玄武岩纤维沥青混合料开裂性能预测

孔贺誉，吴 星，康爱红, 2，张永健，范 钊，王本帅

(1. 扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2. 江苏省玄武岩纤维复合建筑材料工程研究中心，江苏 扬州 225127；3. 江苏宁沪高速公路股份有限公司，江苏 南京 210049)

0 引言

沥青路面是中国高等级道路的主要铺面形式[1-2]，但日益增加的交通荷载以及极端的环境条件，对沥青路面材料性能提出了更高的要求[3-4]。传统的木质素纤维改性沥青玛蹄脂沥青混合料(lignin fiber modified stone matrix asphalt-13, LFSMA-13)被广泛应用于沥青路面的上面层，然而其仍然经受着各种各样的路面病害[5-6]。其中，开裂病害的影响较大，因为其容易导致应力集中的现象[7-8]，从而诱导出其他病害形式。

玄武岩纤维作为一种绿色环保的高强度材料[9-10]，越来越多的学者开始将其使用在不同级配沥青混合料中以增强其混合料的性能[11-12]。文献[13-14]研究表明：玄武岩纤维可以较好地增强沥青混合料的路用性能。然而，关于玄武岩纤维改性沥青玛蹄脂沥青混合料(basalt fiber modified stone matrix asphalt-13, BFSMA-13)的长期性能的研究以及玄武岩纤维在沥青混合料中的增强作用机理的研究却很少。

理想开裂试验(ideal cracking test, IDEAL-CT)是近几年提出的一种较为科学可靠的混合料开裂测试手段[15-16]。同时，美国州公路及运输协会(American state highway and transportation association, AASHTO)提出了关于沥青混合料室内模拟老化试验的规范[17-18]，因此本文采用其提出的室内模拟老化试验对不同老化程度的沥青混合料进行成型与开裂性能测试。目前，关于玄武岩纤维的增强作用机理的研究主要集中于扫描电镜观测等手段，以揭示玄武岩纤维在混合料中的物理三维网状分布[19-20]情况。有研究表明，红外光谱分析有助于深入了解有机及无机材料的化学官能团含量[21-22]，且可以在一定程度上反映材料的性能，因此可以采用红外光谱分析玄武岩纤维在沥青混合料老化过程中对沥青材料的化学官能团含量的影响，从而反映玄武岩纤维对沥青材料的抗老化性能的影响。

因此，为更深入地研究老化对混合料性能的影响作用机理以及BFSMA-13沥青混合料中的增强作用机理，本文从分析化学官能团的角度对玄武岩纤维在沥青玛蹄脂沥青混合料(stone matrix asphalt-13, SMA-13)沥青混合料中的增强作用机理进行了阐释。建立基于红外光谱官能团参数与混合料开裂性能的预测模型。本研究有利于更快地对玄武岩纤维沥青混合料的开裂性能进行预测分析，从而有助于养护干预的及时实施，以达到更耐久、更可靠的路面行车目的。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本研究使用由镇江天诺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)改性沥青，其主要技术性能指标如表1所示。本文所用的木质素纤维和玄武岩纤维主要技术性能指标如表2所示。

表1 SBS改性沥青主要技术性能指标

表2 纤维主要技术性能指标

1.2 级配设计

本文采用马歇尔级配设计方法对玄武岩纤维及木质素纤维进行级配设计，具体的SMA-13级配、玄武岩纤维及木质素纤维改性SMA-13混合料的级配设计结果如表3和表4所示。依据之前的工程实践及研究结果，玄武岩纤维掺量定为0.4%(质量分数)，木质素纤维的掺量定为0.3%(质量分数)。为体现纤维对混合料性能的影响，采用同种级配，在进行油石比调试后，各项指标均满足规范要求。由表4可知：木质素纤维SMA-13的油石比偏大，这主要是由于木质素纤维的比表面积较大，因此即使木质素纤维掺量偏小，木质素纤维SMA-13的沥青用量依旧比玄武岩纤维SMA-13大。

表3 SMA-13级配设计

表4 纤维增强SMA-13级配设计结果

1.3 IDEAL-CT开裂试验

图1 IDEAL-CT测试力位移曲线示意图

本文采用的开裂测试是美国材料实验协会(American society for testing and materials, ASTM)提出的沥青混合料理想开裂测试(IDEAL-CT)[23]，其可以反映沥青混合料起裂阶段以及裂缝扩展阶段的特征参数。测试过程中的力位移曲线如图1所示，其中，P100为峰值荷载所在点，PPP85代表峰值后荷载为85%峰值荷载所在点。本文采用的开裂参数为Winitial和CTIndex，其中：Winitial为开裂形成功；CTIndex为开裂指数，可以反映裂缝扩展速度。CTIndex的计算公式如下：

(1)

(2)

其中：Winitial为开裂形成功，即加载开始时的点至P100处的力位移曲线积分值大小，J；CTindex为理想开裂试验指标；Gf为断裂能，J/m2；Wf为断裂功，J，即整个测试阶段的力-位移曲线积分值大小；D为测试样品直径，为150 mm；t为测试样品厚度，为62 mm；l75为峰值后荷载为75%峰值荷载处对应的位移大小，mm；|m75|是PPP85和PPP65连线处的斜率绝对值，mm。

1.4 红外光谱试验

本文选用直反式傅里叶红外光谱测试仪，对不同老化程度的玄武岩纤维及木质素纤维沥青混合料中的沥青材料进行红外光谱分析。首先，采用旋转蒸发沥青抽提仪进行不同混合料中的沥青抽提工作，其中沥青抽提采用的溶液为三氯乙烯溶液；然后，在专用的操作箱内进行残余的微量三氯乙烯成分的挥发；最后，将制备好的沥青抽提样品进行红外光谱测试与分析。

2 结果与讨论

2.1 开裂性能

图2 IDEAL-CT测试结果

图2为IDEAL-CT测试结果。由图2可知：不同老化程度下，在测试样品裂缝形成阶段，BFSMA-13需要的功，即Winitial均大于LFSMA-13，这也说明了与木质素纤维相比，玄武岩纤维可以在一定程度上增强裂缝在形成过程中的抵抗作用。在裂缝扩展阶段，BFSMA-13的CTIndex参数也显著大于LFSMA-13，这说明玄武岩纤维比传统的木质素纤维拥有更好的延缓裂缝扩展的能力。同时，在经历短期老化过程后，即模拟混合料摊铺状态下，BFSMA-13的Winitial降低了7.81%；在长期老化过程后，即模拟混合料摊铺并服役5～7年状态下，BFSMA-13的Winitial降低了13.1%。这组数据明显小于LFSMA-13的10.74%和18.46%。同时，BFSMA-13的CTIndex在短期老化及长期老化后降低了约10.14%和15.89%，其降低程度几乎是LFSMA-13的CTIndex指数的一半。由此可以发现，玄武岩纤维不仅可以增强传统木质素纤维的SMA-13沥青混合料的抗裂性能，同时可以在一定程度上增加其抗老化性能。因此，有必要对其抗老化性能的增强机理进行研究，在下一节，本文对所有混合料样品进行沥青抽提试验，并测试分析其红外光谱参数，对玄武岩纤维的增强及延缓老化机理进行分析，并建立了基于红外光谱量化分析的混合料老化过程中的开裂参数预测分析模型。

2.2 红外光谱分析

为进一步对玄武岩纤维延缓传统木质素纤维SMA-13的机理进行深入分析，本文使用旋转蒸发沥青抽提仪器对所有混合料测试样品进行了沥青组分的提取，并对其进行了傅里叶红外光谱分析，沥青材料红外光谱如图3所示。关于沥青材料的红外光谱分析，有学者采用羰基指数(carbonyl index, CI)来反映混合料的老化程度[24]，CI参数计算如式(3)所示。由于学者们认为1 376 cm-1甲基峰比较稳定，因此选用甲基峰峰面积A1 367为参数的分母。本文同时选用沥青中的亚砜基进行分析，其中亚砜基指数(sulfoxide index, SI)的计算也按照同种方式进行计算。由于本文采用的沥青为SBS改性沥青，其有两个主要的成分，即反式丁二烯和苯乙烯，因此本文也选用反式丁二烯指数(trans-butadiene index, TBI)和苯乙烯指数(styrene index, STI)来进一步总结分析所有的红外光谱图谱参数，其中，SI、TBI、STI的计算公式分母均为A1 376，分子分别为亚砜基峰面积A1 030、反式丁二烯峰面积A966和苯乙稀峰面积A698。本文使用OMNIC32软件对所有红外光谱图谱进行量化分析后，以LFSMA-13未老化的情况为例，其在1 700 cm-1峰位处的特征峰面积A1 700为6.236，在1 376 cm-1峰位处的特征峰面积A1 376为145.334，按照式(3)计算得到其CI指数为0.042 908，得到的分析结果如表5所示。由于羰基指数可以在一定程度上反映沥青材料的老化程度，由表5中CI指数可知：在混合料的长期老化阶段，玄武岩纤维有助于延缓SMA-13沥青混合料内部沥青材料的老化。

(a) BFSMA-13抽提样品检测数据 (b) LFSMA-13抽提样品检测数据

(3)

其中：CI为沥青材料羰基指数；A1 700为波长是1 700 cm-1处特征峰面积；A1 376为波长是1 376 cm-1处特征峰面积。

表5 纤维增强SMA-13级配设计结果

2.3 开裂性能参数预测模型建立

采用灰色关联分析[25]方法来计算Winitial、CTindex与红外光谱分析参数的关联度大小。在进行灰色关联分析时，首先将Winitial和CTindex归类为目标数列，将所有的红外光谱分析参数归类为参考数列。按照归一化对参考数列以及目标数列，按照未老化时所有数据进行归一化处理以消除单位对数据的影响。然后，按照灰色关联计算方法[26]对所有数据进行运算，得到Winitial和CTindex与不同红外光谱参数之间的关联度大小。由于本文选用的室内混合料老化方式为规范确定的标准室内模拟老化的3种老化程度，即未老化、短期老化和长期老化，因此本文可用3种老化程度下的3组参考数列数据来对应单组目标数列数据，即对开裂性能参数数列进行三元一次方程组的精确求解，而灰色关联分析的目的就在于在4种不同的参数中，分别选择出3种与Winitial或CTindex关联度最大的红外光谱参数对其进行预测分析。红外光谱参数与开裂参数的具体关联度如表6所示。由表6可知：对于木质素纤维SMA-13来说，与其关联度较大的为SI、TBI、STI；而对于玄武岩纤维SMA-13来说，与其开裂参数关联度较大的为CI、TBI、STI。同时，从分析结果也可以看出：SBS沥青的自身改性剂成分的红外光谱参数与各开裂性能参数关联度最大，因此SBS改性沥青改性剂的组分变化对混合料开裂性能有着较大的影响。在分别选择关联度最大的3组红外光谱参数后，具体的预测模型方程如式(4)～式(7)所示。在未来的研究中可以用更多的老化方式对其进行研究与分析，以获得更精确的混合料开裂性能的预测分析方程。

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 灰色关联度计算结果

2.4 纤维增强作用机理分析

为进一步对木质素纤维以及玄武岩纤维在混合料中的增强作用机理进行分析，本文对木质素纤维以及玄武岩纤维在沥青胶浆中的微观形貌进行了分析，如图4所示。从图4a中可以看出：木质素纤维质地较软，呈卷曲缠绕状态。从图4b中可以明显看出：玄武岩纤维质地较硬，呈圆柱状竖直状态。有研究显示玄武岩纤维的强度也显著优于木质素纤维[27]，这主要是由于玄武岩纤维为一种矿物纤维，木质素纤维为一种植物纤维。由于玄武岩纤维较好的高温稳定性及耐久性，其在混合料中可以获得更好的延缓老化的效果。

(a) 木质素纤维混合料微观形貌(1∶100) (b) 玄武岩纤维混合料微观形貌(1∶100)

图5 纤维在混合料中增强作用机理分析

在纤维沥青混合料模拟老化过程中，由于纤维沥青混合料基体一直处于一种受热状态，且纤维和沥青材料的耐热性能不同，在受热状态下的相对变形能力也不同。文献[28]采用纤维滑移理论对纤维沥青复合材料在受力作用时进行了单根理想纤维在复合材料基体中的分布分析。本文借鉴此理论中的理想纤维分布状态，对纤维沥青混合料在老化过程中的增强作用机理进行初步分析，如图5所示。在混合料老化过程中，沥青材料会受热膨胀，在温度应力的作用下，纤维沥青混合料基体中的沥青胶浆成分会产生一定的温度应力，其中温度应力如图5中小箭头所示。在此过程中，纤维由于耐热性及受热状态下的变形小于沥青材料，因此会产生约束沥青材料的温度应力的反作用力。由于玄武岩纤维的热稳定性及强度优于木质素纤维，在混合料室内模拟老化的过程中，玄武岩纤维可以产生更大的温度应力的反作用力，以抵抗温度应力的作用。这也就解释了玄武岩纤维可以更好地延缓混合料老化程度的现象。因此，在未来的研究中，学者们可以通过对纤维的设计，更好地设计能够同时满足性能好，也能满足长期性能优异的纤维沥青混合料。

3 结束语

(1)玄武岩纤维可以在一定程度上增强裂缝在形成过程中的抵抗作用。玄武岩纤维不仅可以增强传统木质素纤维的SMA-13沥青混合料的抗裂性能，同时可以在一定程度上增加其抗老化性能。

(2)玄武岩纤维有助于延缓SMA-13沥青混合料内部沥青材料的老化，其在混合料中的抗老化作用优于木质素纤维。

(3)对于木质素纤维SMA-13来说，与其关联度较大的为SI、TBI、STI参数；而对于玄武岩纤维SMA-13来说，与其开裂参数关联度较大的为CI、TBI、STI参数。SBS沥青的自身改性剂成分的红外光谱参数与各开裂性能参数关联度最大。

(4)从红外光谱试验中得到的沥青材料特征峰可以较好地对混合料开裂性能进行预测，在工程实践中，可以通过混合料中沥青材料的红外光谱检测高效地对路面材料性能进行评测。