數字圖像散斑技術的玄武巖纖維瀝青混合料長期抗裂性能分析

肖 鵬，裴昭輝，吳幫偉，康愛紅，寇長江，吳 星,3

(1.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省玄武巖纖維復合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚州 225127；3.瑞爾森大學，加拿大 多倫多 ON M5B 2K3)

0 引言

瀝青混合料在反復交通負荷和環境影響下，極易發生各種類型的開裂，從而降低其道路性能，導致其使用質量和使用壽命下降[1-2]。因此，許多研究人員對瀝青混合料抗裂性能展開了研究，認為纖維可有效改善瀝青混合料的抗裂性能[3-6]。

瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(stone matrix asphalt, SMA)作為一種性能優異的混合料，被廣泛應用于工程實踐中。木質素纖維(lignin fiber, LF)[7]對瀝青有較強的吸附性，目前已被廣泛應用于纖維SMA路面，從而減小SMA瀝青路面中的瀝青用量。但由于木質素纖維強度較低，其增強效果主要在于對瀝青的吸附，增強性能效果并不明顯。玄武巖纖維(basalt fiber, BF)[8]作為一種新型無機纖維材料，因其高強度、耐久性、穩定性和環保性的優勢被稱為“無污染高性能材料”，有必要進一步對摻入玄武巖纖維的SMA型瀝青路面抗裂性能進行研究。

目前，關于瀝青混合料抗裂性能的測試方法主要有低溫小梁彎曲試驗[9]、間接拉伸開裂試驗[10]和半圓彎拉試驗[11]等。雖然這些方法可以有效區分不同瀝青混合料的抗裂性能，但其測試結果往往是最終的宏觀性能指標，測試方法耗時較長，評價參數較為單一，難以對瀝青混合料的開裂過程進行跟蹤評估[12]。而數字圖像散斑技術是一種光學和非接觸式測量技術，可以在不同變形狀態下捕獲被測表面的全場位移和應變信息，從而打破了傳統測量方法的局限性，為測試瀝青混合料提供了更全面的荷載和變形響應信息[13-15]。因此，為更科學地對瀝青混合料開裂性能進行研究，本文采用數字圖像散斑技術對其開裂行為進行系統分析。同時，纖維瀝青混合料性能的研究不能局限于性能本身，其長期性能的研究也十分重要，研究纖維瀝青混合料在不同老化階段的抗裂性能具有重要的理論意義和實際價值。

因此，本研究選取兩種常用的纖維(LF和BF)為研究對象，制備木質素纖維瀝青混合料(lignin fiber asphalt mixtures, LFSMA-13)和玄武巖纖維瀝青混合料(basalt fiber asphalt mixtures, BFSMA-13)試件，通過半圓彎拉試驗研究纖維對不同老化階段(未老化、短期老化、長期老化)瀝青混合料抗裂性能的影響，采用數字圖像散斑技術跟蹤瀝青混合料的開裂過程，計算實時裂紋擴展長度L和平均裂紋擴展速率V，評價纖維類型對瀝青混合料抗裂性能的影響。采用掃描電子顯微鏡試驗分析木質素纖維和玄武巖纖維在混合料中的分布，揭示纖維的強化機制。研究結果可為設計具有良好抗裂性能的瀝青路面以及高效分析瀝青混合料開裂性能提供參考。

1 試驗材料

1.1 瀝青

選擇苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer, SBS)改性瀝青(PG 76-22)進行實驗室測試，其各項性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[16]的標準。

1.2 纖維

本文采用兩種纖維(木質素纖維和玄武巖纖維)，木質素纖維(見圖1a)外觀呈灰白色，非常柔軟；玄武巖纖維(見圖1b)外觀呈金棕色，質地堅硬，長度為6 mm。木質素纖維和玄武巖纖維的性質見表1。

(a)木質素纖維 (b)玄武巖纖維

表1 纖維的性質

1.3 礦料

集料采用玄武巖骨料，填料是石灰巖礦粉。對骨料和填料的性質進行了測試，其各項性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[16]的標準。

2 試驗方法

2.1 試驗過程

2.1.1 瀝青混合料組成設計

按照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[16]規定，采用馬歇爾方法進行SMA-13瀝青混合料配合比設計，設計級配如表2所示。根據本課題組的初步研究成果和實際工程經驗，木質素纖維摻量為SMA-13質量的0.3%，玄武巖纖維摻量則為SMA-13質量的0.4%，設計結果如表3所示。

表2 SMA-13設計級配

表3 纖維瀝青混合料馬歇爾設計結果 %

2.1.2 瀝青混合料老化方法

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[17]中的瀝青混合料老化方法(T0734—2000)制備不同老化狀態下的混合料試件。其中，短期老化混合料用于模擬在施工周期內的瀝青混合料，長期老化混合料用于模擬已經服役5年至7年的瀝青混合料。對于短期老化方法，將松散瀝青混合料在搪瓷盤上均勻鋪展至約50 mm的高度，放置于(135±1)℃的強制通風烘箱內，每隔1 h對混合料進行翻拌，連續加熱4 h±5 min后從烘箱中取出混合料，并通過旋轉壓實機成型試件。對于長期老化方法，用短期老化后壓實的試件冷卻脫模后，放入(85±3)℃烘箱中連續加熱(120±0.5)h，獲得混合料試件，待冷卻后對試件進行性能測試。

2.2 半圓彎拉試驗

采用美國AASHTO TP 105—13[18]標準測試方法中半圓彎曲試驗方法測試常溫下瀝青混合料試件，半圓柱形試件的尺寸直徑為150 mm，厚度為50 mm。試件需要提前在其底部預留一定長度的狹縫，如圖2所示，以揭示具有初始裂紋的混合料的抗裂性，以及發生裂紋后的裂紋膨脹情況。

圖2 半圓彎拉試驗中預切縫長度示意圖

對于半圓彎曲試驗，將半圓柱形混合料試件置于萬能試驗機中，通過上部金屬柱添加負載(見圖3)。試驗在25 °C下進行，加載速度為50 mm/min，記錄了荷載-變形曲線。柔性指數(flexibility index, FI)可以用式(1)～式(3)表示。

圖3 半圓彎拉試驗的測試圖片

(1)

Arealig=韌性區長度×t；

(2)

(3)

其中：Gf為斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J；Arealig為韌性區面積，mm2；t為試件厚度，mm；|m|為峰值后斜率絕對值，kN/mm；A為單位轉換和縮放，A=0.01。

2.3 數字圖像散斑技術試驗

數字圖像散斑技術是一種將現代圖像編程技術與光學測量分析相結合的測試方法，可以通過數碼相機像素收集不同疲勞載荷周期下半圓形試樣表面的圖像位移數據。數字圖像散斑技術的基本原理是在變形前將目標區域劃分為圖像中的多個子區域，根據每個子區域的灰度特征值，在變形圖像中找到與參考圖像中相關性最好的子區域[19]。使用MATLAB軟件(MATLAB 2019a)中的Ncorr程序計算子區域的位移，換算得到待測點的實際位移。為了量化纖維瀝青混合料的動態裂紋形成特征，通過數字圖像散斑技術分析結果，得出選定分析區域的實時裂紋擴展長度L和平均裂紋擴展速率V，來揭示瀝青混合料的抗變形能力，所選圖像的實時裂紋擴展長度L(實時裂紋尖端坐標如圖4所示)和平均裂紋擴展速率V根據式(4)和式(5)計算[20]。

(a) 實時裂紋尖端區域 (b) 實時裂紋尖端坐標

(4)

(5)

其中：δ為照片尺寸像素的轉化因數；t為所選測試過程的時間(即拍攝測試圖像的時間間隔)，s。所選測試過程的總時間為15 s，因為所有試樣在15 s內都顯示出明顯的裂紋。

2.4 掃描電子顯微鏡試驗

為了觀察纖維對瀝青混合料的形貌，采用美國ASTM E 2438—2005[21]標準測試方法中掃描電子顯微鏡試驗來表征木質素纖維、玄武巖纖維及其相應的SMA瀝青混合料的表面微觀結構，以探究不同纖維對SMA混合料性能影響的機理。

3 結果與分析

3.1 半圓彎拉試驗結果與分析

半圓彎拉試驗結果如圖5所示，在不同老化階段，BFSMA-13的Gf始終大于LFSMA-13的Gf；在長期老化階段，兩者之間的差值達到最大，此時LFSMA-13的Gf約為BFSMA-13的58.4%。這說明BFSMA-13裂縫開展過程中所需的總能量大于LFSMA-13。即從裂縫開展全過程來看，玄武巖纖維可以更好地提高SMA-13瀝青混合料抵抗裂縫的能力。

(a) 斷裂能 (b) 柔性指數標

從FI指數來看，BFSMA-13的裂縫開展速度始終低于LFSMA-13。短期老化后BFSMA-13的FI比未老化時減小11.51%，長期老化后BFSMA-13的FI比未老化的FI減小16.95%。短期老化后LFSMA-13的FI比未老化的FI減小18.04%，長期老化后LFSMA-13的FI比未老化時減小29.63%。從裂縫開展速度的角度來看，BFSMA-13的抗老化性能也優于LFSMA-13。原因可能是混合料開裂后骨料之間的相對位移，而短切的玄武巖纖維在混合料中起增強作用，這抵消了部分應力，減緩了混合料裂紋的形成速度，并有效地延緩了裂紋的傳播。

3.2 數字圖像散斑技術試驗結果與分析

以未老化的LFSMA-13和BFSMA-13的垂直位移云圖為例(見圖6)。當加載到5 s時，半圓形試件裂縫附近區域的位移變動很小。隨著加載時間的增加，位移規律逐漸明顯，表明混合料中的瀝青砂漿和骨料出現協同變化。當加載到10 s以及更久時，纖維類型對混合料的位移發生不同程度的位移變化。這進一步表明，玄武巖纖維在SMA-13中起到“加筋”、增強作用，有效減緩混合料整體位移的變化。

(a) LFSMA-13(加載5 s) (b) LFSMA-13(加載10 s) (c) LFSMA-13(加載15 s)

圖7為不同老化階段下兩種纖維瀝青混合料的實時裂紋擴展長度，不同老化階段的BFSMA-13的裂紋起裂時間均比LFSMA-13晚。該結果進一步證明玄武巖纖維在裂紋萌生階段比木質素纖維具有增強抗裂性能。從平均裂紋擴展速率V(見表4)來看，在未老化、短期老化和長期老化階段，BFSMA-13的V值分別為LFSMA-13的V值的53.53%、48.35%和53.94%。

圖7 不同老化階段下纖維瀝青混合料的實時裂紋擴展長度

表4 不同老化階段下纖維瀝青混合料的平均裂紋擴展速率V mm/s

此外，選取不同老化階段的兩種纖維瀝青混合料的FI指數(基于半圓彎曲試驗得到的指數)與V進行相關性分析。圖8顯示線性擬合得到的相關系數R達到了0.9，表明FI指數與V具有良好的相關性。進一步驗證數字圖像散斑技術可以合理評估瀝青混合料的抗損傷和開裂特性。

圖8 FI指數與平均裂紋擴展速率V的線性擬合指標相關性分析

3.3 掃描電子顯微鏡試驗結果與分析

木質素纖維和玄武巖纖維的掃描電子顯微鏡圖像如圖9所示，相應瀝青混合料的掃描電子顯微鏡圖像如圖10所示。

(a) 木質素纖維 (b) 玄武巖纖維

(a) LFSMA-13 (b) BFSMA-13

由圖9可以看出：木質素纖維質地較軟，容易卷曲纏繞，而玄武巖纖維形態均勻，質地較硬，不易彎曲纏繞。木質素纖維在混合料中主要起著吸油作用，從而使得瀝青膠結料和集料可以更好地吸附在一起，而玄武巖纖維形態的穩定均勻性、較大的彈性模量和抗拉強度使得其在混合料中的傳力性能較好。

如圖10a所示，木質素纖維可以在混合料中形成三維網狀結構，但由于其抗拉強度較低，所以在混合料中容易彎曲纏繞，因此在混合料破壞時并不能有效地承擔混合料內部的應力，這種結構主要有助于木質素纖維吸附SMA-13內部多余的瀝青，從而使得骨料之間的瀝青膠漿的分布更為穩定，通過增加骨料表面的瀝青膜厚來增強骨料與骨料之間的黏結能力，從而達到強化混合料性能的作用。由圖10b可知：玄武巖纖維在SMA-13中也可以形成較好的三維網狀結構[22]，其在混合料中并未發生彎曲纏繞的現象。由于其優異的力學性能[23]，從而可以分擔部分混合料內部的應力，并使得應力可以在混合料內部的薄弱區(由于混合料攤鋪過程不是均勻的，一些地方較為薄弱)更好地傳遞，從而延緩病害的產生，可以更好地在SMA-13瀝青混合料中發揮其更大的作用。

4 結論

(1)隨著老化程度的加深，LFSMA-13和BFSMA-13的抗裂性能均變差。在不同老化程度下，BFSMA-13的抗裂性能均優于LFSMA-13。

(2)半圓彎拉試驗結果的FI指數與數字圖像散斑技術試驗結果的V值具有較好的相關性，數字圖像散斑技術試驗可以較為高效地反映不同老化階段瀝青混合料的抗裂性能。

(3)玄武巖纖維可以通過與SMA-13協同作用來提高瀝青混合料的抗裂性能，木質素纖維能吸附SMA-13中多余的游離瀝青。