(yīng)變出現(xiàn)減小的趨勢(shì)；與普通瀝青混合料相比，-10、-20℃下BF摻量為0.4%的瀝青混合料彎拉應(yīng)變?cè)龇謩e為19.0%、25.0%，即隨溫度降低瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?cè)龇兇?由此表明，在合理的玄武巖纖維摻量下混合料對(duì)低溫環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性.由圖5可見(jiàn)：玄武巖纖維瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度、應(yīng)變能密度與其彎拉應(yīng)變有相同的變化規(guī)律，均在玄武巖纖維摻量為0.4%摻量時(shí)達(dá)到峰值.

圖4 瀝青混合料的彎拉應(yīng)變Fig.4 Bending strain of asphalt mixtures

圖5 瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和應(yīng)變能密度Fig.5 Bending strength and strain energy density of asphalt mixtures

普通瀝青混合料的裂縫發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖6.彎曲試驗(yàn)加載過(guò)程中：初期普通瀝青混合料和玄武巖纖維瀝青混合料均未發(fā)生破壞，玄武巖纖維的增強(qiáng)作用不明顯；隨荷載的持續(xù)增加，荷載和變形超過(guò)普通瀝青混合料的極限后，普通混合料底部出現(xiàn)裂縫并向上擴(kuò)展，見(jiàn)圖6(a)；接著裂縫會(huì)快速發(fā)展，最終形成貫穿裂縫，導(dǎo)致試件的整體破壞，見(jiàn)圖6(b).

玄武巖纖維瀝青混合料在彎曲試驗(yàn)加載初期，其所受荷載較小，玄武巖纖維與混合料基體作為一個(gè)整體共同承受荷載作用，并通過(guò)纖維-瀝青界面的黏結(jié)作用將應(yīng)力傳遞至纖維.彎曲試驗(yàn)加載過(guò)程中：在玄武巖纖維瀝青混合料中，首先是橫跨在微裂縫或薄弱部位兩側(cè)的橋接纖維承受荷載作用，約束微裂紋的發(fā)展；隨著荷載的繼續(xù)增加，玄武巖纖維瀝青混合料內(nèi)部的微裂縫逐漸擴(kuò)展，成為宏觀裂縫，此時(shí)混合料內(nèi)部的玄武巖纖維承受更大的荷載應(yīng)力，減慢開(kāi)裂速度，混合料仍具有較強(qiáng)的承載能力；隨著荷載不斷增長(zhǎng)，瀝青混合料底部的玄武巖纖維不斷被拉伸、拔出，位置偏上的玄武巖纖維開(kāi)始承受荷載作用，進(jìn)一步提高混合料的抗裂性能.當(dāng)玄武巖纖維瀝青混合料達(dá)到承載能力的極限后，裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展，玄武巖纖維被拔出、脫膠、拉斷等，混合料的承載能力降低.玄武巖纖維拔出、拉斷等過(guò)程同樣消耗能量，因此與普通混合料相比，玄武巖纖維瀝青混合料具有較高的彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和應(yīng)變能密度.

圖6 普通瀝青混合料裂縫發(fā)展過(guò)程Fig.6 Crack development process of ordinary asphalt mixture

此外，玄武巖纖維的增強(qiáng)效果與其摻量密切相關(guān)：當(dāng)玄武巖纖維摻量過(guò)小時(shí)，對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)效果不明顯；當(dāng)玄武巖纖維摻量過(guò)多時(shí)，纖維難以均勻分散，纖維結(jié)團(tuán)、卷曲，纖維絲相互重疊，形成受力薄弱面，降低混合料的抗裂性能.

2.3 關(guān)聯(lián)性分析

由BFAM及混合料的低溫性能試驗(yàn)結(jié)果可知，玄武巖纖維摻量對(duì)BFAM及混合料有相似的影響規(guī)律，但目前兩者低溫指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性鮮有報(bào)道.JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中主要以-10℃時(shí)的彎拉應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，此外，中國(guó)北方季凍區(qū)及重冰凍區(qū)冬季氣溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于-10℃，因此本文以-10、-20℃ 下各纖維摻量的玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變?yōu)楸容^序列，分析各子序列(-10℃ 和-20℃ 下BFAM的極限拉力和拉伸斷裂能)與比較序列的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 BFAM的低溫性能指標(biāo)與玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果

由表5可見(jiàn)：BFAM低溫性能指標(biāo)與玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變的灰色關(guān)聯(lián)度排序依次為：-20℃拉伸斷裂能>-20℃極限拉力>-10℃拉伸斷裂能>-10℃極限拉力.-20℃時(shí)BFAM的拉伸斷裂能與玄武巖纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變的關(guān)聯(lián)程度最大.因此在以后研究中，應(yīng)采用-20℃下瀝青膠漿的拉伸斷裂能評(píng)價(jià)玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能，并可以通過(guò)該指標(biāo)初步優(yōu)選纖維規(guī)格.

2.4 BFAM的相態(tài)變化分析

為深入研究BFAM性能的改善機(jī)理，采用差示掃描量熱(DSC)分析法探討B(tài)FAM在受熱過(guò)程中的相態(tài)變化，最佳玄武巖纖維摻量(0.4%)下BFAM及普通瀝青膠漿的DSC曲線見(jiàn)圖7.

由圖7可見(jiàn)：BFAM的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比普通瀝青膠漿低3.75℃，意味著B(niǎo)FAM處于高彈態(tài)的溫度范圍更大，其在低溫環(huán)境下具有更好的黏彈性；BFAM的彈流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度與普通瀝青膠漿相差不大，但在相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，BFAM的吸熱量高于普通瀝青膠漿，吸熱量增加0.1525J/g.在高彈態(tài)與黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，BFAM需要吸收更多的熱量以完成相態(tài)變化，因此其具有良好的熱穩(wěn)定性.玄武巖纖維絲直徑為6～9μm，具有較大的比表面積，能吸附瀝青中的輕質(zhì)組分，使在轉(zhuǎn)化溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生相態(tài)變化的分子數(shù)量減少，從而使瀝青膠漿具有良好的低溫性能和熱穩(wěn)定性.

圖7 BFAM和普通瀝青膠漿的DSC曲線Fig.7 DSC curves of BFAM and ordinary asphalt mortar

2.5 玄武巖纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電鏡(SEM)測(cè)試了普通瀝青混合料和玄武巖纖維瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)，如圖8所示.

由圖8可見(jiàn)：普通瀝青混合料內(nèi)部連接較薄弱，集料與瀝青間存在不同程度的剝離，其整體性較差；玄武巖纖維瀝青混合料具有較好的整體性，瀝青、纖維和礦料連接成一體，無(wú)明顯的剝離現(xiàn)象.究其原因，主要是玄武巖纖維對(duì)瀝青有較強(qiáng)的吸附作用，使瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青增多，自由瀝青減少，瀝青膜厚度增加，從而提高集料與瀝青間的黏結(jié)力，增強(qiáng)了混合料的整體性，因此其性能優(yōu)于普通瀝青混合料.

玄武巖纖維在瀝青混合料中的分散狀態(tài)見(jiàn)圖9.由圖9(a)可見(jiàn)：玄武巖纖維縱橫交錯(cuò)，相互重疊，形成致密結(jié)構(gòu).當(dāng)瀝青混合料受力變形時(shí)，玄武巖纖維結(jié)構(gòu)分散和傳遞應(yīng)力，有效地避免了應(yīng)力集中，使混合料的受力和變形更均勻.

圖8 玄武巖纖維瀝青混合料和普通瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of basalt fiber asphalt mixture and ordinary asphalt mixture

圖9 玄武巖纖維在瀝青混合料中的分散狀態(tài)Fig.9 Dispersion state of BF in asphalt mixture

由圖9(b)可見(jiàn)：玄武巖纖維跨越孔隙及裂紋，形成橋接纖維，約束裂紋的發(fā)展.當(dāng)荷載作用時(shí)，橫跨在微裂紋處的玄武巖纖維承受應(yīng)力；隨荷載持續(xù)作用，玄武巖纖維被拉斷或拔出，裂縫才能進(jìn)一步擴(kuò)展.通過(guò)玄武巖纖維的加筋阻裂作用，延緩裂紋的擴(kuò)展，從而提高瀝青混合料的抗裂性.

3 結(jié)論

(1)BFAM與混合料的低溫性能有良好的關(guān)聯(lián)性，-20℃下BFAM的拉伸斷裂能與混合料的彎拉應(yīng)變關(guān)聯(lián)度最大，推薦采用-20℃下BFAM的拉伸斷裂能來(lái)評(píng)價(jià)玄武巖纖維瀝青混合料的低溫性能.

(2)基于低溫性能推薦玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%，-20℃下最佳玄武巖纖維摻量BFAM的拉伸斷裂能是普通瀝青膠漿的4.6倍，-10、-20℃ 下玄武巖纖維瀝青混合料的彎拉應(yīng)變比普通瀝青混合料分別提高19.0%、25.0%.

(3)BFAM具有良好的低溫性能和熱穩(wěn)定性，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比普通瀝青膠漿低3.75℃，從高彈態(tài)到黏流態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中吸熱量增加0.1525J/g.

(4)普通瀝青混合料內(nèi)部連接較薄弱，集料與瀝青間剝離嚴(yán)重，摻入玄武巖纖維增強(qiáng)了瀝青混合料的整體性，同時(shí)玄武巖纖維能承受和傳遞應(yīng)力，約束裂紋擴(kuò)展，從而改善瀝青混合料的抗裂性.