玄武岩纤维掺量对大空隙沥青混合料动态模量及相位角的影响

赵小崇，高淑玲，何世钦

(1.河北工业大学土木与交通工程学院,天津 300401;2.北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

0 引 言

大空隙沥青混合料是一种粘弹性材料，低温情况下表现为线弹性体，高温情况下则表现为粘塑性体，常温时则接近一般粘弹性体，其动态模量值与温度、频率都有非常密切的关系。与静态模量相比，动态模量更能准确的体现出大空隙沥青混合料在车辆荷载作用下的真实特性，它不仅可以作为大空隙沥青路面结构应力-应变的关键参数, 还可以作为沥青混合料路用性能的特征指标[1-3]。因此，国内外一些专家和学者将动态模量值视为沥青混合料的一种设计参数[4-6]，以使路面结构的设计更加符合实际要求。

目前，一些国内外专家学者已通过室内试验研究了油石比[7]、沥青的粘度[8]、级配[9]、荷载频率[10-12]、温度[13-15]等因素对密集配沥青混合料和大空隙沥青混合料动态模量和相位角的影响规律，并结合Witczak 预估模型[16]及 Hirsch 预测模型[17]对沥青混合料长期动态模量值或瞬间值进行预测。但是关于玄武岩纤维掺量对大空隙沥青混合料动态模量和相位角的研究还较少。当纤维掺量较少时，对大空隙沥青混合料的动态模量和相位角没有明显的效果。而纤维掺量过多时，纤维容易结团，分散不均匀，既提高了混合料的成本，其路用性能也得不到改善。因此，合理的纤维掺量才能达到最佳效果。本文将着重研究玄武岩纤维掺量、温度和频率对大空隙沥青混合料动态模量和相位角的影响。

将通过室内试验(SPT(Simple Performance Test)简单性能试验机)测试玄武岩纤维掺量分别为0%，0.1%，0.3%的大空隙沥青混合料在5种不同温度(-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃)及6种不同频率(0.1 HZ、0.5 HZ、1 HZ、5 HZ、10 HZ、25 HZ)下动态模量值和相位角。根据时温等效原理[18]，通过origin软件，采用西格摩得模型对实验结果进行非线性拟合得到大空隙沥青混合料的相应主曲线。并通过分析主曲线得出玄武岩纤维掺量对大空隙沥青混合料动态模量和相位角的影响，为纤维沥青路面设计提供了更多的理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

1.1.1 集料及矿粉

根据大空隙沥青混合料的材料组成，其骨架主要由粗骨料构成，本研究采用的粗集料为5～10 mm和10～15 mm的玄武岩碎石，细集料为0～5 mm玄武岩机制砂，填充于粗骨料之间的空隙空间，矿粉为石灰岩矿粉，经检验，各档矿料均符合《公路沥青路面施工技术规范》[19](JTG 40—2004)的技术要求，检测结果见表1～表3。

表1 粗集料各项指标Table 1 Indicators of coarse aggregates

表2 细集料各项指标Table 2 Indicators of fine aggregates

表3 矿粉各项指标Table 3 Indicators of mineral powder

1.1.2 高粘改性沥青

为保证大空隙沥青路面具有良好的使用性能，本文将使用高粘改性沥青替代基质沥青，经过调配70号基质沥青与高粘添加剂(TPS改性剂)的比例，最终确定的最佳掺配比例为 88∶12。高粘改性沥青技术指标检测结果如表4所示。

表4 高粘改性沥青各项指标Table 4 Indicators of high viscosity modified asphalt

1.1.3 玄武岩纤维

试验采用的玄武岩纤维产于浙江金华，其各项技术指标如表5所示，纤维掺量按(1)式所得。

(1)

表5 玄武岩纤维各项指标Table 5 Indicators of basalt fiber

1.2 矿料级配

试验采用的矿料级配参考了CJJ/T 190—2012《透水沥青路面技术规程》[20]中细粒式PAC-13的矿料级配范围，最终实验所采用的矿料级配如表6所示。

表6 矿料级配Table 6 Mineral grading

1.3 动态模量室内试验方法

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[21]对单轴压缩动态模量实验的要求，首先采用旋转压实仪成型直径为150 mm，高170 mm的大空隙沥青混合料试件，然后通过钻芯和切割得到直径为100 mm，高为150 mm的标准试件，试件尺寸的允许范围为直径100～104 mm，高度(150±2.5) mm。不合规格的试样予以舍弃。试验采用偏正弦周期荷载。

2 结果与讨论

2.1 动态模量

2.1.1 动态模量与温度的关系

密集配沥青混合料和大空隙沥青混合料的动态模量与温度之间的关系如图1～图4所示。

图1 密集配沥青混合料动态模量与温度的关系曲线Fig.1 Relation curves between dynamic modulus andtemperature of dense-graded asphalt mixture

图2 大空隙沥青混合料 (纤维掺量为0%)动态模量与温度的关系曲线Fig.2 Relation curves between dynamic modulus and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

对比图1、图2中的数据可以得出：与密集配沥青混合料的动态模量值相比，相同温度和频率的大空隙沥青混合料的动态模量值更小。例如温度为20 ℃时，其各频率下的动态模量值分别比密集配的小4 467 MPa、4 060 MPa、3 536 MPa、2 551 MPa、2 155 MPa、1 371 MPa，频率为1 Hz时，其各温度下的动态模量值分别比密集配的小10 271 MPa、4 237 MPa、2 551 MPa、1 016 MPa、358 MPa。这是因为大空隙沥青混合料是由大量的粗骨料和少量的细骨料组成，内部孔隙率较大，在荷载作用下，由粗骨料形成的骨架结构在温度变化时更容易产生错位滑移，从而降低了大空隙沥青混合料的动态模量值。由图1～图4中的数据可以看出，频率一定的情况下，大空隙沥青混合料和密集配沥青混合料的动态模量值都随着试验温度的升高而降低，在低温(-10 ℃)时，沥青混合料的动态模量很高，大空隙沥青混合料在荷载作用下几乎不会发生变形，更接近于线弹性体，沥青混合料在荷载的长期作用下容易产生开裂破坏。随着温度的增加，沥青混合料的弹性效应逐渐减弱，粘性效应逐渐增强，在重载的作用下，沥青路面极易产生较大程度的永久变形。因此，大空隙沥青混合料在高温下的动态模量值可以作为沥青路面高温稳定性的衡量指标。

图3 大空隙沥青混合料 (纤维掺量为0.1%)动态模量与温度的关系曲线Fig.3 Relation curves between dynamic modulus andtemperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

图4 大空隙沥青混合料 (纤维掺量为0.3%)动态模量与温度的关系曲线Fig.4 Relation curves between dynamic modulus andtemperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

2.1.2 动态模量与荷载频率的关系

密集配沥青混合料和大空隙沥青混合料的动态模量与荷载频率的关系如图5～图8所示。

图5 密集配沥青混合料动态模量与荷载频率的关系曲线Fig.5 Relation curves between dynamic modulusand loading frequency of dense-graded asphalt mixture

图6 大空隙沥青混合料 (纤维掺量为0%)动态模量与荷载频率的关系曲线Fig.6 Relation curves between dynamic modulus and loadingfrequency of large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

图7 大空隙沥青混合料 (纤维掺量为0.1%)动态模量与荷载频率的关系曲线Fig.7 Relation curves between dynamic modulus and loadingfrequency of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

图8 大空隙沥青混合料 (纤维掺量为0.3%)动态模量与荷载频率的关系曲线Fig.8 Relation curves between dynamic modulus and loadingfrequency of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

由图5～图8中的数据可以得出：随着频率的增加，大空隙沥青混合料和密集配沥青混合料的动态模量值都增加。这是因为沥青混合料是粘弹性材料，其在动态载荷下的变形反应不能立即完成，并且在卸载过程中也会经历一段时间内的回弹变形。在荷载相同的情况下，大空隙沥青混合料产生的变形响应随着荷载频率的变化而变化，从而对动态模量值产生影响。经王殿臣[22]研究发现，对于某一段沥青路面，汽车的驶入和驶离可以近似地视为正向波加载。当汽车的运行速度较慢时，荷载频率也较低，混合料的动态模量也就越低。当天气温度很高且荷载频率极低时，大空隙沥青混合料的动态模量非常小，路面极易发生车辙病害。因此，这也清晰地解释了汽车在十字路口、公交站台和停车场等行驶缓慢或停止的区域更容易产生车辙的原因。

2.1.3 动态模量与玄武岩纤维掺量的关系

与玄武岩纤维掺量为0%的大空隙沥青混合料的动态模量值相比，加入0.1%、0.3%玄武岩纤维后的沥青混合料的动态模量值有比较明显的差异趋势。特别是低温和高温时的动态模量值，这里取低温(-10 ℃)和高温(50 ℃)进行研究。试验结果如图9所示。

图9 大空隙沥青混合料低温(-10 ℃)与高温(50 ℃)下动态模量与荷载频率的关系曲线Fig.9 Relation curves between dynamic modulus and loading frequency of large-void asphalt mixture at low(-10 ℃) and high (50 ℃) temperatures

在低温下，大空隙沥青路面面层的破坏形式是产生裂缝-低温开裂。产生裂缝的主要原因是随着温度的降低，面层的大空隙沥青混合料由于收缩产生的温度应力无法释放而积累能量，当积累的能量超过面层的极限抗拉能量时，大空隙沥青路面面层就会产生开裂。从图9(a)可以看出，在低温(-10 ℃)以及6种特定的频率下，与未掺加玄武岩纤维的沥青混合料的动态模量值相比，掺加0.1%玄武岩纤维沥青混合料的动态模量值分别降低了8.1%、9.4%、10.6%、12.8%、14.3%、16.0%。掺加0.3%玄武岩纤维沥青混合料的动态模量值分别降低了22.3%、19.0%、20.2%、22.1%、23.0%、25.0%。主要是因为玄武岩纤维在沥青混合料中的分散性较好，形成的空间网状结构可以有效地克服骨料之间的相对滑移，同时，玄武岩纤维也具有良好的抗拉性能和韧性，一方面可以分担一部分温度应力，另一方面能通过桥接加筋的作用把即将要断裂的两部分紧密相连为一个整体，类似于钢筋混凝土中钢筋的作用，但相比之下，应变增强的程度要大于应力增强的程度，因此其动态模量值会降低；在纤维和基体共同作用下，混合料的极限抗拉能量增大，故加入纤维可以提高沥青混合料的低温抗裂性。

在高温下，沥青面层的破坏形式是流动变形-车辙。是由于沥青混合料的粘结力较低，在重载下会产生很大的高温变形，沥青混合料的动态模量降低。加入玄武岩纤维后，沥青混合料的高温稳定性得到提高。从图9(b)可以看出，在高温(50 ℃)以及6种特定的频率下，与未掺加玄武岩纤维沥青混合料的动态模量值相比，掺加0.1%玄武岩纤维沥青混合料的动态模量值分别提高了4.0%、6.3%、10.6%、10.2%、8.3%、7.9%。掺加0.3%玄武岩纤维沥青混合料的动态模量值分别提高了20.2%、15.5%、17.8%、20.9%、20.9%、17.1%。主要是因为玄武岩纤维与沥青能够很好的粘合，使沥青混合料的整体粘结力增强，减小高温下产生的变形。因此，在相同应力的情况下，掺入玄武岩纤维的沥青混合料产生的应变更小，高温下产生的变形更小，故加入纤维可以提高沥青混合料的动态模量值，从而提高其高温稳定性。

2.2 相位角

表征沥青混合料弹性与粘性的一个重要指标即是相位角，通过相位角的大小可以判断沥青混合料弹性与粘性的大小。研究表明，当沥青混合料完全是弹性时，相位角的大小为0°，当沥青混合料完全是粘性时，相位角的大小为 90°。相位角的变化主要通过混合料内部内摩擦阻力的增加或者减小来体现，随着温度、频率和纤维掺量的变化，内摩擦阻力也会发生相应的变化。本文将通过温度、频率和纤维掺量三个因素对沥青混合料相位角的影响规律进行研究。

2.2.1 相位角与温度的关系

密集配沥青混合料和大空隙沥青混合料相位角与温度之间的关系如图10～图13所示。

图10 密集配沥青混合料相位角与温度的关系曲线Fig.10 Relation curves between phase angle andtemperature of dense-graded asphalt mixture

图11 大空隙沥青混合料相位角与温度的关系曲线(纤维掺量为0%)Fig.11 Relation curves between phase angle and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

图12 大空隙沥青混合料相位角与温度的关系曲线(纤维掺量为0.1%)Fig.12 Relation curves between phase angle and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

图13 大空隙沥青混合料相位角与温度的关系曲线(纤维掺量为0.3%)Fig.13 Relation curves between phase angle and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

通过分析图10～图13可以发现，随着温度的变化，相位角在同一频率下的变化情况有些差异，但是每个频率下的相位角都会随着温度的增加先增大后减小；荷载作用的频率大于或等于1 Hz时，相位角的最大值大约出现在35 ℃左右，频率小于1 Hz时，相位角的最大值大约出现在20 ℃左右。这是因为沥青的胶结性能受温度的影响很大，随着温度的变化，沥青混合料的粘弹性能不断变化。在低温时，沥青混合料的力学性能主要由沥青的胶结料决定，骨料的作用相对较小，此时的沥青混合料处于弹性状态，相位角较小；随着温度的升高，沥青混合料开始趋向于粘性，相位角也相应地增加；但是随着温度的继续增加，沥青混合料中的胶结料逐渐软化，沥青混合料结构内部的动态模量由骨料来决定，而骨料本身是一种弹性材料，由此相位角会降低。

2.2.2 相位角与频率的关系

密集配沥青混合料和大空隙沥青混合料相位角与频率之间的关系如图14～图17所示。

图14 密集配沥青混合料相位角与频率的关系曲线Fig.14 Relation curves between phase angle and frequencyof dense-graded asphalt mixture

图15 大空隙沥青混合料相位角与频率的关系曲线(纤维掺量为0%)Fig.15 Relation curves between phase angle and frequencyof large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

图16 大空隙沥青混合料相位角与频率的关系曲线(纤维掺量为0.1%)Fig.16 Relation curves between phase angle and frequencyof large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

图17 大空隙沥青混合料相位角与频率的关系曲线(纤维掺量为0.3%)Fig.17 Relation curves between phase angle and frequencyof large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

通过对图14～图17分析可得，在不同的温度下，相位角随着加载频率的变化而变化。在高温时(35 ℃及以上)，相位角会随着频率的增加而增加；温度在35 ℃以下时，相位角就会随着加载频率增加而变小，导致这种现象的主要原因是沥青混合料在低温条件下主要表现为弹性特征，在荷载作用下，几乎无相位角产生；随着温度的升高，沥青的胶结料逐渐软化，相位角变化较大。待达到35 ℃及以上时，沥青混合料结构内部的相位角来自于骨料的嵌挤，因为骨料是一种弹性材料，在荷载作用下不会产生相位角，结合整体而言沥青混合料的相位角就会变小。

2.2.3 相位角与纤维掺量的关系

加入玄武岩纤维后，沥青混合料相位角发生了明显的变化，特别是低温和高温时的相位角，这里取低温(-10 ℃)和高温(50 ℃)进行研究。试验结果如图18所示。

图18 大空隙沥青混合料低温(-10 ℃)与高温(50 ℃)时相位角与频率的关系曲线Fig.18 Relation curves between phase angle and frequency of large-void asphalt mixture at low (-10 ℃) and high(50 ℃) temperatures

从图18中可以得出，在低温(-10 ℃)时，与未掺加玄武岩纤维的沥青混合料的相位角相比，掺入0.3%纤维的沥青混合料的相位角分别提高了20%、13.6%、15.2%、16.9%、17.3%、16.9%。因为在低温时，沥青混合料的相位角主要由沥青的胶结料决定，此时的沥青混合料也处于弹性状态，玄武岩纤维的加入可以使沥青混合料的粘性增加，在荷载的作用下，相位角有所增加，有利于阻止疲劳裂缝的产生与延展，提高沥青混合料的低温抗裂性。在高温(50 ℃)时，与未掺加玄武岩纤维的沥青混合料的相位角相比，掺入0.3%纤维的沥青混合料的相位角分别降低了7.7%、7.9%、9.0%、11.5%、14.7%、13.5%。这是因为在高温情况下，沥青的胶结料逐渐软化，导致粘结力降低，玄武岩纤维的加入可以减缓沥青的流动，增大沥青混合料的粘结性，在荷载的作用下，沥青混合料的高温变形减少，以至于相位角减小，从而提高其高温稳定性。

2.3 主曲线的确定

在温度、荷载频率及纤维掺量等因素的影响下，大空隙沥青混合料的动态模量和相位角会产生很大的变化。通过试验得到不同温度和频率下的动态模量值和相位角通过平移得到一条在参考温度下的光滑曲线，此曲线就是动态模量主曲线或相位角主曲线。利用主曲线，就可以对沥青混合料的长期路用性能进行预测。同样，因为仪器设备的限制，沥青混合料在短时间荷载作用下的力学性质很难从试验中得到，但利用主曲线就可以确定。

根据所得的动态模量和相位角实验数据，选用20 ℃作为标准的参考温度，通过时温等效原理，采用西格摩德 (Sigmoida1) 函数进行最小二乘拟合，确立了各纤维掺量大空隙沥青混合料的动态模量主曲线和相位角主曲线，如图19与图20所示，西格摩德函数如公式(2)所示。

(2)

式中,|E*|为动态模量(ksi)；δ为动态模量最小值；α为动态模量最大值；β，γ为西格莫德函数的参数；ΔEa为活化能；f为指定温度的加载频率也称缩减频率；T为单个试验的温度；Tr为华氏绝对温度。

大空隙沥青混合料动态模量主曲线如图19所示。

通过分析图19发现，在高温/低频条件下三种纤维掺量的沥青混合料的动态模量相差不大，纤维掺量为0.3%的大空隙沥青混合料的动态模量最大，其抵抗高温变形能力最好，其次是纤维掺量为0.1%的大空隙沥青混合料。随着温度慢慢地降低或者频率逐渐增大，纤维掺量为0.3%的大空隙沥青混合料的动态模量增长幅度最小，主要是因为在低温下，沥青混合料趋向于弹性，加入玄武岩纤维后能提高混合料的韧性，并且承担一部分温度应力，可以阻碍裂缝的产生，提高沥青混合料的低温抗裂性。

大空隙沥青混合料相位角主曲线如图20所示。

图19 大空隙沥青混合料动态模量主曲线Fig.19 Main curves of dynamic modulus of large-voidasphalt mixture

图20 大空隙沥青混合料相位角主曲线Fig.20 Main curves of phase angle of large-void asphalt mixture

通过对图20分析可得，在低温时，玄武岩纤维掺量为0.1%、0.3%的沥青混合料的相位角要稍大于未掺加纤维的沥青混合料的相位角，即纤维的加入可以使沥青混合料粘性增加，弹性减小，进一步增大沥青混合料在受力时刻可变形的范围，有利于阻止疲劳裂缝的产生，提高沥青混合料的低温抗裂性。在高温时，玄武岩纤维掺量为0.1%、0.3%的沥青混合料的相位角要稍小于未掺加纤维的沥青混合料的相位角，即纤维的加入可以使沥青混合料粘结力增强，在相同应力的情况下，掺加0.3%纤维的沥青混合料的高温变形更小，其次是0.1%纤维沥青混合料，即掺加纤维提高了沥青混合料的高温稳定性。总之，纤维作为加筋材料掺入到沥青混合料中可以改善沥青混合料的疲劳性能。

2.4 微观图像分析

为了研究大空隙沥青混合料骨架接触特点，采用CT设备对旋转压实成型的试件进行扫描，试件的横向断面和纵向断面如图21所示。

图21 大空隙沥青混合料CT图像Fig.21 CT images of large-void asphalt mixture

从图21(b)观察到空隙率在试件的顶部和底部是最大的，这是因为压实锤和磨具之间的直接接触限制了粗骨料的运动，另外，压实锤和模具的刚度较大，可能导致试样顶部和底部的粗骨料被压碎，试件中部的空隙相对较大，这是因为采用旋转压实成型试件时，试件中部的压实作业最小，压实程度较弱导致的，从图也可以看出，粗骨料之间形成的骨架结构大多以点接触的形式存在的。因此，整个沥青混合料的强度主要取决于这些接触点之间的结合强度。

图22 大空隙沥青混合料扫描电镜图像[23]Fig.22 SEM images of large void asphalt mixture[23]

为了增强大空隙沥青混合料的整体强度，在混合料中掺加玄武岩纤维。从宏观角度来看，玄武岩纤维表面光滑且浸润性好，与沥青能够很好的粘合，可确保对沥青的加筋作用。文献[23]研究了玄武岩纤维在沥青混合料中的机理。如图22，从微观角度看，沥青渗入到纤维表面的凹坑，形成更紧密的咬合，产生了类似于钢筋与混凝土之间的机械咬合作用。从22(b)可以看出，由于玄武岩纤维在沥青混合料中的分散性较好，形成空间网状结构不仅可以传输或消散压力，也可以有效地克服颗粒之间的相对滑移，从而延缓裂缝的增长速度。

3 结 论

(1)大空隙沥青混合料和密集配沥青混合料的动态模量值都随着试验温度的升高而降低，低温下的沥青混合料几乎趋于弹性，其动态模量很高，在重载作用下容易产生开裂破坏，随着温度的升高，沥青混合料由弹性逐渐向粘性转变，沥青路面在重载长期作用下易于产生永久变形，从而产生车辙病害。

(2)大空隙沥青混合料和密集配沥青混合料的动态模量值都随着频率的升高而增大，在相同的荷载水平作用下，沥青混合料产生的变形随着荷载作用频率的不同而不同，从而影响沥青混合料的动态模量值。

(3)与未加入纤维的沥青混合料相比，加入玄武岩纤维的沥青混合料的动态模量值有比较明显的差异趋势。特别是低温和高温时的动态模量值，在低温时，纤维的加入能够提高沥青混合料整体的极限抗拉强度，故提高了沥青混合料的低温抗裂性。在高温时，由于纤维的吸附稳定作用，使沥青混合料整体的粘结力增大，在同等作用下产生较小的高温变形，故提高了大空隙沥青混合料的高温稳定性。

(4)6种频率下的相位角都会随着温度的增加先增长后减小。频率大于或等于1 Hz时，相位角的峰值出现在35 ℃左右，频率小于 1 Hz 时的相位角峰值出现在20 ℃左右。在不同的温度下，相位角随着加载频率的变化而变化。温度在35 ℃及以上时，相位角会随着加载频率的增加而增大；温度在35 ℃以下时，相位角就会随着加载频率增加而变小。

(5)在低温时，掺入玄武岩纤维可以增加沥青混合料的相位角，提高其低温抗裂性，高温时，掺入纤维可以减小沥青混合料的相位角，提高其高温稳定性。掺加玄武岩纤维可以作为一种改善沥青混合料高低温性能的有效方法。