玄武岩纤维沥青胶浆及混合料的低温性能关联性

李震南，申爱琴，郭寅川，吴 华

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

低温开裂是沥青路面常见的病害之一，而沥青胶浆及混合料的低温性能是影响沥青路面低温开裂的重要因素[1-2].玄武岩纤维(BF)作为一种新型环保路面材料，具有模量高、耐久性好、与沥青相容性好等优点，对沥青胶浆及混合料的低温性能有良好的改善作用[3-4].Davar等[5]研究发现玄武岩纤维能提高沥青混合料的低温变形能力，减少沥青路面开裂.Tanzadeh等[6]认为玄武岩纤维能显著提高沥青混合料的强度.吴萌萌等[7]研究表明在合理掺量下玄武岩纤维能改善沥青胶浆的低温抗裂性，但纤维掺量过大会对其抗裂性产生不利影响.马立杰等[8]研究表明玄武岩纤维能增加高模量沥青的柔韧性和强度，并对其作用机理进行了初步探究.覃潇等[9]认为玄武岩纤维沥青胶浆及混合料的路用性能具有良好的相关性，但未对其低温指标进行关联性分析.以上研究主要集中于玄武岩纤维沥青胶浆(BFAM)或混合料的低温性能，未对两者间的关联性进行定量分析，更缺乏玄武岩纤维对沥青低温性能改善机理的深入研究.此外，针对纤维沥青胶浆的低温性能，目前尚未有统一的评价方法和评价指标.

基于此，本文通过拉伸试验研究了BFAM的低温性能，并提出了多种评价指标；采用低温弯曲试验评价了玄武岩纤维沥青混合料的低温性能，并对两者的关联性进行定量分析；同时对BFAM相态变化及玄武岩纤维沥青混合料的微观结构进行测试与表征，深入分析了BF对沥青胶浆及混合料低温性能的改善机理，为玄武岩纤维沥青路面的发展提供理论和技术支撑.

1 试验

1.1 原材料

沥青为盘锦90#基质沥青，其主要技术指标见表1；纤维为浙江石金公司生产的玄武岩纤维(BF)短切丝，其主要技术指标见表2；粗集料为玄武岩碎石，细集料为石灰岩碎石，填料为石灰岩矿粉，原材料各项性能均满足要求.

表1 沥青的主要技术指标

表2 BF的主要技术指标

1.2 配合比设计

采用AC-13型沥青混合料，其级配见表3.采用马歇尔法确定不同玄武岩纤维掺量(1)文中涉及的掺量、油石比、粉胶比等均为质量分数或质量比.wBF下的最佳油石比(mA/mS)，结果见表4.

表3 沥青混合料级配组成

表4 不同BF掺量下的最佳油石比

1.3 试验方法

1.3.1拉伸试验

将沥青加热至(165±5)℃，加入矿粉(粉胶比为1∶2)，拌和后加入相应掺量的BF并搅拌均匀，在玻璃板上成型厚度均匀的BFAM板状试件，试件尺寸为15cm×12cm.试验前将试件分别在-10、-20℃ 下保温3h后，在低温环境箱内进行拉伸试验.MTS试验机拉伸速度为10mm/min，当拉力衰减为极限拉力(Fu)的50%时停止试验，得到试件的荷载-位移(F-δ)曲线.典型的F-δ曲线见图1.

图1 典型的F-δ曲线Fig.1 Typical F-δ curve

通过拉伸试验测试BFAM的极限拉力，以此表征胶浆在不同低温环境下的抗裂性能.另外，纤维胶浆的变形能力对其抗裂性能也有较大影响，因此引入拉伸断裂能U(达到极限拉力前荷载-位移曲线面积，即图1中阴影部分面积)来综合评价胶浆的低温性能，纤维胶浆拉伸断裂能U为：

(1)

式中：δ0为极限拉力对应的位移，m.

1.3.2低温弯曲试验

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，分别在-10、-20℃下进行沥青混合料的弯曲试验，并计算不同BF掺量下混合料的弯拉强度(RB)、弯拉应变(εB)和应变能密度(dW/dV)，以此评价沥青混合料的低温性能.

1.3.3灰色关联度计算方法

灰色关联度作为一种多属性决策工具，通过计算主序列(目标值)与子序列(影响因素)之间的关联度，并对关联度进行排序，从而寻找影响主序列的主要因素，计算步骤如下[10].

(1)对各子序列进行均值化处理，得到参考序列：

(2)

(2)计算比较序列与参考序列的关联系数:

(3)

Δi(k)=|X′0(k)-X′i(k)|

(4)

(3)计算关联度γi:

(5)

若子序列X′i(k)与比较序列X′0(k)的关联系数γi越大，说明X′i(k)对X′0(k)的影响越大.

2 结果与讨论

2.1 BFAM的低温性能

BFAM的极限拉力和拉伸断裂能分别见图2、3.由图2、3可见：BFAM在-10℃下的极限拉力和拉伸断裂能随着纤维掺量wBF的增大而增加，但其增长幅度逐渐变缓慢；随纤维掺量增加，BFAM在-20℃下的极限拉力和拉伸断裂能出现先增大后减小的趋势，在0.4%掺量下其极限拉力和拉伸断裂能均达到最大值；与普通沥青胶浆(玄武岩纤维掺量为0%)相比，玄武岩纤维对沥青胶浆的低温性能具有明显的增强效果，在0.4%掺量时-10℃下BFAM的极限拉力是普通沥青胶浆的5.4倍，-20℃下其极限拉力、拉伸断裂能分别是普通沥青胶浆的5.6、4.6倍.

图2 BFAM的极限拉力Fig.2 Ultimate tension of BFAM

图3 BFAM的拉伸断裂能Fig.3 Tensile fracture energy of BFAM

在沥青基体受拉应力时，玄武岩纤维与基体共同受力，且其具有较高的抗拉强度和断裂伸长率，因此能大幅度提高沥青胶浆的极限拉力和拉伸断裂能.当玄武岩纤维掺量过多时，纤维束无法分散为均匀的纤维丝，降低了沥青对纤维的裹覆程度，纤维与沥青无法形成均匀、稳定的整体，从而削弱玄武岩纤维的增强效果，宏观表现为低温指标降低或增幅变缓[11].

2.2 玄武岩纤维沥青混合料的低温性能

沥青混合料的弯拉应变εB、弯拉强度RB与应变能密度dW/dV见图4、5.由图4可见：随玄武岩纤维掺量增加，低温下沥青混合料的弯拉应变先增大后减小；当玄武岩纤维掺量由0%增加至0.2%、0.3%和0.4%时，-10℃下沥青混合料的弯拉应变分别增加了8.0%、18.3%和19.0%，-20℃下混合料的弯拉应变分别增加了9.0%、15.5%和25.0%;当纤维掺量增加至0.5%时，混合料的弯拉应变出现减小的趋势；与普通沥青混合料相比，-10、-20℃下BF掺量为0.4%的沥青混合料弯拉应变增幅分别为19.0%、25.0%，即随温度降低沥青混合料的弯拉应变增幅变大.由此表明，在合理的玄武岩纤维掺量下混合料对低温环境有较强的适应性.由图5可见：玄武岩纤维沥青混合料的弯拉强度、应变能密度与其弯拉应变有相同的变化规律，均在玄武岩纤维掺量为0.4%掺量时达到峰值.

图4 沥青混合料的弯拉应变Fig.4 Bending strain of asphalt mixtures

图5 沥青混合料的弯拉强度和应变能密度Fig.5 Bending strength and strain energy density of asphalt mixtures

普通沥青混合料的裂缝发展过程见图6.弯曲试验加载过程中：初期普通沥青混合料和玄武岩纤维沥青混合料均未发生破坏，玄武岩纤维的增强作用不明显；随荷载的持续增加，荷载和变形超过普通沥青混合料的极限后，普通混合料底部出现裂缝并向上扩展，见图6(a)；接着裂缝会快速发展，最终形成贯穿裂缝，导致试件的整体破坏，见图6(b).

玄武岩纤维沥青混合料在弯曲试验加载初期，其所受荷载较小，玄武岩纤维与混合料基体作为一个整体共同承受荷载作用，并通过纤维-沥青界面的黏结作用将应力传递至纤维.弯曲试验加载过程中：在玄武岩纤维沥青混合料中，首先是横跨在微裂缝或薄弱部位两侧的桥接纤维承受荷载作用，约束微裂纹的发展；随着荷载的继续增加，玄武岩纤维沥青混合料内部的微裂缝逐渐扩展，成为宏观裂缝，此时混合料内部的玄武岩纤维承受更大的荷载应力，减慢开裂速度，混合料仍具有较强的承载能力；随着荷载不断增长，沥青混合料底部的玄武岩纤维不断被拉伸、拔出，位置偏上的玄武岩纤维开始承受荷载作用，进一步提高混合料的抗裂性能.当玄武岩纤维沥青混合料达到承载能力的极限后，裂缝失稳扩展，玄武岩纤维被拔出、脱胶、拉断等，混合料的承载能力降低.玄武岩纤维拔出、拉断等过程同样消耗能量，因此与普通混合料相比，玄武岩纤维沥青混合料具有较高的弯拉强度、弯拉应变和应变能密度.

图6 普通沥青混合料裂缝发展过程Fig.6 Crack development process of ordinary asphalt mixture

此外，玄武岩纤维的增强效果与其掺量密切相关：当玄武岩纤维掺量过小时，对沥青混合料的增强效果不明显；当玄武岩纤维掺量过多时，纤维难以均匀分散，纤维结团、卷曲，纤维丝相互重叠，形成受力薄弱面，降低混合料的抗裂性能.

2.3 关联性分析

由BFAM及混合料的低温性能试验结果可知，玄武岩纤维掺量对BFAM及混合料有相似的影响规律，但目前两者低温指标间的关联性鲜有报道.JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中主要以-10℃时的弯拉应变来评价沥青混合料的低温性能，此外，中国北方季冻区及重冰冻区冬季气温远远低于-10℃，因此本文以-10、-20℃ 下各纤维掺量的玄武岩纤维沥青混合料弯拉应变为比较序列，分析各子序列(-10℃ 和-20℃ 下BFAM的极限拉力和拉伸断裂能)与比较序列的关联度，计算结果见表5.

表5 BFAM的低温性能指标与玄武岩纤维沥青混合料弯拉应变关联度分析结果

由表5可见：BFAM低温性能指标与玄武岩纤维沥青混合料弯拉应变的灰色关联度排序依次为：-20℃拉伸断裂能>-20℃极限拉力>-10℃拉伸断裂能>-10℃极限拉力.-20℃时BFAM的拉伸断裂能与玄武岩纤维沥青混合料弯拉应变的关联程度最大.因此在以后研究中，应采用-20℃下沥青胶浆的拉伸断裂能评价玄武岩纤维沥青混合料的低温性能，并可以通过该指标初步优选纤维规格.

2.4 BFAM的相态变化分析

为深入研究BFAM性能的改善机理，采用差示扫描量热(DSC)分析法探讨BFAM在受热过程中的相态变化，最佳玄武岩纤维掺量(0.4%)下BFAM及普通沥青胶浆的DSC曲线见图7.

由图7可见：BFAM的玻璃化转变温度比普通沥青胶浆低3.75℃，意味着BFAM处于高弹态的温度范围更大，其在低温环境下具有更好的黏弹性；BFAM的弹流态转变温度与普通沥青胶浆相差不大，但在相态转变过程中，BFAM的吸热量高于普通沥青胶浆，吸热量增加0.1525J/g.在高弹态与黏流态的转变过程中，BFAM需要吸收更多的热量以完成相态变化，因此其具有良好的热稳定性.玄武岩纤维丝直径为6～9μm，具有较大的比表面积，能吸附沥青中的轻质组分，使在转化温度区间内发生相态变化的分子数量减少，从而使沥青胶浆具有良好的低温性能和热稳定性.

图7 BFAM和普通沥青胶浆的DSC曲线Fig.7 DSC curves of BFAM and ordinary asphalt mortar

2.5 玄武岩纤维沥青混合料的微观结构

采用扫描电镜(SEM)测试了普通沥青混合料和玄武岩纤维沥青混合料的微观结构，如图8所示.

由图8可见：普通沥青混合料内部连接较薄弱，集料与沥青间存在不同程度的剥离，其整体性较差；玄武岩纤维沥青混合料具有较好的整体性，沥青、纤维和矿料连接成一体，无明显的剥离现象.究其原因，主要是玄武岩纤维对沥青有较强的吸附作用，使沥青混合料中结构沥青增多，自由沥青减少，沥青膜厚度增加，从而提高集料与沥青间的黏结力，增强了混合料的整体性，因此其性能优于普通沥青混合料.

玄武岩纤维在沥青混合料中的分散状态见图9.由图9(a)可见：玄武岩纤维纵横交错，相互重叠，形成致密结构.当沥青混合料受力变形时，玄武岩纤维结构分散和传递应力，有效地避免了应力集中，使混合料的受力和变形更均匀.

图8 玄武岩纤维沥青混合料和普通沥青混合料的微观结构Fig.8 Microstructure of basalt fiber asphalt mixture and ordinary asphalt mixture

图9 玄武岩纤维在沥青混合料中的分散状态Fig.9 Dispersion state of BF in asphalt mixture

由图9(b)可见：玄武岩纤维跨越孔隙及裂纹，形成桥接纤维，约束裂纹的发展.当荷载作用时，横跨在微裂纹处的玄武岩纤维承受应力；随荷载持续作用，玄武岩纤维被拉断或拔出，裂缝才能进一步扩展.通过玄武岩纤维的加筋阻裂作用，延缓裂纹的扩展，从而提高沥青混合料的抗裂性.

3 结论

(1)BFAM与混合料的低温性能有良好的关联性，-20℃下BFAM的拉伸断裂能与混合料的弯拉应变关联度最大，推荐采用-20℃下BFAM的拉伸断裂能来评价玄武岩纤维沥青混合料的低温性能.

(2)基于低温性能推荐玄武岩纤维的最佳掺量为0.4%，-20℃下最佳玄武岩纤维掺量BFAM的拉伸断裂能是普通沥青胶浆的4.6倍，-10、-20℃ 下玄武岩纤维沥青混合料的弯拉应变比普通沥青混合料分别提高19.0%、25.0%.

(3)BFAM具有良好的低温性能和热稳定性，其玻璃化转变温度比普通沥青胶浆低3.75℃，从高弹态到黏流态转化过程中吸热量增加0.1525J/g.

(4)普通沥青混合料内部连接较薄弱，集料与沥青间剥离严重，掺入玄武岩纤维增强了沥青混合料的整体性，同时玄武岩纤维能承受和传递应力，约束裂纹扩展，从而改善沥青混合料的抗裂性.