数字图像散斑技术的玄武岩纤维沥青混合料长期抗裂性能分析

肖 鹏，裴昭辉，吴帮伟，康爱红，寇长江，吴 星,3

(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.瑞尔森大学，加拿大 多伦多 ON M5B 2K3)

0 引言

沥青混合料在反复交通负荷和环境影响下，极易发生各种类型的开裂，从而降低其道路性能，导致其使用质量和使用寿命下降[1-2]。因此，许多研究人员对沥青混合料抗裂性能展开了研究，认为纤维可有效改善沥青混合料的抗裂性能[3-6]。

沥青玛蹄脂沥青混合料(stone matrix asphalt, SMA)作为一种性能优异的混合料，被广泛应用于工程实践中。木质素纤维(lignin fiber, LF)[7]对沥青有较强的吸附性，目前已被广泛应用于纤维SMA路面，从而减小SMA沥青路面中的沥青用量。但由于木质素纤维强度较低，其增强效果主要在于对沥青的吸附，增强性能效果并不明显。玄武岩纤维(basalt fiber, BF)[8]作为一种新型无机纤维材料，因其高强度、耐久性、稳定性和环保性的优势被称为“无污染高性能材料”，有必要进一步对掺入玄武岩纤维的SMA型沥青路面抗裂性能进行研究。

目前，关于沥青混合料抗裂性能的测试方法主要有低温小梁弯曲试验[9]、间接拉伸开裂试验[10]和半圆弯拉试验[11]等。虽然这些方法可以有效区分不同沥青混合料的抗裂性能，但其测试结果往往是最终的宏观性能指标，测试方法耗时较长，评价参数较为单一，难以对沥青混合料的开裂过程进行跟踪评估[12]。而数字图像散斑技术是一种光学和非接触式测量技术，可以在不同变形状态下捕获被测表面的全场位移和应变信息，从而打破了传统测量方法的局限性，为测试沥青混合料提供了更全面的荷载和变形响应信息[13-15]。因此，为更科学地对沥青混合料开裂性能进行研究，本文采用数字图像散斑技术对其开裂行为进行系统分析。同时，纤维沥青混合料性能的研究不能局限于性能本身，其长期性能的研究也十分重要，研究纤维沥青混合料在不同老化阶段的抗裂性能具有重要的理论意义和实际价值。

因此，本研究选取两种常用的纤维(LF和BF)为研究对象，制备木质素纤维沥青混合料(lignin fiber asphalt mixtures, LFSMA-13)和玄武岩纤维沥青混合料(basalt fiber asphalt mixtures, BFSMA-13)试件，通过半圆弯拉试验研究纤维对不同老化阶段(未老化、短期老化、长期老化)沥青混合料抗裂性能的影响，采用数字图像散斑技术跟踪沥青混合料的开裂过程，计算实时裂纹扩展长度L和平均裂纹扩展速率V，评价纤维类型对沥青混合料抗裂性能的影响。采用扫描电子显微镜试验分析木质素纤维和玄武岩纤维在混合料中的分布，揭示纤维的强化机制。研究结果可为设计具有良好抗裂性能的沥青路面以及高效分析沥青混合料开裂性能提供参考。

1 试验材料

1.1 沥青

选择苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer, SBS)改性沥青(PG 76-22)进行实验室测试，其各项性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]的标准。

1.2 纤维

本文采用两种纤维(木质素纤维和玄武岩纤维)，木质素纤维(见图1a)外观呈灰白色，非常柔软；玄武岩纤维(见图1b)外观呈金棕色，质地坚硬，长度为6 mm。木质素纤维和玄武岩纤维的性质见表1。

(a)木质素纤维 (b)玄武岩纤维

表1 纤维的性质

1.3 矿料

集料采用玄武岩骨料，填料是石灰岩矿粉。对骨料和填料的性质进行了测试，其各项性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]的标准。

2 试验方法

2.1 试验过程

2.1.1 沥青混合料组成设计

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]规定，采用马歇尔方法进行SMA-13沥青混合料配合比设计，设计级配如表2所示。根据本课题组的初步研究成果和实际工程经验，木质素纤维掺量为SMA-13质量的0.3%，玄武岩纤维掺量则为SMA-13质量的0.4%，设计结果如表3所示。

表2 SMA-13设计级配

表3 纤维沥青混合料马歇尔设计结果 %

2.1.2 沥青混合料老化方法

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[17]中的沥青混合料老化方法(T0734—2000)制备不同老化状态下的混合料试件。其中，短期老化混合料用于模拟在施工周期内的沥青混合料，长期老化混合料用于模拟已经服役5年至7年的沥青混合料。对于短期老化方法，将松散沥青混合料在搪瓷盘上均匀铺展至约50 mm的高度，放置于(135±1)℃的强制通风烘箱内，每隔1 h对混合料进行翻拌，连续加热4 h±5 min后从烘箱中取出混合料，并通过旋转压实机成型试件。对于长期老化方法，用短期老化后压实的试件冷却脱模后，放入(85±3)℃烘箱中连续加热(120±0.5)h，获得混合料试件，待冷却后对试件进行性能测试。

2.2 半圆弯拉试验

采用美国AASHTO TP 105—13[18]标准测试方法中半圆弯曲试验方法测试常温下沥青混合料试件，半圆柱形试件的尺寸直径为150 mm，厚度为50 mm。试件需要提前在其底部预留一定长度的狭缝，如图2所示，以揭示具有初始裂纹的混合料的抗裂性，以及发生裂纹后的裂纹膨胀情况。

图2 半圆弯拉试验中预切缝长度示意图

对于半圆弯曲试验，将半圆柱形混合料试件置于万能试验机中，通过上部金属柱添加负载(见图3)。试验在25 °C下进行，加载速度为50 mm/min，记录了荷载-变形曲线。柔性指数(flexibility index, FI)可以用式(1)～式(3)表示。

图3 半圆弯拉试验的测试图片

(1)

Arealig=韧性区长度×t；

(2)

(3)

其中：Gf为断裂能，J/m2；Wf为断裂功，J；Arealig为韧性区面积，mm2；t为试件厚度，mm；|m|为峰值后斜率绝对值，kN/mm；A为单位转换和缩放，A=0.01。

2.3 数字图像散斑技术试验

数字图像散斑技术是一种将现代图像编程技术与光学测量分析相结合的测试方法，可以通过数码相机像素收集不同疲劳载荷周期下半圆形试样表面的图像位移数据。数字图像散斑技术的基本原理是在变形前将目标区域划分为图像中的多个子区域，根据每个子区域的灰度特征值，在变形图像中找到与参考图像中相关性最好的子区域[19]。使用MATLAB软件(MATLAB 2019a)中的Ncorr程序计算子区域的位移，换算得到待测点的实际位移。为了量化纤维沥青混合料的动态裂纹形成特征，通过数字图像散斑技术分析结果，得出选定分析区域的实时裂纹扩展长度L和平均裂纹扩展速率V，来揭示沥青混合料的抗变形能力，所选图像的实时裂纹扩展长度L(实时裂纹尖端坐标如图4所示)和平均裂纹扩展速率V根据式(4)和式(5)计算[20]。

(a) 实时裂纹尖端区域 (b) 实时裂纹尖端坐标

(4)

(5)

其中：δ为照片尺寸像素的转化因数；t为所选测试过程的时间(即拍摄测试图像的时间间隔)，s。所选测试过程的总时间为15 s，因为所有试样在15 s内都显示出明显的裂纹。

2.4 扫描电子显微镜试验

为了观察纤维对沥青混合料的形貌，采用美国ASTM E 2438—2005[21]标准测试方法中扫描电子显微镜试验来表征木质素纤维、玄武岩纤维及其相应的SMA沥青混合料的表面微观结构，以探究不同纤维对SMA混合料性能影响的机理。

3 结果与分析

3.1 半圆弯拉试验结果与分析

半圆弯拉试验结果如图5所示，在不同老化阶段，BFSMA-13的Gf始终大于LFSMA-13的Gf；在长期老化阶段，两者之间的差值达到最大，此时LFSMA-13的Gf约为BFSMA-13的58.4%。这说明BFSMA-13裂缝开展过程中所需的总能量大于LFSMA-13。即从裂缝开展全过程来看，玄武岩纤维可以更好地提高SMA-13沥青混合料抵抗裂缝的能力。

(a) 断裂能 (b) 柔性指数标

从FI指数来看，BFSMA-13的裂缝开展速度始终低于LFSMA-13。短期老化后BFSMA-13的FI比未老化时减小11.51%，长期老化后BFSMA-13的FI比未老化的FI减小16.95%。短期老化后LFSMA-13的FI比未老化的FI减小18.04%，长期老化后LFSMA-13的FI比未老化时减小29.63%。从裂缝开展速度的角度来看，BFSMA-13的抗老化性能也优于LFSMA-13。原因可能是混合料开裂后骨料之间的相对位移，而短切的玄武岩纤维在混合料中起增强作用，这抵消了部分应力，减缓了混合料裂纹的形成速度，并有效地延缓了裂纹的传播。

3.2 数字图像散斑技术试验结果与分析

以未老化的LFSMA-13和BFSMA-13的垂直位移云图为例(见图6)。当加载到5 s时，半圆形试件裂缝附近区域的位移变动很小。随着加载时间的增加，位移规律逐渐明显，表明混合料中的沥青砂浆和骨料出现协同变化。当加载到10 s以及更久时，纤维类型对混合料的位移发生不同程度的位移变化。这进一步表明，玄武岩纤维在SMA-13中起到“加筋”、增强作用，有效减缓混合料整体位移的变化。

(a) LFSMA-13(加载5 s) (b) LFSMA-13(加载10 s) (c) LFSMA-13(加载15 s)

图7为不同老化阶段下两种纤维沥青混合料的实时裂纹扩展长度，不同老化阶段的BFSMA-13的裂纹起裂时间均比LFSMA-13晚。该结果进一步证明玄武岩纤维在裂纹萌生阶段比木质素纤维具有增强抗裂性能。从平均裂纹扩展速率V(见表4)来看，在未老化、短期老化和长期老化阶段，BFSMA-13的V值分别为LFSMA-13的V值的53.53%、48.35%和53.94%。

图7 不同老化阶段下纤维沥青混合料的实时裂纹扩展长度

表4 不同老化阶段下纤维沥青混合料的平均裂纹扩展速率V mm/s

此外，选取不同老化阶段的两种纤维沥青混合料的FI指数(基于半圆弯曲试验得到的指数)与V进行相关性分析。图8显示线性拟合得到的相关系数R达到了0.9，表明FI指数与V具有良好的相关性。进一步验证数字图像散斑技术可以合理评估沥青混合料的抗损伤和开裂特性。

图8 FI指数与平均裂纹扩展速率V的线性拟合指标相关性分析

3.3 扫描电子显微镜试验结果与分析

木质素纤维和玄武岩纤维的扫描电子显微镜图像如图9所示，相应沥青混合料的扫描电子显微镜图像如图10所示。

(a) 木质素纤维 (b) 玄武岩纤维

(a) LFSMA-13 (b) BFSMA-13

由图9可以看出：木质素纤维质地较软，容易卷曲缠绕，而玄武岩纤维形态均匀，质地较硬，不易弯曲缠绕。木质素纤维在混合料中主要起着吸油作用，从而使得沥青胶结料和集料可以更好地吸附在一起，而玄武岩纤维形态的稳定均匀性、较大的弹性模量和抗拉强度使得其在混合料中的传力性能较好。

如图10a所示，木质素纤维可以在混合料中形成三维网状结构，但由于其抗拉强度较低，所以在混合料中容易弯曲缠绕，因此在混合料破坏时并不能有效地承担混合料内部的应力，这种结构主要有助于木质素纤维吸附SMA-13内部多余的沥青，从而使得骨料之间的沥青胶浆的分布更为稳定，通过增加骨料表面的沥青膜厚来增强骨料与骨料之间的黏结能力，从而达到强化混合料性能的作用。由图10b可知：玄武岩纤维在SMA-13中也可以形成较好的三维网状结构[22]，其在混合料中并未发生弯曲缠绕的现象。由于其优异的力学性能[23]，从而可以分担部分混合料内部的应力，并使得应力可以在混合料内部的薄弱区(由于混合料摊铺过程不是均匀的，一些地方较为薄弱)更好地传递，从而延缓病害的产生，可以更好地在SMA-13沥青混合料中发挥其更大的作用。

4 结论

(1)随着老化程度的加深，LFSMA-13和BFSMA-13的抗裂性能均变差。在不同老化程度下，BFSMA-13的抗裂性能均优于LFSMA-13。

(2)半圆弯拉试验结果的FI指数与数字图像散斑技术试验结果的V值具有较好的相关性，数字图像散斑技术试验可以较为高效地反映不同老化阶段沥青混合料的抗裂性能。

(3)玄武岩纤维可以通过与SMA-13协同作用来提高沥青混合料的抗裂性能，木质素纤维能吸附SMA-13中多余的游离沥青。