玄武岩纤维沥青混合料力学及疲劳特性

马 峰，杨宇峰，纪 续，郭兴隆，易小帆

(1.长安大学 公路学院，西安 710064；2.济南金曰公路工程有限公司，济南 250101)

20世纪60年代，纤维开始被应用于沥青路面中，因其能够明显改善沥青性能和防止路面反射裂缝的发生和扩展，受到工程界的广泛认可[1]。常用纤维有木质素纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维等[2]。玄武岩纤维工作范围广并且环保无污染，相比于其他纤维，玄武岩纤维在改善沥青混合料性能上效果更好[3-5]，因而愈发受到研究学者的关注。国内外许多研究人员对玄武岩纤维沥青混合料进行了多方面的研究。文献[6-8]发现玄武岩纤维可以很好地提高沥青胶浆的高低温性能；文献[9]从微观角度解释了低温改性机理。容易发现玄武岩纤维沥青胶浆的性能优异，而对于沥青混合料性能研究，文献[10]发现温度较低时玄武岩纤维改善了沥青混合料的抗拉强度和蠕变强度，但是当温度超过软化点时，提升幅度较小；文献[11]研究发现玄武岩纤维能够改善大空隙沥青混合料的高低温性能和水稳性能，但对排水性能产生不利影响；文献[12]发现玄武岩纤维加强了沥青混合料高温抗变形的能力；文献[13-14]研究发现玄武岩纤维减轻了沥青混合料受冻融循环的破坏程度，改善了在复杂环境下的低温性能；文献[15]利用建立的广义Sigmoidal模型主曲线，研究SBS与玄武岩纤维沥青混合料的抗冻融性能，文献[16]研究表明其抗冻融能力出色。从宏观层面研究玄武岩纤维沥青混合料，发现其性能有明显提高，同时研究人员也从微观角度对玄武岩纤维改性机理进行分析。文献[17]借助扫描电镜和数字图像处理技术对玄武岩纤维的低温改性机理进行了深入探讨；文献[18]借助扫描电镜分析了玄武岩纤维沥青混合料韧性增强机理，认为玄武岩纤维能抑制路面反射裂缝的发生。

目前主要针对沥青胶浆流变特性以及混合料高低温、水稳定性的性能进行研究，并借助微观试验及仪器研究其改性机理，反而对力学和疲劳特性关注较少，而混合料的力学特性能够在一定程度上反映路面的结构强度，在路面设计中起到重要的作用，其疲劳特性更是影响着路面的使用寿命，路面能否长期保持高性能有赖于混合料疲劳寿命的提升。基于此，文中拟比对不同纤维掺量下混合料的常规性能，得到最佳纤维掺量，以不掺纤维的混合料为对照，分析玄武岩纤维沥青混合料的力学及疲劳特性，从而对其性能进行综合评价。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

采用SBS改性沥青和6mm的短切玄武岩纤维，测试原材料的各项技术指标，其结果均满足规范要求，结果见表1和表2，玄武岩纤维外观如图1所示。

表1 沥青的主要指标

表2 玄武岩纤维的技术指标

图1 玄武岩纤维

1.2 沥青混合料最佳油石比

混合料级配选用AC-13级配中值，按马歇尔试验方法计算6种掺量下玄武岩纤维沥青混合料的最佳油石比，结果见表3。

表3 各种纤维掺量下的最佳油石比

由表3可知，沥青用量随玄武岩纤维掺量的增加大致呈线形增长。产生这种现象的原因主要是掺入玄武岩纤维使材料比表面积增大，所吸附的沥青增多，所需沥青用量也增多。

1.3 试验方法

分别应用车辙仪、万能材料试验机和马歇尔试验仪进行高低温和水稳性能试验，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[19]中T0719,T0715,T0709及T0729；

1.3.1 力学性能试验

以2 mm·min-1的加载速率测试20 ℃试件的静态力学性能，试验方法为单轴压缩试验；应用UTM万能材料试验机测定20 ℃,35 ℃,50 ℃三个温度以及0.1 Hz,0.5 Hz,1 Hz,5 Hz,10 Hz,25 Hz六种加载频率下混合料的相位角和动态模量。

1.3.2 疲劳性能试验

采用四点小梁弯曲疲劳试验，应用产自澳洲的UTM-100仪器在300 με,400 με,500 με,600 με四种应变控制模式下研究沥青混合料的疲劳性能，试验温度选用15 ℃，加载频率为10 Hz。

2 试验结果及分析

2.1 高温稳定性试验

车辙试验结果如图2所示。

图2 各种纤维掺量下沥青混合料的动稳定度

由图2知，沥青混合料加入了玄武岩纤维后，动稳定度大幅提高，且提升最大时的纤维掺量为0.3%，相比于普通沥青混合料提升了110.0%。掺量小于0.3%时，沥青混合料的动稳定度和纤维掺量成正相关，掺量为0.2%时，提升幅度为40.9%；纤维掺量大于0.3%时，过多的纤维反而降低了改善效果，当掺量增加到0.6%时，动稳定度提升效果降低到了31.5%。这是因为玄武岩纤维具有加筋效果，能够抑制混合料高温变形，但是过多的纤维在搅拌时不容易分散，相互结团，混合料的整体性受到影响，削弱了纤维的改善效果[20]。

2.2 低温抗裂性试验

图3为低温弯曲试验结果。由图3知，玄武岩纤维使沥青混合料的低温性能得到提高，掺量为0.3%时沥青混合料的低温性能达到顶峰，实测的两项性能指标(弯拉强度和破坏应变)分别提高了9.8%和29.2%，但是纤维掺量超过0.3%时，混合料的低温性能持续降低，玄武岩纤维用量达到0.6%时，其低温性能与普通混合料相差无几弯拉强度和坡外应变分别仅提高2.2%和10.0%，从数据上看虽然混合料的低温抗裂性能有所加强，但不如混合料的高温性能改善效果。玄武岩纤维在混合料中相互搭接，遏制了裂缝的产生和延伸，改善了混合料的低温性能。但过量的纤维在混合料内易局部结团，降低沥青混合料整体性，而结团处也易成为受力薄弱点，致使混合料抗裂性能降低，在荷载作用下发展成为裂缝。

图3 低温弯曲试验结果

2.3 水稳定性试验

对比试件浸水前后的稳定度可得浸水残留稳定度，对比试件冻融循环前后的劈裂抗拉强度可得冻融劈裂强度比(TSR)，其结果如图4所示。两种结果数值越大均表示水对混合料的不利影响越小。

图4 各种纤维掺量下沥青混合料的抗水损害能力

由图4可知，玄武岩纤维沥青混合料的试验指标均比未掺入纤维的沥青混合料有一定程度的提高，两个试验指标随纤维掺量的增加先增大后减小，表明混合料的水稳定性先提高后衰减。玄武岩纤维吸附自由沥青，提高结构沥青的数量，对于混合料水稳定性有利，但是过量的纤维会侵入沥青和集料的粘结界面上，减少沥青和集料的吸附面积，使混合料的水稳定性降低[21]。纤维掺量0.3%对应混合料水稳定性指标极大值，对比普通沥青混合料分别提升7.8%(浸水残留稳定度)和11.4%(TSR)，与混合料的高低温试验相比，纤维用量为0.3%时，混合料的水稳定性增幅最小。对比两种不同的水稳定性试验结果，对于浸水残留稳定度，当纤维用量达到0.5%时，混合料的水稳定性开始低于纤维用量为0.2%时的，而纤维用量为0.5%时的TSR依然高于纤维用量为0.2%时的，并且纤维用量0.6%的TSR与0.2%的相差不大，但是从实验条件来说，冻融劈裂试验较浸水马歇尔试验条件复杂、试验方法更加严苛，综合来看，虽然纤维对混合料水稳定性的提升影响不大，但它能够较好的改善在复杂环境下的低温性能。

由文中分析可知，0.3%纤维掺量对沥青混合料路用性能的改善效果最好，由于力学性能试验和疲劳试验的试验变量较多，若采用6种掺量逐个分析，会造成实验数据繁琐，不易直观感受玄武岩纤维带来的影响，因此在力学性能试验和疲劳试验中选用0.3%为代表掺量进行试验分析。

2.4 力学性能试验

静态回弹模量是当前路面设计中使用较多的一种材料设计参数，但是作用在路表面的是变化的动荷载，相比于静态模量，动态模量更能反映在真实荷载条件下沥青混合料的力学性能，因此本文选用沥青混合料的静、动态模量进行对比研究。

2.4.1 沥青混合料静态力学性质

图5为单轴压缩试验结果。

图5 两种沥青混合料的抗压强度及回弹模量

由图5可知,玄武岩纤维沥青混合料的静态力学性能有所提升,但提升较小,抗压强度和回弹模量仅提高了2.5%和10.1%。玄武岩纤维主要是通过在沥青沥青混合料中与沥青和集料搭接形成相对稳定的三维结构提高沥青混合料的各项性能,对抗压强度提升不大。在静载作用下，混合料被压缩后，高模量的玄武岩纤维能够带动混合料恢复变形，因此玄武岩纤维沥青混合料的回弹应变相对较小，模量更高[22]。

2.4.2 沥青混合料动态力学性质

动态回弹模量试验结果如6所示。图7为在不同温度和频率条件下两种沥青混合料的相位角。

由图6可以发现在相同的试验条件下掺入玄武岩纤维的沥青混合料的动态模量相比于不掺纤维的沥青混合料有较大的提升，但是随着试验温度的提高，玄武岩纤维对动态模量的提升效果减弱，20 ℃时提升最明显，幅度在24%以上，到了50 ℃时，提升效果随加载频率变化不太稳定，大多保持在10%左右，而当温度为35 ℃时，没有呈现出明显的规律，但依然可以从图中看出掺纤维混合料的动态模量高于普通混合料的。这说明玄武岩纤维对混合料的动态力学性能有一定程度的提升，特别是当温度较低时，提升效果更为可观。

图6 不同温度和频率条件下两种混合料的动态模量

由图7可知，不同温度下，沥青混合料的相位角随频率的变化而变化。对于普通沥青混合料而言，20 ℃时的相位角随频率提高而减小，而35 ℃和50 ℃时的相位角却随频率提高而增大；对于玄武岩纤维沥青混合料而言，其受温度的影响较小，随频率增加相位角整体呈现下降的趋势，说明玄武岩纤维能减缓沥青混合料受温度的影响。对比同一温度条件下两者的相位角大小，发现当温度为20 ℃时，低频荷载作用下玄武岩纤维沥青混合料的相位角明显低于普通沥青混合料，而随着频率的升高，两者相位角趋于接近；当温度为35 ℃和50 ℃时，玄武岩纤维沥青混合料的相位角整体低于前者，且随着作用荷载频率的增加，两者相位角的差值有增大的趋势。综合来看，玄武岩纤维的加入降低了混合料低温低频以及高温高频时的相位角，使混合料更加倾向于弹性性质，对于混合料的动态力学性能有较大的提升。

图7 不同温度和频率条件下两种混合料的相位角

2.4.3 动静态模量对比

动态模量的测试需要在不同温度和不同频率下获得，而10 Hz对应车速75 km·h-1，具有很高的代表性，因此在20 ℃、10 Hz条件下的对比动态模量与静态模量。表4为两种沥青混合料的动、静态模量数据。

表4 动静态模量对比

由表4可以看出，两种模量的数值相差巨大，动态模量可达静态模量的8倍以上。这主要与两种试件成型方式和加载方式的不同有关。0.3%掺量玄武岩纤维沥青混合料的静态模量提升为10.1%，动态模量提升为24.8%，动态模量相比于静态模量提升效果明显，说明在接近真实道路条件下，更能够体现出玄武岩纤维的改善作用，玄武岩纤维沥青路面能够表现出良好的性能。

2.5 疲劳性能试验

混合料疲劳试验结果如图8所示。由图8可知，掺加玄武岩纤维后，沥青混合料的疲劳寿命明显提高，可随着应变水平的升高,提升效果急剧减小,加载应变为300με时，疲劳寿命提升达到400%以上，应变为400με和500με，疲劳寿命也能够分别提升385.2%和154.6%，而加载应变提高到600με时，疲劳寿命提升降至108.2%。分析其原因，玄武岩纤维能在混合料内部“桥接”，构成空间网状结构，抑制了内部裂缝的扩张，提高了混合料抵抗荷载作用的能力，疲劳寿命也相应提高，而应变水平的提高使小梁变形加大，内部细微裂缝更易扩张，其劲度模量迅速下降，小梁所能承受的荷载作用次数大大减少，因此呈现出疲劳寿命随应变水平提高提升效果下降的现象。

图8 应变-疲劳寿命关系曲线

对两种沥青混合料的疲劳曲线在双对数坐标下进行线形拟合,结果如图9所示。发现玄武岩纤维的加入降低了疲劳曲线斜率，这说明玄武岩纤维沥青混合料有着更低的疲劳敏感度，其抗疲劳性能的得到提升。

图9 双对数疲劳曲线拟合图形

3 结 论

1) 玄武岩纤维能明显提升沥青混合料的高低温和水稳性能，且其性能与纤维掺量的关系曲线走向相同，当纤维掺量为0.3%时，沥青混合料的高低温和水稳定性能表现最好；从改善效果看，高温稳定性提升最多，水稳定性增幅最小。

2) 玄武岩纤维增强了沥青混合料的回弹模量，但对静态模量的提升非常小，相比较之下，动态模量显著提高；玄武岩纤维不仅显著降低了沥青混合料低温低频和高温高频时的相位角，还改变了相位角随加载频率的变化趋势，使沥青混合料更加倾向于弹性行为。总的来说，沥青混合料力学性能优异。

3) 玄武岩纤维显著提高沥青混合料的疲劳寿命，随控制应变的增大疲劳寿命的增幅速率变缓，但即使应变达到600με，增幅依然能够达到108.2%。对两种沥青混合料的疲劳曲线在双对数坐标下进行线形拟合，发现沥青混合料对疲劳的敏感性降低，疲劳衰变速率减缓，抗疲劳能力提高。