陶瓷纖維摻量對瀝青混合料力學性能的影響研究★

李冬娜

(蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

近年來，隨著重載交通的日益增加和車輛軸型種類的變化，我國許多瀝青路面在服役期間會出現疲勞破壞和嚴重永久變形現象[1-2]。由于瀝青混合料的力學性能和服役特性取決于集料、瀝青之間的相互作用[3]，因此增強集料和瀝青性能可以提高混合料耐久性[4]。研究表明，各種類型的纖維改性劑可以不同程度地改善混合料的性能，提升道路品質及服役壽命[5]。

目前，國內外學者關于纖維在瀝青混合料中的應用已經進行了大量不同角度的研究。纖維的加入可以增強基質瀝青的抗拉性能、彌補低溫脆性大等缺點。采用力學性能優異的纖維作為瀝青混合料添加劑可以改善混合料的抗永久變形和抗疲勞性能，從而提高路面耐久性，延長路面使用壽命。如Serfass等通過向瀝青混合料中摻加石棉、竹纖維證明了該纖維的加入可以提高混合料的抗疲勞特性和抗水損壞性能[6-7]；Morea等通過試驗研究發現，在瀝青混合料中摻加玻璃纖維可提高其抗永久變形性能[8]；張楠等研究表明，向瀝青混合料中摻加中空聚酯纖維，可以有效提高瀝青混合料的水穩定性和高溫穩定性能[9]；韋佑坡等通過分析玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用機理，證實了玄武巖纖維的加入提高了瀝青混合料的路用性能，對混合料的動穩定度有明顯的增強作用[10]。

陶瓷纖維(CF)是通過熔融高嶺土形成的一種硅酸鋁纖維，CF不僅具有優越的力學性能，還有良好的溫度穩定性、化學穩定性和一定的柔韌性[11-12]，當前國內外學者關于CF對瀝青混合料力學性能影響的研究不夠深入。因此，本文首先對陶瓷纖維瀝青混合料(CFMAM)試件進行馬歇爾試驗，研究纖維改性瀝青的穩定度和流值變化；其次采用間接拉伸勁度模量試驗(ITSM)評價CF對CFMAM試件勁度模量的影響；最后分別通過間接拉伸疲勞試驗(ITSM)和重復荷載軸向試驗(RLA)，探究CF在不同摻量下對瀝青混合料抗疲勞和抗永久性能的影響。此外，通過線性回歸模型擬合勁度模量、疲勞壽命、永久變形量與CF摻量的關系，分析其相關性。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

1)集料。

本研究所使用的集料由甘肅路橋清傅四標拌合站提供，集料的性質如表1，表2所示。

表1 粗集料技術指標

表2 細集料技術指標

2)瀝青。

本研究采用甘肅省交通物資供應有限公司提供的70號瀝青,其基本性質如表3所示。

表3 瀝青主要技術指標

3)陶瓷纖維(CF)。

本研究所選用CF的基本性質和組成元素分別見表4，表5。

表4 CF基本性質指標

表5 CF組成元素

1.2 混合料試驗

1)改性瀝青。

為保證纖維在瀝青混合料中合理分散并防止其結團,本研究選擇濕拌工藝。

首先將試驗所需纖維在160 ℃的烘箱中加熱24 h,確保其完全干燥并且達到所需的混合溫度。其次,分別向瀝青中加入1%，3%和5%的CF制備改性瀝青混合料試件。陶瓷纖維改性瀝青(CFMB)的主要技術指標見表6。

表6 CFMB的主要技術指標

2)混合料試件制備。

根據相應規范的要求,制備高度為63.5 mm的馬歇爾標準試件;對于ITFT試驗,制備高度為40 mm的試件。對于摻加0,1%,3%,5%陶瓷纖維的混合料進行擊實試驗,試件正反雙面各擊實75次,纖維混合料的拌合及擊實溫度均符合規范要求。

1.3 浸水馬歇爾試驗

根據相關規范要求,為模擬車輛運行期間路面達到的實際最高溫,將試件置于60 ℃的水浴槽中30 min。試驗過程中以50 mm/min的恒定速度施加荷載至試件破壞,將試件所能承受的最大荷載作為失效點,記錄該點處的荷載值和形變量為穩定度和流值。

1.4 間接拉伸勁度模量試驗(ITSM)

ITSM是根據標準BS EN12697-26,借助諾丁漢測試儀,通過間接拉伸法測定CFMAM試件的動態勁度模量。首先將試件放置在恒溫箱中24 h,取出后將其置于儀器架中進行加載。

加載過程沿試件直徑軸方向進行,每次循環試驗時間為1 s,其中加載和卸載0.1 s,卸載0.9 s。每個試件加載兩次,第二次加載需將試件旋轉90°,通過兩個線性可變差動傳感器(LVDT)測量試件的水平變形。

ITSM是一種測量勁度模量的無損實驗,因此試件的變形保持在彈性范圍內。由于第一次加載后試件內部的彈性變形并未完全消失,所以第二次加載后得到的勁度模量小于第一次,其中勁度模量的計算公式如下[13]:

(1)

其中,SM為勁度模量，MPa;P為重復荷載，N;v為泊松比;H為最大水平變形，mm;L為試件厚度，mm。

1.5 間接拉伸疲勞試驗(ITFT)

ITFT同樣采用諾丁漢測試儀,為使疲勞破壞迅速發生并較好的表示所測數據[14],本試驗采用恒應力加載的方式,加載過程沿試件直徑軸線方向進行。

根據相關規范,試驗分別在5 ℃和25 ℃的溫度下進行應力為250 kPa和400 kPa的測試。加載頻率為1 Hz,加載時間為0.1 s。由于設備限制,將8 mm的垂直位移作為疲勞判據輸入到儀器中。

1.6 重復荷載軸向試驗(RLA)

利用動態蠕變加載機,沿瀝青混合料試件圓柱軸施加作用力進行重復荷載軸向試驗,同樣用兩個LVDT來測量加載引起的垂直變形,RLA的主要目的是預測路面永久變形的可能性[15](見圖1)。

圖1通過描述荷載作用次數和累積永久變形的關系,反映了混合料抵抗永久變形的能力。在加載第一階段,由于試件體積發生變化,累積應變迅速增加;第二階段是過渡階段,累積應變的變化速率平緩發展且基本穩定;在達到一定荷載循環次數的第三階段,累積應變的變化速率再次迅速增加直至試件破壞[16-17],同時出現剪切變形進而出現車轍。第二和第三階段出現在路面服役期的后期。

RLA的試驗溫度分別為40 ℃和60 ℃,應力條件分別為100 kPa和300 kPa。進行試驗之前需將試件置于恒溫箱中4 h,以達到預期的試驗溫度。

2 結果與討論

2.1 馬歇爾試驗

圖2表示不同纖維摻量下CFMAM試件的穩定度和流值,瀝青混合料基本性能如表7所示。

由圖2可以看出,隨著CF摻量的增加,CFMAM試件的穩定度增大,流值減小。當纖維摻量為5%時,CFMAM試件的流值出現了明顯的下降。這是因為摻量過多時,CF在混合料中的分散性會變差,部分纖維出現結團現象從而不能形成空間網狀結構,影響混合料流動性。相比之下,當摻量為3%時,纖維交錯分布在混合料中形成穩定骨架結構,有效增強混合料穩定性,確定3%為CFMAM試件的最佳纖維摻量。

表7 瀝青混合料基本性能測試結果

此外,由表7可以看出:瀝青飽和度(VFA)、礦物集料間隙率(VMA)、空隙率和理論密度等基本指標都在相關規范要求的范圍內。

2.2 ITSM

圖3表示了對照組和CFMAM試件分別在5 ℃，25 ℃和40 ℃下的勁度模量。

溫度為5 ℃時,CFMAM試件的勁度模量隨著纖維含量的增加而增加,其中5%CF摻量CFMAM試件的勁度模量比對照組高出約37%;由于CF本身良好的吸附性和物理性能,使得纖維在瀝青中起到“橋接”和骨架作用,提高了瀝青與集料表面的黏附性,增加了混合料剛度。當溫度為40 ℃時,5%CF摻量試件的勁度模量比對重組的勁度模量提高了約54%。由于改性瀝青對溫度變化的敏感性較低,因此試件的勁度模量并沒有出現明顯的下降。

2.3 ITFT

分別在5 ℃和25 ℃的溫度條件下以及250 kPa和400 kPa的應力條件下進行ITFT,根據相關規范,把8 mm的形變量作為CFMAM試件的疲勞壽命。圖4，圖5分別為對照組和CFMAM試件在不同溫度下的疲勞壽命。

試驗結果表明,CF的加入可以改善瀝青混合料的疲勞性能,不同的纖維摻量也會影響混合料疲勞壽命的變化趨勢。

當CF摻量為1%和3%時,一方面纖維的摻加使得瀝青與集料之間的黏附性變強,另一方面纖維在混合料中的骨架作用也分擔了部分應力。此外CF的存在可以提高混合料的黏彈性,進而延長試件的疲勞壽命。當CF摻量為5%時,CFMAM試件的勁度增大,黏彈性能下降,隨著荷載循環次數的累積試件出現疲勞裂紋。與其余摻量的試件相比,瀝青混合料的疲勞壽命降低,但是仍然高于對照組。

2.4 RLA

RLA分別于40 ℃和60 ℃的溫度下以及100 kPa和300 kPa的應力條件下施加3 000次循環荷載直至試件變形。圖6～圖9表示了在不同溫度和軸向荷載作用下,軸向應變的變化趨勢。圖10表示對照組和不同纖維摻量的CFMAM試件在3 000次荷載循環后的最大軸向應變百分比。

由圖10可以看出,RLA驗證了在不同溫度和應力條件下,CF的摻加增強了瀝青混合料抵抗永久變形的能力。

與對照組相比,導致CFMAM抗變形能力增強的原因主要有:1)CFMAM試件勁度模量的增大;2)CF的存在能增強集料與瀝青之間的黏附性;與對照組相比,CFMB中纖維起到相互“搭接”和“加筋”的骨架作用,提高了瀝青和CFMAM試件的強度;3)一方面CFMB軟化點的升高會影響瀝青混合料的變形,另一方面CF的保溫隔熱作用改變了CFMB的熱力學常數、降低了瀝青的溫度敏感性,這兩個因素同樣能增強CFMAM試件的抗永久變形能力。

2.5 相關性分析

為進一步證實勁度模量、混合料的疲勞壽命、混合料抗永久變形性能與纖維摻量等因素的相關性,建立線性回歸模型以及擬合結果如表8所示。

表8 勁度模量、疲勞、車轍的線性回歸模型

ITSM回歸模型的因變量是勁度模量Sm,自變量是溫度(T)和纖維添加劑(A)。由于ITSM的R2為0.995 1時,因此可認為Sm與溫度和纖維摻量呈線性相關性。

根據ITFT的結果,為提高回歸模型的準確性,舍棄纖維摻量大于3%的數據。其中因變量是荷載循環次數Nf,自變量是溫度(T)、纖維添加劑(A)和應力(S)。由于ITFT的R2為0.972 9,因此該模型可以近似作為預測CFMAM試件疲勞壽命的模型。

在RLA模型中,溫度(T)、添加劑(A)和應力(S)是自變量,軸向應變百分比d是因變量。RLA的R2計算結果為0.930 3,表明該模型精度較高,能較好地預測永久變形。

3 結論

1)隨著CF摻量的增加,瀝青混合料的穩定度增加,流值降低,但是當CF摻量超過5%時會對瀝青混合料的性能產生不利影響。

2)與對照組相比,增加CFMAM試件中的纖維摻量可以增大混合料的勁度模量、改善其抗疲勞性能。當CF摻量為5%時,瀝青混合料試件的疲勞壽命降低,但仍高于對照組的疲勞壽命。

3)RLA通過分析軸向應變隨荷載循環次數變化的趨勢,驗證了隨著CFMAM試件中纖維摻量的增加,混合料的抵抗永久變形能力有所提高。

4)當CF摻量為3%時,可以有效提高瀝青混合料的抗疲勞和抗永久變形性能,推薦CF的最佳摻量為3%。