玄武巖纖維瀝青混合料開裂性能預(yù)測(cè)

孔賀譽(yù)，吳 星，康愛紅, 2，張永健，范 釗，王本帥

(1. 揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2. 江蘇省玄武巖纖維復(fù)合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225127；3. 江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 210049)

0 引言

瀝青路面是中國(guó)高等級(jí)道路的主要鋪面形式[1-2]，但日益增加的交通荷載以及極端的環(huán)境條件，對(duì)瀝青路面材料性能提出了更高的要求[3-4]。傳統(tǒng)的木質(zhì)素纖維改性瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(lignin fiber modified stone matrix asphalt-13, LFSMA-13)被廣泛應(yīng)用于瀝青路面的上面層，然而其仍然經(jīng)受著各種各樣的路面病害[5-6]。其中，開裂病害的影響較大，因?yàn)槠淙菀讓?dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象[7-8]，從而誘導(dǎo)出其他病害形式。

玄武巖纖維作為一種綠色環(huán)保的高強(qiáng)度材料[9-10]，越來越多的學(xué)者開始將其使用在不同級(jí)配瀝青混合料中以增強(qiáng)其混合料的性能[11-12]。文獻(xiàn)[13-14]研究表明：玄武巖纖維可以較好地增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能。然而，關(guān)于玄武巖纖維改性瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(basalt fiber modified stone matrix asphalt-13, BFSMA-13)的長(zhǎng)期性能的研究以及玄武巖纖維在瀝青混合料中的增強(qiáng)作用機(jī)理的研究卻很少。

理想開裂試驗(yàn)(ideal cracking test, IDEAL-CT)是近幾年提出的一種較為科學(xué)可靠的混合料開裂測(cè)試手段[15-16]。同時(shí)，美國(guó)州公路及運(yùn)輸協(xié)會(huì)(American state highway and transportation association, AASHTO)提出了關(guān)于瀝青混合料室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)的規(guī)范[17-18]，因此本文采用其提出的室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)對(duì)不同老化程度的瀝青混合料進(jìn)行成型與開裂性能測(cè)試。目前，關(guān)于玄武巖纖維的增強(qiáng)作用機(jī)理的研究主要集中于掃描電鏡觀測(cè)等手段，以揭示玄武巖纖維在混合料中的物理三維網(wǎng)狀分布[19-20]情況。有研究表明，紅外光譜分析有助于深入了解有機(jī)及無(wú)機(jī)材料的化學(xué)官能團(tuán)含量[21-22]，且可以在一定程度上反映材料的性能，因此可以采用紅外光譜分析玄武巖纖維在瀝青混合料老化過程中對(duì)瀝青材料的化學(xué)官能團(tuán)含量的影響，從而反映玄武巖纖維對(duì)瀝青材料的抗老化性能的影響。

因此，為更深入地研究老化對(duì)混合料性能的影響作用機(jī)理以及BFSMA-13瀝青混合料中的增強(qiáng)作用機(jī)理，本文從分析化學(xué)官能團(tuán)的角度對(duì)玄武巖纖維在瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(stone matrix asphalt-13, SMA-13)瀝青混合料中的增強(qiáng)作用機(jī)理進(jìn)行了闡釋。建立基于紅外光譜官能團(tuán)參數(shù)與混合料開裂性能的預(yù)測(cè)模型。本研究有利于更快地對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的開裂性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，從而有助于養(yǎng)護(hù)干預(yù)的及時(shí)實(shí)施，以達(dá)到更耐久、更可靠的路面行車目的。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究使用由鎮(zhèn)江天諾道路材料科技有限公司提供的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer, SBS)改性瀝青，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。本文所用的木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)性能指標(biāo)

表2 纖維主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

本文采用馬歇爾級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)玄武巖纖維及木質(zhì)素纖維進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，具體的SMA-13級(jí)配、玄武巖纖維及木質(zhì)素纖維改性SMA-13混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。依據(jù)之前的工程實(shí)踐及研究結(jié)果，玄武巖纖維摻量定為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，木質(zhì)素纖維的摻量定為0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。為體現(xiàn)纖維對(duì)混合料性能的影響，采用同種級(jí)配，在進(jìn)行油石比調(diào)試后，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。由表4可知：木質(zhì)素纖維SMA-13的油石比偏大，這主要是由于木質(zhì)素纖維的比表面積較大，因此即使木質(zhì)素纖維摻量偏小，木質(zhì)素纖維SMA-13的瀝青用量依舊比玄武巖纖維SMA-13大。

表3 SMA-13級(jí)配設(shè)計(jì)

表4 纖維增強(qiáng)SMA-13級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

1.3 IDEAL-CT開裂試驗(yàn)

圖1 IDEAL-CT測(cè)試力位移曲線示意圖

本文采用的開裂測(cè)試是美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(American society for testing and materials, ASTM)提出的瀝青混合料理想開裂測(cè)試(IDEAL-CT)[23]，其可以反映瀝青混合料起裂階段以及裂縫擴(kuò)展階段的特征參數(shù)。測(cè)試過程中的力位移曲線如圖1所示，其中，P100為峰值荷載所在點(diǎn)，PPP85代表峰值后荷載為85%峰值荷載所在點(diǎn)。本文采用的開裂參數(shù)為Winitial和CTIndex，其中：Winitial為開裂形成功；CTIndex為開裂指數(shù)，可以反映裂縫擴(kuò)展速度。CTIndex的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

其中：Winitial為開裂形成功，即加載開始時(shí)的點(diǎn)至P100處的力位移曲線積分值大小，J；CTindex為理想開裂試驗(yàn)指標(biāo)；Gf為斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J，即整個(gè)測(cè)試階段的力-位移曲線積分值大??；D為測(cè)試樣品直徑，為150 mm；t為測(cè)試樣品厚度，為62 mm；l75為峰值后荷載為75%峰值荷載處對(duì)應(yīng)的位移大小，mm；|m75|是PPP85和PPP65連線處的斜率絕對(duì)值，mm。

1.4 紅外光譜試驗(yàn)

本文選用直反式傅里葉紅外光譜測(cè)試儀，對(duì)不同老化程度的玄武巖纖維及木質(zhì)素纖維瀝青混合料中的瀝青材料進(jìn)行紅外光譜分析。首先，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瀝青抽提儀進(jìn)行不同混合料中的瀝青抽提工作，其中瀝青抽提采用的溶液為三氯乙烯溶液；然后，在專用的操作箱內(nèi)進(jìn)行殘余的微量三氯乙烯成分的揮發(fā)；最后，將制備好的瀝青抽提樣品進(jìn)行紅外光譜測(cè)試與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 開裂性能

圖2 IDEAL-CT測(cè)試結(jié)果

圖2為IDEAL-CT測(cè)試結(jié)果。由圖2可知：不同老化程度下，在測(cè)試樣品裂縫形成階段，BFSMA-13需要的功，即Winitial均大于LFSMA-13，這也說明了與木質(zhì)素纖維相比，玄武巖纖維可以在一定程度上增強(qiáng)裂縫在形成過程中的抵抗作用。在裂縫擴(kuò)展階段，BFSMA-13的CTIndex參數(shù)也顯著大于LFSMA-13，這說明玄武巖纖維比傳統(tǒng)的木質(zhì)素纖維擁有更好的延緩裂縫擴(kuò)展的能力。同時(shí)，在經(jīng)歷短期老化過程后，即模擬混合料攤鋪狀態(tài)下，BFSMA-13的Winitial降低了7.81%；在長(zhǎng)期老化過程后，即模擬混合料攤鋪并服役5～7年?duì)顟B(tài)下，BFSMA-13的Winitial降低了13.1%。這組數(shù)據(jù)明顯小于LFSMA-13的10.74%和18.46%。同時(shí)，BFSMA-13的CTIndex在短期老化及長(zhǎng)期老化后降低了約10.14%和15.89%，其降低程度幾乎是LFSMA-13的CTIndex指數(shù)的一半。由此可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維不僅可以增強(qiáng)傳統(tǒng)木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料的抗裂性能，同時(shí)可以在一定程度上增加其抗老化性能。因此，有必要對(duì)其抗老化性能的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行研究，在下一節(jié)，本文對(duì)所有混合料樣品進(jìn)行瀝青抽提試驗(yàn)，并測(cè)試分析其紅外光譜參數(shù)，對(duì)玄武巖纖維的增強(qiáng)及延緩老化機(jī)理進(jìn)行分析，并建立了基于紅外光譜量化分析的混合料老化過程中的開裂參數(shù)預(yù)測(cè)分析模型。

2.2 紅外光譜分析

為進(jìn)一步對(duì)玄武巖纖維延緩傳統(tǒng)木質(zhì)素纖維SMA-13的機(jī)理進(jìn)行深入分析，本文使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瀝青抽提儀器對(duì)所有混合料測(cè)試樣品進(jìn)行了瀝青組分的提取，并對(duì)其進(jìn)行了傅里葉紅外光譜分析，瀝青材料紅外光譜如圖3所示。關(guān)于瀝青材料的紅外光譜分析，有學(xué)者采用羰基指數(shù)(carbonyl index, CI)來反映混合料的老化程度[24]，CI參數(shù)計(jì)算如式(3)所示。由于學(xué)者們認(rèn)為1 376 cm-1甲基峰比較穩(wěn)定，因此選用甲基峰峰面積A1 367為參數(shù)的分母。本文同時(shí)選用瀝青中的亞砜基進(jìn)行分析，其中亞砜基指數(shù)(sulfoxide index, SI)的計(jì)算也按照同種方式進(jìn)行計(jì)算。由于本文采用的瀝青為SBS改性瀝青，其有兩個(gè)主要的成分，即反式丁二烯和苯乙烯，因此本文也選用反式丁二烯指數(shù)(trans-butadiene index, TBI)和苯乙烯指數(shù)(styrene index, STI)來進(jìn)一步總結(jié)分析所有的紅外光譜圖譜參數(shù)，其中，SI、TBI、STI的計(jì)算公式分母均為A1 376，分子分別為亞砜基峰面積A1 030、反式丁二烯峰面積A966和苯乙稀峰面積A698。本文使用OMNIC32軟件對(duì)所有紅外光譜圖譜進(jìn)行量化分析后，以LFSMA-13未老化的情況為例，其在1 700 cm-1峰位處的特征峰面積A1 700為6.236，在1 376 cm-1峰位處的特征峰面積A1 376為145.334，按照式(3)計(jì)算得到其CI指數(shù)為0.042 908，得到的分析結(jié)果如表5所示。由于羰基指數(shù)可以在一定程度上反映瀝青材料的老化程度，由表5中CI指數(shù)可知：在混合料的長(zhǎng)期老化階段，玄武巖纖維有助于延緩SMA-13瀝青混合料內(nèi)部瀝青材料的老化。

(a) BFSMA-13抽提樣品檢測(cè)數(shù)據(jù) (b) LFSMA-13抽提樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)

(3)

其中：CI為瀝青材料羰基指數(shù)；A1 700為波長(zhǎng)是1 700 cm-1處特征峰面積；A1 376為波長(zhǎng)是1 376 cm-1處特征峰面積。

表5 纖維增強(qiáng)SMA-13級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

2.3 開裂性能參數(shù)預(yù)測(cè)模型建立

采用灰色關(guān)聯(lián)分析[25]方法來計(jì)算Winitial、CTindex與紅外光譜分析參數(shù)的關(guān)聯(lián)度大小。在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)，首先將Winitial和CTindex歸類為目標(biāo)數(shù)列，將所有的紅外光譜分析參數(shù)歸類為參考數(shù)列。按照歸一化對(duì)參考數(shù)列以及目標(biāo)數(shù)列，按照未老化時(shí)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理以消除單位對(duì)數(shù)據(jù)的影響。然后，按照灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算方法[26]對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到Winitial和CTindex與不同紅外光譜參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度大小。由于本文選用的室內(nèi)混合料老化方式為規(guī)范確定的標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)模擬老化的3種老化程度，即未老化、短期老化和長(zhǎng)期老化，因此本文可用3種老化程度下的3組參考數(shù)列數(shù)據(jù)來對(duì)應(yīng)單組目標(biāo)數(shù)列數(shù)據(jù)，即對(duì)開裂性能參數(shù)數(shù)列進(jìn)行三元一次方程組的精確求解，而灰色關(guān)聯(lián)分析的目的就在于在4種不同的參數(shù)中，分別選擇出3種與Winitial或CTindex關(guān)聯(lián)度最大的紅外光譜參數(shù)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。紅外光譜參數(shù)與開裂參數(shù)的具體關(guān)聯(lián)度如表6所示。由表6可知：對(duì)于木質(zhì)素纖維SMA-13來說，與其關(guān)聯(lián)度較大的為SI、TBI、STI；而對(duì)于玄武巖纖維SMA-13來說，與其開裂參數(shù)關(guān)聯(lián)度較大的為CI、TBI、STI。同時(shí)，從分析結(jié)果也可以看出：SBS瀝青的自身改性劑成分的紅外光譜參數(shù)與各開裂性能參數(shù)關(guān)聯(lián)度最大，因此SBS改性瀝青改性劑的組分變化對(duì)混合料開裂性能有著較大的影響。在分別選擇關(guān)聯(lián)度最大的3組紅外光譜參數(shù)后，具體的預(yù)測(cè)模型方程如式(4)～式(7)所示。在未來的研究中可以用更多的老化方式對(duì)其進(jìn)行研究與分析，以獲得更精確的混合料開裂性能的預(yù)測(cè)分析方程。

CTindex=-347.67×SI-2 603.38×TBI+6 712.24×STI(LFSMA-13)；

(4)

CTindex=291.67×CI+1 148.41×TBI+396.51×STI(BFSMA-13)；

(5)

Winitial=-54.50×SI-531.84×TBI+1 240.01×STI(LFSMA-13)；

(6)

Winitial=39.71×CI+89.77×TBI+79.28×STI(BFSMA-13)。

(7)

表6 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

2.4 纖維增強(qiáng)作用機(jī)理分析

為進(jìn)一步對(duì)木質(zhì)素纖維以及玄武巖纖維在混合料中的增強(qiáng)作用機(jī)理進(jìn)行分析，本文對(duì)木質(zhì)素纖維以及玄武巖纖維在瀝青膠漿中的微觀形貌進(jìn)行了分析，如圖4所示。從圖4a中可以看出：木質(zhì)素纖維質(zhì)地較軟，呈卷曲纏繞狀態(tài)。從圖4b中可以明顯看出：玄武巖纖維質(zhì)地較硬，呈圓柱狀豎直狀態(tài)。有研究顯示玄武巖纖維的強(qiáng)度也顯著優(yōu)于木質(zhì)素纖維[27]，這主要是由于玄武巖纖維為一種礦物纖維，木質(zhì)素纖維為一種植物纖維。由于玄武巖纖維較好的高溫穩(wěn)定性及耐久性，其在混合料中可以獲得更好的延緩老化的效果。

(a) 木質(zhì)素纖維混合料微觀形貌(1∶100) (b) 玄武巖纖維混合料微觀形貌(1∶100)

圖5 纖維在混合料中增強(qiáng)作用機(jī)理分析

在纖維瀝青混合料模擬老化過程中，由于纖維瀝青混合料基體一直處于一種受熱狀態(tài)，且纖維和瀝青材料的耐熱性能不同，在受熱狀態(tài)下的相對(duì)變形能力也不同。文獻(xiàn)[28]采用纖維滑移理論對(duì)纖維瀝青復(fù)合材料在受力作用時(shí)進(jìn)行了單根理想纖維在復(fù)合材料基體中的分布分析。本文借鑒此理論中的理想纖維分布狀態(tài)，對(duì)纖維瀝青混合料在老化過程中的增強(qiáng)作用機(jī)理進(jìn)行初步分析，如圖5所示。在混合料老化過程中，瀝青材料會(huì)受熱膨脹，在溫度應(yīng)力的作用下，纖維瀝青混合料基體中的瀝青膠漿成分會(huì)產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，其中溫度應(yīng)力如圖5中小箭頭所示。在此過程中，纖維由于耐熱性及受熱狀態(tài)下的變形小于瀝青材料，因此會(huì)產(chǎn)生約束瀝青材料的溫度應(yīng)力的反作用力。由于玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性及強(qiáng)度優(yōu)于木質(zhì)素纖維，在混合料室內(nèi)模擬老化的過程中，玄武巖纖維可以產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力的反作用力，以抵抗溫度應(yīng)力的作用。這也就解釋了玄武巖纖維可以更好地延緩混合料老化程度的現(xiàn)象。因此，在未來的研究中，學(xué)者們可以通過對(duì)纖維的設(shè)計(jì)，更好地設(shè)計(jì)能夠同時(shí)滿足性能好，也能滿足長(zhǎng)期性能優(yōu)異的纖維瀝青混合料。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)玄武巖纖維可以在一定程度上增強(qiáng)裂縫在形成過程中的抵抗作用。玄武巖纖維不僅可以增強(qiáng)傳統(tǒng)木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料的抗裂性能，同時(shí)可以在一定程度上增加其抗老化性能。

(2)玄武巖纖維有助于延緩SMA-13瀝青混合料內(nèi)部瀝青材料的老化，其在混合料中的抗老化作用優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

(3)對(duì)于木質(zhì)素纖維SMA-13來說，與其關(guān)聯(lián)度較大的為SI、TBI、STI參數(shù)；而對(duì)于玄武巖纖維SMA-13來說，與其開裂參數(shù)關(guān)聯(lián)度較大的為CI、TBI、STI參數(shù)。SBS瀝青的自身改性劑成分的紅外光譜參數(shù)與各開裂性能參數(shù)關(guān)聯(lián)度最大。

(4)從紅外光譜試驗(yàn)中得到的瀝青材料特征峰可以較好地對(duì)混合料開裂性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，在工程實(shí)踐中，可以通過混合料中瀝青材料的紅外光譜檢測(cè)高效地對(duì)路面材料性能進(jìn)行評(píng)測(cè)。