陶瓷纖維摻量對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響研究★

李冬娜

(蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

近年來，隨著重載交通的日益增加和車輛軸型種類的變化，我國許多瀝青路面在服役期間會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞和嚴(yán)重永久變形現(xiàn)象[1-2]。由于瀝青混合料的力學(xué)性能和服役特性取決于集料、瀝青之間的相互作用[3]，因此增強(qiáng)集料和瀝青性能可以提高混合料耐久性[4]。研究表明，各種類型的纖維改性劑可以不同程度地改善混合料的性能，提升道路品質(zhì)及服役壽命[5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了大量不同角度的研究。纖維的加入可以增強(qiáng)基質(zhì)瀝青的抗拉性能、彌補(bǔ)低溫脆性大等缺點(diǎn)。采用力學(xué)性能優(yōu)異的纖維作為瀝青混合料添加劑可以改善混合料的抗永久變形和抗疲勞性能，從而提高路面耐久性，延長(zhǎng)路面使用壽命。如Serfass等通過向?yàn)r青混合料中摻加石棉、竹纖維證明了該纖維的加入可以提高混合料的抗疲勞特性和抗水損壞性能[6-7]；Morea等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青混合料中摻加玻璃纖維可提高其抗永久變形性能[8]；張楠等研究表明，向?yàn)r青混合料中摻加中空聚酯纖維，可以有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性能[9]；韋佑坡等通過分析玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用機(jī)理，證實(shí)了玄武巖纖維的加入提高了瀝青混合料的路用性能，對(duì)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有明顯的增強(qiáng)作用[10]。

陶瓷纖維(CF)是通過熔融高嶺土形成的一種硅酸鋁纖維，CF不僅具有優(yōu)越的力學(xué)性能，還有良好的溫度穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和一定的柔韌性[11-12]，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于CF對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能影響的研究不夠深入。因此，本文首先對(duì)陶瓷纖維瀝青混合料(CFMAM)試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，研究纖維改性瀝青的穩(wěn)定度和流值變化；其次采用間接拉伸勁度模量試驗(yàn)(ITSM)評(píng)價(jià)CF對(duì)CFMAM試件勁度模量的影響；最后分別通過間接拉伸疲勞試驗(yàn)(ITSM)和重復(fù)荷載軸向試驗(yàn)(RLA)，探究CF在不同摻量下對(duì)瀝青混合料抗疲勞和抗永久性能的影響。此外，通過線性回歸模型擬合勁度模量、疲勞壽命、永久變形量與CF摻量的關(guān)系，分析其相關(guān)性。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1)集料。

本研究所使用的集料由甘肅路橋清傅四標(biāo)拌合站提供，集料的性質(zhì)如表1，表2所示。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

2)瀝青。

本研究采用甘肅省交通物資供應(yīng)有限公司提供的70號(hào)瀝青,其基本性質(zhì)如表3所示。

表3 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

3)陶瓷纖維(CF)。

本研究所選用CF的基本性質(zhì)和組成元素分別見表4，表5。

表4 CF基本性質(zhì)指標(biāo)

表5 CF組成元素

1.2 混合料試驗(yàn)

1)改性瀝青。

為保證纖維在瀝青混合料中合理分散并防止其結(jié)團(tuán),本研究選擇濕拌工藝。

首先將試驗(yàn)所需纖維在160 ℃的烘箱中加熱24 h,確保其完全干燥并且達(dá)到所需的混合溫度。其次,分別向?yàn)r青中加入1%，3%和5%的CF制備改性瀝青混合料試件。陶瓷纖維改性瀝青(CFMB)的主要技術(shù)指標(biāo)見表6。

表6 CFMB的主要技術(shù)指標(biāo)

2)混合料試件制備。

根據(jù)相應(yīng)規(guī)范的要求,制備高度為63.5 mm的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件;對(duì)于ITFT試驗(yàn),制備高度為40 mm的試件。對(duì)于摻加0,1%,3%,5%陶瓷纖維的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),試件正反雙面各擊實(shí)75次,纖維混合料的拌合及擊實(shí)溫度均符合規(guī)范要求。

1.3 浸水馬歇爾試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,為模擬車輛運(yùn)行期間路面達(dá)到的實(shí)際最高溫,將試件置于60 ℃的水浴槽中30 min。試驗(yàn)過程中以50 mm/min的恒定速度施加荷載至試件破壞,將試件所能承受的最大荷載作為失效點(diǎn),記錄該點(diǎn)處的荷載值和形變量為穩(wěn)定度和流值。

1.4 間接拉伸勁度模量試驗(yàn)(ITSM)

ITSM是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS EN12697-26,借助諾丁漢測(cè)試儀,通過間接拉伸法測(cè)定CFMAM試件的動(dòng)態(tài)勁度模量。首先將試件放置在恒溫箱中24 h,取出后將其置于儀器架中進(jìn)行加載。

加載過程沿試件直徑軸方向進(jìn)行,每次循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間為1 s,其中加載和卸載0.1 s,卸載0.9 s。每個(gè)試件加載兩次,第二次加載需將試件旋轉(zhuǎn)90°,通過兩個(gè)線性可變差動(dòng)傳感器(LVDT)測(cè)量試件的水平變形。

ITSM是一種測(cè)量勁度模量的無損實(shí)驗(yàn),因此試件的變形保持在彈性范圍內(nèi)。由于第一次加載后試件內(nèi)部的彈性變形并未完全消失,所以第二次加載后得到的勁度模量小于第一次,其中勁度模量的計(jì)算公式如下[13]:

(1)

其中,SM為勁度模量，MPa;P為重復(fù)荷載，N;v為泊松比;H為最大水平變形，mm;L為試件厚度，mm。

1.5 間接拉伸疲勞試驗(yàn)(ITFT)

ITFT同樣采用諾丁漢測(cè)試儀,為使疲勞破壞迅速發(fā)生并較好的表示所測(cè)數(shù)據(jù)[14],本試驗(yàn)采用恒應(yīng)力加載的方式,加載過程沿試件直徑軸線方向進(jìn)行。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,試驗(yàn)分別在5 ℃和25 ℃的溫度下進(jìn)行應(yīng)力為250 kPa和400 kPa的測(cè)試。加載頻率為1 Hz,加載時(shí)間為0.1 s。由于設(shè)備限制,將8 mm的垂直位移作為疲勞判據(jù)輸入到儀器中。

1.6 重復(fù)荷載軸向試驗(yàn)(RLA)

利用動(dòng)態(tài)蠕變加載機(jī),沿瀝青混合料試件圓柱軸施加作用力進(jìn)行重復(fù)荷載軸向試驗(yàn),同樣用兩個(gè)LVDT來測(cè)量加載引起的垂直變形,RLA的主要目的是預(yù)測(cè)路面永久變形的可能性[15](見圖1)。

圖1通過描述荷載作用次數(shù)和累積永久變形的關(guān)系,反映了混合料抵抗永久變形的能力。在加載第一階段,由于試件體積發(fā)生變化,累積應(yīng)變迅速增加;第二階段是過渡階段,累積應(yīng)變的變化速率平緩發(fā)展且基本穩(wěn)定;在達(dá)到一定荷載循環(huán)次數(shù)的第三階段,累積應(yīng)變的變化速率再次迅速增加直至試件破壞[16-17],同時(shí)出現(xiàn)剪切變形進(jìn)而出現(xiàn)車轍。第二和第三階段出現(xiàn)在路面服役期的后期。

RLA的試驗(yàn)溫度分別為40 ℃和60 ℃,應(yīng)力條件分別為100 kPa和300 kPa。進(jìn)行試驗(yàn)之前需將試件置于恒溫箱中4 h,以達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬歇爾試驗(yàn)

圖2表示不同纖維摻量下CFMAM試件的穩(wěn)定度和流值,瀝青混合料基本性能如表7所示。

由圖2可以看出,隨著CF摻量的增加,CFMAM試件的穩(wěn)定度增大,流值減小。當(dāng)纖維摻量為5%時(shí),CFMAM試件的流值出現(xiàn)了明顯的下降。這是因?yàn)閾搅窟^多時(shí),CF在混合料中的分散性會(huì)變差,部分纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象從而不能形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),影響混合料流動(dòng)性。相比之下,當(dāng)摻量為3%時(shí),纖維交錯(cuò)分布在混合料中形成穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu),有效增強(qiáng)混合料穩(wěn)定性,確定3%為CFMAM試件的最佳纖維摻量。

表7 瀝青混合料基本性能測(cè)試結(jié)果

此外,由表7可以看出:瀝青飽和度(VFA)、礦物集料間隙率(VMA)、空隙率和理論密度等基本指標(biāo)都在相關(guān)規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

2.2 ITSM

圖3表示了對(duì)照組和CFMAM試件分別在5 ℃，25 ℃和40 ℃下的勁度模量。

溫度為5 ℃時(shí),CFMAM試件的勁度模量隨著纖維含量的增加而增加,其中5%CF摻量CFMAM試件的勁度模量比對(duì)照組高出約37%;由于CF本身良好的吸附性和物理性能,使得纖維在瀝青中起到“橋接”和骨架作用,提高了瀝青與集料表面的黏附性,增加了混合料剛度。當(dāng)溫度為40 ℃時(shí),5%CF摻量試件的勁度模量比對(duì)重組的勁度模量提高了約54%。由于改性瀝青對(duì)溫度變化的敏感性較低,因此試件的勁度模量并沒有出現(xiàn)明顯的下降。

2.3 ITFT

分別在5 ℃和25 ℃的溫度條件下以及250 kPa和400 kPa的應(yīng)力條件下進(jìn)行ITFT,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,把8 mm的形變量作為CFMAM試件的疲勞壽命。圖4，圖5分別為對(duì)照組和CFMAM試件在不同溫度下的疲勞壽命。

試驗(yàn)結(jié)果表明,CF的加入可以改善瀝青混合料的疲勞性能,不同的纖維摻量也會(huì)影響混合料疲勞壽命的變化趨勢(shì)。

當(dāng)CF摻量為1%和3%時(shí),一方面纖維的摻加使得瀝青與集料之間的黏附性變強(qiáng),另一方面纖維在混合料中的骨架作用也分擔(dān)了部分應(yīng)力。此外CF的存在可以提高混合料的黏彈性,進(jìn)而延長(zhǎng)試件的疲勞壽命。當(dāng)CF摻量為5%時(shí),CFMAM試件的勁度增大,黏彈性能下降,隨著荷載循環(huán)次數(shù)的累積試件出現(xiàn)疲勞裂紋。與其余摻量的試件相比,瀝青混合料的疲勞壽命降低,但是仍然高于對(duì)照組。

2.4 RLA

RLA分別于40 ℃和60 ℃的溫度下以及100 kPa和300 kPa的應(yīng)力條件下施加3 000次循環(huán)荷載直至試件變形。圖6～圖9表示了在不同溫度和軸向荷載作用下,軸向應(yīng)變的變化趨勢(shì)。圖10表示對(duì)照組和不同纖維摻量的CFMAM試件在3 000次荷載循環(huán)后的最大軸向應(yīng)變百分比。

由圖10可以看出,RLA驗(yàn)證了在不同溫度和應(yīng)力條件下,CF的摻加增強(qiáng)了瀝青混合料抵抗永久變形的能力。

與對(duì)照組相比,導(dǎo)致CFMAM抗變形能力增強(qiáng)的原因主要有:1)CFMAM試件勁度模量的增大;2)CF的存在能增強(qiáng)集料與瀝青之間的黏附性;與對(duì)照組相比,CFMB中纖維起到相互“搭接”和“加筋”的骨架作用,提高了瀝青和CFMAM試件的強(qiáng)度;3)一方面CFMB軟化點(diǎn)的升高會(huì)影響瀝青混合料的變形,另一方面CF的保溫隔熱作用改變了CFMB的熱力學(xué)常數(shù)、降低了瀝青的溫度敏感性,這兩個(gè)因素同樣能增強(qiáng)CFMAM試件的抗永久變形能力。

2.5 相關(guān)性分析

為進(jìn)一步證實(shí)勁度模量、混合料的疲勞壽命、混合料抗永久變形性能與纖維摻量等因素的相關(guān)性,建立線性回歸模型以及擬合結(jié)果如表8所示。

表8 勁度模量、疲勞、車轍的線性回歸模型

ITSM回歸模型的因變量是勁度模量Sm,自變量是溫度(T)和纖維添加劑(A)。由于ITSM的R2為0.995 1時(shí),因此可認(rèn)為Sm與溫度和纖維摻量呈線性相關(guān)性。

根據(jù)ITFT的結(jié)果,為提高回歸模型的準(zhǔn)確性,舍棄纖維摻量大于3%的數(shù)據(jù)。其中因變量是荷載循環(huán)次數(shù)Nf,自變量是溫度(T)、纖維添加劑(A)和應(yīng)力(S)。由于ITFT的R2為0.972 9,因此該模型可以近似作為預(yù)測(cè)CFMAM試件疲勞壽命的模型。

在RLA模型中,溫度(T)、添加劑(A)和應(yīng)力(S)是自變量,軸向應(yīng)變百分比d是因變量。RLA的R2計(jì)算結(jié)果為0.930 3,表明該模型精度較高,能較好地預(yù)測(cè)永久變形。

3 結(jié)論

1)隨著CF摻量的增加,瀝青混合料的穩(wěn)定度增加,流值降低,但是當(dāng)CF摻量超過5%時(shí)會(huì)對(duì)瀝青混合料的性能產(chǎn)生不利影響。

2)與對(duì)照組相比,增加CFMAM試件中的纖維摻量可以增大混合料的勁度模量、改善其抗疲勞性能。當(dāng)CF摻量為5%時(shí),瀝青混合料試件的疲勞壽命降低,但仍高于對(duì)照組的疲勞壽命。

3)RLA通過分析軸向應(yīng)變隨荷載循環(huán)次數(shù)變化的趨勢(shì),驗(yàn)證了隨著CFMAM試件中纖維摻量的增加,混合料的抵抗永久變形能力有所提高。

4)當(dāng)CF摻量為3%時(shí),可以有效提高瀝青混合料的抗疲勞和抗永久變形性能,推薦CF的最佳摻量為3%。