老化玄武巖纖維瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)研究

唐智勇， 劉富強(qiáng)

(1.甘肅公路航空旅游研究院有限公司， 蘭州 730000； 2.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院， 保定 071002； 3.河北大學(xué)河北省土木工程監(jiān)測與評估技術(shù)創(chuàng)新中心， 保定 071002)

瀝青路面完全暴露于大自然之中，必然會受紫外線輻射、凍融循環(huán)等自然氣候條件對其產(chǎn)生的不利影響。瀝青材料是典型的黏彈性材料，夏季高溫時(shí)瀝青混凝土路面容易出現(xiàn)高溫車轍，冬季寒冷季節(jié)又易出現(xiàn)低溫開裂。很多學(xué)者對玄武巖纖維瀝青混合料的不同性能進(jìn)行了研究，但對紫外老化和凍融循環(huán)、熱氧老化和凍融循環(huán)條件下不同玄武巖纖維摻量瀝青混合料的凍融劈裂性能的研究未見報(bào)道。

于保陽等[1]研究了玄武巖纖維摻量、高黏改性劑摻量和油石比對復(fù)合改性透水瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明高黏改性劑和玄武巖纖維的最佳摻配比為12%和1%，試驗(yàn)研究得出的最佳油石比為5.1%。蔣夢雅等[2]研究了玻璃纖維摻量對基質(zhì)和改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫性能、中溫抗裂性能和水穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明玻璃纖維摻量為0.30%的改性瀝青混合料具有最佳的路用性能，相同玻璃纖維摻量時(shí)，改性瀝青混合料的高中低溫穩(wěn)定性、馬歇爾模數(shù)、破壞拉伸應(yīng)變、劈裂抗拉強(qiáng)度、斷裂能、層底抗拉強(qiáng)度和層底抗拉應(yīng)變都要高于基質(zhì)瀝青混合料，流值和破壞勁度模量都小于基質(zhì)瀝青混合料。Luo 等[3]通過低溫彎曲、凍融循環(huán)及掃描電子顯微鏡等試驗(yàn)研究了不同包漿玄武巖纖維對瀝青混合料性能的影響，研究結(jié)果表明玄武巖纖維可提高瀝青混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂及耐疲勞性能。楊程程等[4]通過研究玄武巖纖維摻量、長徑比和模量等因素對瀝青混合料彎拉性能的影響可知，玄武巖纖維摻量對瀝青混合料彎拉性能的影響最大，其次是纖維長徑比，纖維模量對瀝青混合料彎拉性能影響可忽略。顧倩儷等[5]研究了混合長度玄武巖纖維對瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明3、6、9 mm玄武巖纖維的摻配比為2∶3∶1時(shí)，瀝青混合料的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。Guo等[6]研究表明玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維中玄武巖纖維對瀝青混合料性能的改善作用最顯著，最佳纖維長度及摻量分別為6 mm和0.4%。徐詠梅等[7]、魏慶軍等[8]研究了纖維對SMA-13瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明纖維的摻入能夠改善SMA-13瀝青混合料的路用性能。Li等[9]研究了玄武巖纖維對冰凍區(qū)瀝青混合料性能的影響，研究結(jié)果表明玄武巖纖維能夠顯著提高冰凍區(qū)瀝青混合料的低溫性能。李震南等[10]研究了玄武巖纖維對瀝青膠漿的改善作用，結(jié)果表明玄武巖纖維可有效改善瀝青膠漿的低溫性能和熱穩(wěn)定性。Guo等[11]、邱國洲等[12]研究了玄武巖纖維瀝青混合料的高、中、低溫性能。樊興華等[13]研究表明，玄武巖纖維對新疆大溫差地區(qū)瀝青混合料的路用性能有顯著的改善作用。何靜[14]研究了巖瀝青和玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的性能，結(jié)果表明巖瀝青和玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料具有良好的路用性能。Liu等[15]研究了玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料的彎拉性能敏感性。Cheng等[16]通過室內(nèi)試驗(yàn)對玄武巖纖維增強(qiáng)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer，SBS)改性瀝青混合料在凍融循環(huán)下的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的力學(xué)性能先快速減小，然后保持不變，15～18次凍融循環(huán)后，力學(xué)性能發(fā)生突變。Ameri等[17]對玄武巖和玻璃纖維增強(qiáng)熱拌瀝青混凝土的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明兩種玄武巖均可增強(qiáng)瀝青混合料的耐久性能，但同時(shí)也會增加瀝青用量。許多道路研究者將玄武巖纖維應(yīng)用于透水瀝青混凝土路面并開展相關(guān)研究，結(jié)果表明玄武巖纖維的摻入可提高透水混凝土路面的有效空隙率和滲水系數(shù)，從而保證透水混凝土路面具有良好的排水和力學(xué)性能[18-22]。

基于此，為分析玄武巖纖維瀝青混合料在老化和凍融循環(huán)雙重作用下的劈裂性能變化，對不同玄武巖纖維摻量的瀝青混合料在紫外老化和凍融循環(huán)、熱氧老化和凍融循環(huán)條件下的凍融劈裂性能進(jìn)行研究。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 集料

SMA(stone matrix asphalt)-13瀝青混合料粗、細(xì)集料采用潔凈、無雜質(zhì)的石灰?guī)r。細(xì)集料、粗集料各指標(biāo)測試結(jié)果分別如表1、表2所示，SMA-13級配曲線如圖1所示。

表1 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)與實(shí)測值Table 1 Technical index and measured value of fine aggregate

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)與實(shí)測值Table 2 Technical index and measured value of coarse aggregate

圖1 SMA-13瀝青混合料級配曲線圖Fig.1 Grading chart of SMA-13 asphalt mixture

1.1.2 瀝青

瀝青選擇SBS改性瀝青，其基本性能指標(biāo)如表3所示。

表3 SBS改性瀝青基本性能指標(biāo)Table 3 Basic performance index of SBS modified asphalt

1.1.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維為金褐色集束狀短切玄武巖纖維，具有良好的分散性，主要性能指標(biāo)如表4所示。

表4 玄武巖纖維的主要性能指標(biāo)Table 4 The main performance index of basalt fiber

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 紫外老化條件下的凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[23]制備10組SMA-13瀝青馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件，每組5個(gè)，其中5組試件分別進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)，5組先進(jìn)行紫外老化再進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)，然后測其劈裂強(qiáng)度，測試溫度為-10 ℃，測試試驗(yàn)如圖2所示。其中紫外老化是利用紫外老化箱對瀝青混合料試件老化7 d。

圖2 劈裂試驗(yàn)Fig.2 Splitting test

1.2.2 熱氧老化條件下的凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[23]制備10組SMA-13瀝青混合料馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件，每組5個(gè)，其中5組試件分別進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)，5組先進(jìn)行熱氧老化再進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)，然后測其劈裂強(qiáng)度。老化過程依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[23]中的T0734—2000熱拌瀝青混合料加速老化試驗(yàn)方法，即將試件放置在85 ℃的通風(fēng)烘箱內(nèi)120 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 未老化下凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

未紫外和未熱氧老化條件下凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在未凍融條件下，玄武巖纖維摻量為0.60%的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度較未摻加玄武巖纖維增大12.67%，說明玄武巖纖維對瀝青混合料的抗劈裂性能有所改善。但當(dāng)玄武巖纖維摻量為1.00%時(shí)，在未凍融條件下?lián)叫鋷r纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較玄武巖纖維摻量為0.60%減小2.52%。

在未摻加玄武巖纖維時(shí)，4次凍融循環(huán)下較未凍融循環(huán)分別增大2.70%、6.70%、10.06%、14.31%，但4次凍融循環(huán)條件下0.60%玄武巖摻量瀝青混合料的勁度模量較未凍融未摻玄武巖纖維下分別減小10.30%、5.81%、2.86%、0.25%。這是由于隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料中的瀝青膠結(jié)料發(fā)生老化變脆，進(jìn)而其勁度模量增加，但由于瀝青混合料中摻加了玄武巖纖維，對其勁度模量的增大程度有一定的緩解。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相同玄武巖纖維摻量瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度逐漸減小，但勁度模量逐漸增大，4次凍融循環(huán)條件下0.60%玄武巖纖維摻量瀝青混合料的勁度模量較未凍融條件下分別增大1.11%、6.18%、9.49%、12.44%?？傮w而言，玄武巖纖維可有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。

由圖3(c)可知，在未老化的條件下，不同玄武巖纖維摻量的瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比差異性不顯著，但摻有玄武巖纖維的瀝青混合料抗凍融劈裂性能優(yōu)于未摻玄武巖纖維的瀝青混合料。

圖3 未老化凍融試件的劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Splitting test results of unaged freeze-thaw specimens

基于上述分析可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，劈裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比(tensile strength ratio,TSR)逐漸減小，但勁度模量逐漸增大，玄武巖纖維可改善瀝青混合料的抗凍融劈裂性能，這是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，瀝青膠結(jié)料的韌性變差，玄武巖纖維可在一定程度補(bǔ)充增強(qiáng)老化瀝青的韌性，進(jìn)而達(dá)到改善混合料抗凍融劈裂的目的。

2.2 紫外老化凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

紫外老化條件下凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 紫外老化凍融試件的劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Splitting test results of the freeze-thaw specimens with ultraviolet aging

在未凍融條件下，玄武巖纖維摻量為0.60%的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度較未摻加玄武巖纖維增大了12.66%，說明玄武巖纖維對瀝青混合料的抗劈裂性能改善效果顯著；但當(dāng)玄武巖纖維摻量為1.00%時(shí)，在未凍融條件下?lián)叫鋷r纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較玄武巖纖維摻量為0.60%減小2.52%。

在未摻加玄武巖纖維時(shí)，4次凍融循環(huán)下瀝青混合料的勁度模量較未凍融循環(huán)分別增大2.60%、6.65%、9.98%、13.79%，但4次凍融循環(huán)條件下0.60%玄武巖纖維摻量瀝青混合料的勁度模量較未凍融條件下分別增大1.09%、5.93%、9.03%、12.14%。這是由于隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料中的瀝青膠結(jié)料發(fā)生老化變脆，進(jìn)而其勁度模量增加，但由于瀝青混合料中摻加了玄武巖纖維，對其勁度模量的增大程度有一定的緩解。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相同玄武巖纖維摻量瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度逐漸減小，但勁度模量逐漸增大，4次凍融循環(huán)條件下0.60%玄武巖纖維摻量瀝青混合料的勁度模量較未凍融未摻玄武巖纖維分別減小10.14%、5.84%、3.08%、0.32%?？傮w而言，玄武巖纖維可有效改善瀝青混合料在紫外老化條件下的低溫抗裂性能。

由圖4(c)可知，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0～0.30%時(shí)，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比逐漸減小，但當(dāng)玄武巖纖維摻量高于0.60%時(shí)，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比較0.30%摻量下有所增加，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于3次時(shí)，0.60%和1.0%摻量下凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比大于未摻玄武巖纖維瀝青混合料，經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比迅速減小，其值小于未摻玄武巖纖維瀝青混合料，這是因?yàn)闉r青膠結(jié)料在紫外老化和凍融循環(huán)雙重作用下，瀝青膠結(jié)料的老化程度比較嚴(yán)重，摻加一定量的玄武巖纖維對其凍融劈裂性能有一定的改善作用。

基于上述分析可知，紫外老化和凍融循環(huán)雙重作用下，瀝青的老化程度更高，玄武巖纖維可改善其性能，但玄武巖纖維摻量存在一定的摻量范圍，并非摻量越大越好。根據(jù)該試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，玄武巖纖維摻量為0.60%時(shí)，玄武巖纖維瀝青混合料的抗凍融劈裂性能較好。

2.3 熱氧老化條件下的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

熱氧老化條件下凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 熱氧老化凍融試件的劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Splitting test results of the freeze-thaw specimens with thermo-oxidative aging

在未凍融條件下，玄武巖纖維摻量為0.60%的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度較未摻加玄武巖纖維增大11.68%，說明玄武巖纖維對瀝青混合料的抗劈裂性能改善效果顯著；但當(dāng)玄武巖纖維摻量為1.00%時(shí)，在未凍融條件下?lián)叫鋷r纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較玄武巖纖維摻量為0.60%減小2.55%。

在未摻加玄武巖纖維時(shí)，4次凍融循環(huán)下瀝青混合料的勁度模量較未凍融循環(huán)分別增大2.12%、5.20%、8.79%、10.11%，但4次凍融循環(huán)條件下0.60%玄武巖纖維摻量瀝青混合料的勁度模量較未凍融條件下分別增大1.00%、4.35%、15.89%、17.47%。這是由于隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料中的瀝青膠結(jié)料發(fā)生老化變脆，進(jìn)而其勁度模量增加，但由于瀝青混合料中摻加了玄武巖纖維，對其勁度模量的增大程度有一定的緩解。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相同玄武巖纖維摻量瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度逐漸減小，但勁度模量呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，1次、2次凍融循環(huán)條件下0.60%玄武巖摻量瀝青混合料的勁度模量較未凍融未摻玄武巖纖維分別減小8.57%和2.64%，3次、4次凍融循環(huán)條件下0.60%玄武巖纖維摻量瀝青混合料的勁度模量較未凍融未摻玄武巖纖維分別增大1.54%和2.93%?？傮w而言，玄武巖纖維可有效改善瀝青混合料在熱氧老化條件下的低溫抗裂性能。

由圖5(c)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比逐漸減小。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.30%時(shí)，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比小于未摻玄武巖纖維瀝青混合料，但當(dāng)玄武巖纖維摻量大于0.30%及逐漸增大時(shí)，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比較0.30%玄武巖纖維摻量下有所增加，3次凍融循環(huán)以內(nèi)，0.60%和1.0%玄武巖纖維摻量的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比大于未摻玄武巖纖維瀝青混合料，但當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過3次時(shí)，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比較未摻玄武巖纖維瀝青混合料逐漸減小，且1.0%玄武巖纖維摻量下TSR值小于0.60%摻量。

基于上述分析可知，在熱氧老化和凍融循環(huán)雙重作用下，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較未老化和紫外老化條件下瀝青混合料小，但勁度模量較未老化和紫外老化條件下瀝青混合料大，分析認(rèn)為熱氧老化和凍融循環(huán)對瀝青膠結(jié)料的老化程度比較顯著。

3 結(jié)論

通過對摻加玄武巖纖維的馬歇爾試件在老化與未老化條件下進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)的劈裂試驗(yàn)，分析了紫外老化和凍融循環(huán)、熱氧老化和凍融循環(huán)條件下玄武巖纖維瀝青混合料劈裂性能的變化規(guī)律。得出如下結(jié)論。

(1)玄武巖纖維可改善瀝青混合料的抗劈裂性能，隨著玄武巖纖維摻量的增大，劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。摻加0.60%玄武巖纖維時(shí)，未老化未凍融條件下，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較未摻加玄武巖纖維時(shí)增大12.67%，勁度模量減小11.28%。

(2)玄武巖纖維可緩解瀝青混合料的凍融循環(huán)紫外老化作用。玄武巖纖維摻量為0.60%時(shí)，4次凍融循環(huán)及未老化條件下，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較未凍融未老化及未摻玄武巖纖維下分別減小0.52%、14.47%、21.45%、31.78%；4次凍融循環(huán)及紫外老化條件下，0.60%玄武巖纖維摻量瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較未凍融老化及未摻玄武巖纖維下分別減小5.94%、19.64%、27.65%、39.28%。

(3)玄武巖纖維可緩解瀝青混合料的凍融循環(huán)熱氧老化作用。4次凍融循環(huán)及熱氧老化條件下，0.60%玄武巖纖維摻量瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較相同條件下未摻玄武巖纖維分別增大13.91%、12.79%、10.64%、10.26%。