凍融循環(huán)下纖維增韌型環(huán)氧瀝青混合料損傷演化

艾賢臣,胡幫艷,冉武平,咼玉昊,滿長恒

(新疆大學(xué) a.交通運輸工程學(xué)院 b.建筑工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

環(huán)氧瀝青(epoxy asphalt,EA)是由環(huán)氧樹脂改性而成的高性能瀝青材料,屬于熱固性材料,具有優(yōu)異的物理、力學(xué)性能。環(huán)氧瀝青混合料(epoxy asphalt concrete,EAC)具有良好的高溫抗車轍能力和抗疲勞能力,被廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝工程[1-2]。然而,近年來,中國黃河以北冬季氣溫偏低的地區(qū)一些鋼橋面EAC鋪裝層出現(xiàn)了細(xì)微裂縫[3]。由于低溫時EAC的松弛模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的瀝青混合料,導(dǎo)致其內(nèi)部的溫度應(yīng)力較大,更容易產(chǎn)生低溫縮裂破壞。特別是在季節(jié)性冰凍地區(qū),EAC在經(jīng)歷重復(fù)的凍融循環(huán)后會影響其斷裂行為,最終破壞整個路面系統(tǒng)[4]。為解決EAC低溫開裂與抗凍融問題,國內(nèi)外學(xué)者對EAC增韌技術(shù)展開了深入的研究[5]。研究主要涵蓋兩個方面:首先,針對環(huán)氧樹脂固化體系,采用添加鄰苯酸酐甲酯、乙酯或丙酯等增塑劑的方法進(jìn)行改良,然而隨著時間推移增塑劑會從材料中遷移至表面并揮發(fā),因此其增韌效果并不顯著;其次,通過在混合料中摻加纖維,使其在瀝青混合料中形成3維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而成為裂縫損傷在混合料中擴(kuò)展的有效屏障,進(jìn)而提高瀝青混合料的韌性和耐久性[6]。作為中國重點發(fā)展的4大纖維之一的玄武巖纖維,以其廣泛適用的溫度范圍、卓越的物理力學(xué)性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和出色的抗老化性能等優(yōu)點,被廣泛運用于提升瀝青混合料的性能。文獻(xiàn)[7]對不同類型纖維在澆筑式瀝青混合料性能提升中的作用進(jìn)行了分析,研究結(jié)果表明,相較于木質(zhì)素纖維和聚酯纖維,玄武巖纖維在改善澆筑式瀝青混合料的性能方面表現(xiàn)更為突出,尤其在提升抗永久變形能力方面具有顯著效果。文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果顯示將長度為6 mm、摻量為0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的玄武巖纖維添加至AC-13C瀝青混合料中,其高溫穩(wěn)定性提高了61.3%,低溫抗裂性提高了24.9%,疲勞性能提高了2倍。雖然在瀝青混合料摻入玄武巖纖維的研究已有很多,但大多集中在熱塑性材料上,對熱固性材料如EAC的研究相對較少[9]。EA具有與傳統(tǒng)熱塑性瀝青不同的固化機(jī)制和化學(xué)特性,導(dǎo)致在纖維改性方面存在著新的挑戰(zhàn)和問題。

基于上述背景,本文選用玄武巖纖維作為改性劑,以提升EAC的韌性和抗凍融性能。在明確玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料(basalt fiber reinforced epoxy asphalt concrete,FEAC)的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,通過實際凍融循環(huán)條件下的低溫彎曲試驗分析玄武巖纖維對EAC低溫抗裂性能的影響;采用現(xiàn)象學(xué)方法和宏觀損傷力學(xué)理論,基于由彎曲應(yīng)變能密度組成的損傷變量方程,對FEAC的凍融損傷規(guī)律進(jìn)行分析,以期為FEAC應(yīng)用于季凍區(qū)橋面鋪面工程提供依據(jù)和參考。

1 纖維增韌型環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計

在瀝青混合料設(shè)計中,油石比的確定是非常重要的環(huán)節(jié)。然而,在纖維瀝青混合料中,纖維的加入會導(dǎo)致混合料的油石比發(fā)生變化,因此纖維的摻量和長度成為混合料設(shè)計的重要考慮因素。尤其對于EAC,由于EA是一種熱固性材料,所以在混合料設(shè)計過程中需要特別考慮容留時間和容留溫度等因素。這導(dǎo)致以纖維作為外摻劑的FEAC設(shè)計更為復(fù)雜,需要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

FEAC設(shè)計方法以熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計作為參照,分為4個階段,具體設(shè)計流程如圖1所示。該流程圖只簡要說明FEAC設(shè)計思路,并未詳細(xì)列舉級配設(shè)計中集料的試驗檢測、最佳瀝青用量的確定以及瀝青混合料成型方法等過程。

圖1 纖維增韌型環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計方法流程圖

1.1 環(huán)氧瀝青材料配比與樣品的制作

EA由A和B兩部分組成[m(A)∶m(B)=1∶1]組成。A部分是環(huán)氧樹脂和固化劑[m(環(huán)氧樹脂)∶m(固化劑)=14∶11],B部分為基質(zhì)瀝青。本文研究背景為北方季冬區(qū),因此瀝青選用90#克拉瑪依瀝青,環(huán)氧固化劑為日本TAIYU專利產(chǎn)品,玄武巖纖維長度選用6 mm和9 mm,玄武巖纖維摻量分別為EA質(zhì)量的0%、2%、4%、6%,具體指標(biāo)如表1所示。將環(huán)氧樹脂、固化劑和玄武巖纖維預(yù)熱至60 ℃后攪拌均勻,隨后加入預(yù)熱至拌和溫度的基質(zhì)瀝青,充分?jǐn)嚢柚敝列纬删鶆虻幕旌衔?獲得玄武巖纖維環(huán)氧瀝青(basalt fiber reinforced epoxy asphalt,FEA)。根據(jù)該方法制得的瀝青用于瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗、直接拉伸試驗。

表1 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 纖維改性環(huán)氧瀝青的黏溫曲線

環(huán)氧瀝青是熱固性材料,其黏度隨時間增長,因此在混合料設(shè)計和施工過程中需要控制容留時間。容留時間是指在特定黏度范圍內(nèi)完成混合料的拌和、運輸、攤鋪和碾壓等工序的時間。相關(guān)研究建議EAC允許施工的黏度值為1.00～3.00 Pa·s[10],施工容留時間一般為55～75 min,并要求初始黏度不宜過高,黏度增長趨勢以初期黏度增加平緩而后期黏度增長迅速為最優(yōu)[11]。因此,針對FEAC的設(shè)計和施工中的容留時間問題,應(yīng)充分考慮FEA的黏度特性。

為了評價FEA的流變性能并確定適宜的纖維摻量和長度,進(jìn)行瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度試驗并獲取黏度增長曲線。基于得到的黏度增長曲線和流變性能評價結(jié)果確定適宜的容留時間范圍。試驗按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的布洛克菲爾德(Brookfield)黏度計法[12]。黏度試驗采用27#轉(zhuǎn)子,設(shè)定轉(zhuǎn)速50 r/min,試驗結(jié)果如圖2所示。

(a) 不同溫度下EA黏度增長曲線

如圖2a所示,在不同拌和溫度下,EA的黏度呈現(xiàn)出了不同的增長規(guī)律。隨著拌和溫度的升高,EA的固化初期黏度降低,后期黏度增長速率減緩。150 ℃與155 ℃較低溫度下,EA的容留時間僅為17 min,時間過短無法滿足運輸需求;170 ℃較高溫度下,EA的黏度后期增長緩慢,黏度增長至3.00 Pa·s的時間大于120 min,不利于道路開放。綜合考慮,確定最佳拌和溫度為160 ℃,并將該溫度用于后續(xù)FEA和FEAC成型。通過圖2b和圖2c可以看出,FEAC具有較為優(yōu)秀的黏度增長曲線,但曲線存在波動,纖維的加入改變了EA的均勻性。在試驗過程中,纖維的運動和EA不完全同步,存在一定錯動,使得EA各部位黏度不斷變化。加入9 mm纖維后,FEA黏度在25 min前均達(dá)到1 Pa·s,導(dǎo)致容留時間嚴(yán)重縮短,無法滿足施工要求。因此,在后續(xù)試驗中,不再選用9 mm長度的玄武巖纖維。如圖2c所示,6 mm纖維在4%摻量下,FEA容留時間為18 min,未能達(dá)到最短容留時間要求。2%纖維摻量的FEA,纖維的數(shù)量不足以形成足夠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),纖維對瀝青自身的黏聚產(chǎn)生影響,導(dǎo)致黏度隨時間增長緩慢,達(dá)到1 Pa·s所需時間超過80 min。綜合比較,基于160 ℃拌和條件下的試驗結(jié)果,當(dāng)將6%纖維摻量的6 mm玄武巖纖維加入EA中時,滿足了容留時間的上下限要求。因此,在后續(xù)試驗中選擇6%纖維摻量的6 mm玄武巖纖維作為纖維的參數(shù)。

1.3 玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青的拉伸性能

除容留時間要求外,環(huán)氧瀝青材料在預(yù)期的反應(yīng)時間內(nèi)還需達(dá)到一定的強(qiáng)度和韌性,滿足強(qiáng)度增長需求,一般以拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率為評價指標(biāo)。研究采用GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》中的直接拉伸試驗,讀取瀝青試件斷裂時的最大荷載與變形量[13]。

按照前文闡述的設(shè)計流程制取EA與FEA,并澆筑試模(試模采用硅膠片定制,內(nèi)壁高2 mm,如圖3a所示)。樣品自然冷卻60 min后放入60 ℃烘箱養(yǎng)生4天,養(yǎng)生結(jié)束后使用模具對試件進(jìn)行切割,制作成符合GB/T 30598—2014《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》要求的I型啞鈴狀試件[14],如圖3b所示。拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)溫度23 ℃,加載速率為50 mm/min,如圖3c所示。試驗結(jié)果見圖4。

(a) 直接拉伸試驗試模

圖4 直接拉伸試驗結(jié)果對比圖

由圖4可以看出:纖維摻量從0%增加到6%的過程中,FEA的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率逐步增加。纖維摻量由0%增加至4%時,抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率增長速率較快,當(dāng)纖維摻量超過4%時，增長速率減緩。當(dāng)纖維摻量為6%時,FEA的抗拉強(qiáng)度為2.59 MPa,增長了43%,斷裂伸長率為265%,增長了102%。掃描電鏡分析結(jié)果(圖5)顯示,纖維表面被環(huán)氧瀝青裹附,纖維相和熱固性的環(huán)氧瀝青相之間浸潤性好,形成了機(jī)械錨和的作用。然而,圖5中顯示的纖維拔出空洞證明在FEA中無法完全避免纖維的拔出現(xiàn)象。纖維的拔出過程減少了由于試件突然斷裂引起的應(yīng)力突增現(xiàn)象,從而證明了玄武巖纖維的增韌加筋作用。

圖5 玄武巖纖維在環(huán)氧瀝青中的掃描電鏡照片

綜上,玄武巖纖維對EA的拉伸性能具有顯著的增強(qiáng)效果,纖維的加筋增韌效果顯著。根據(jù)黏度試驗和直接拉伸試驗結(jié)果,建議在拌和溫度160 ℃的條件下,選擇6 mm長度和6%纖維摻量作為FEAC的最佳參數(shù)配置。

1.4 FEAC與EAC路用性能對比分析

EAC由環(huán)氧瀝青黏合劑、石灰石填料和玄武巖骨料組成。EA與FEA按照本文1.1節(jié)中的方法制作。礦料選用玄武巖,并根據(jù)相關(guān)的技術(shù)要求進(jìn)行檢驗,各項指標(biāo)均符合要求。級配設(shè)計見表2,采用馬歇爾(Marshall)試驗確定EAC與FEAC的油石比為分別為6.6%和7.2%。

表2 EA-10環(huán)氧瀝青混合料級配設(shè)計表

根據(jù)上述研究結(jié)果,對FEAC和EAC試件進(jìn)行凍融劈裂試驗、車轍試驗和低溫彎曲試驗,試驗結(jié)果見表3。

表3 瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)分析,EAC和FEAC的相關(guān)試驗指標(biāo)均遠(yuǎn)大于規(guī)范的最低要求。尤其是FEAC在高溫性能和低溫抗裂性能方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,而水穩(wěn)定性方面與EAC基本相當(dāng)。上述結(jié)果充分證明了本文提出的FEAC設(shè)計方法的可行性。

2 增韌型環(huán)氧瀝青混合料凍融損傷演化

2.1 室內(nèi)凍融循環(huán)試驗設(shè)計

中國西部寒冷地區(qū)具有年平均氣溫低、晝夜溫差大和凍融循環(huán)頻繁的特點[15]。因此,為了分析寒冷地區(qū)玄武巖纖維改性環(huán)氧瀝青混合料的低溫性能改善效果,本研究參照文獻(xiàn)[16]的方法,以烏魯木齊市為例,對當(dāng)?shù)囟練鉁貤l件進(jìn)行調(diào)研,根據(jù)氣候調(diào)研結(jié)果進(jìn)行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗設(shè)計。

烏魯木齊凍融頻發(fā)時間為每年的3月,故本文以當(dāng)日最高溫度高于0 ℃、最低溫度低于0 ℃為凍融循環(huán)發(fā)生條件,統(tǒng)計近4年烏魯木齊3月凍融日的溫度(如圖6所示)。根據(jù)氣象統(tǒng)計凍融平均低溫和高溫分別為-4 ℃和5 ℃。考慮一天當(dāng)中最高氣溫與最低氣溫出現(xiàn)的時間較為固定,凍融時長根據(jù)日照時長進(jìn)行分配,將凍融循環(huán)設(shè)計為以-4 ℃冷凍14 h,5 ℃的水中浸泡10 h,以此為一個循環(huán),將EAC對照組與FEAC分別進(jìn)行0、5、10、15、20個循環(huán)。

(a) 2019年3月氣溫

2.2 3點小梁彎曲試驗

3點小梁彎曲試驗是中國評價瀝青混合料低溫性能的常用方法,在試驗中將車轍板試樣切割為250 mm×30 mm×35 mm的棱柱梁。將試件提前放置在-10 ℃的環(huán)境箱中保溫,當(dāng)梁的內(nèi)部溫度也達(dá)到-10 ℃時進(jìn)行彎曲試驗。3點彎曲小梁試驗的加載速度為50 mm/min,試驗過程中通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集載荷和變形數(shù)據(jù)。由式(1)、式(2)和式(3)計算得彎拉應(yīng)力σB、彎曲應(yīng)變εB與彎曲勁度模量SB。

(1)

(2)

(3)

其中:σB為彎拉應(yīng)力,MPa;εB為彎拉應(yīng)變,με;L為棱柱梁的跨度,mm;b為棱柱梁的寬度,mm;h為棱柱梁的高度,mm;PB為梁失效時的最大載荷,N;d為梁失效時的中跨撓度,mm;SB為梁失效時的彎曲勁度模量,MPa。

然而,瀝青混合料低溫抗裂性的指標(biāo)大多數(shù)指標(biāo)圍繞強(qiáng)度和變形這兩個路面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行評價,并且試驗結(jié)果中σB、εB和SB等指標(biāo)存在不一致的情況,無法全面評價混合料的低溫抗裂性[17-18]。將力學(xué)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為能量指標(biāo),概念清晰意義明確,因此將瀝青混合料的低溫開裂可視為能源消耗的過程,則瀝青混合料開裂可以用式(4)計算的彎曲應(yīng)變能密度來表示(見圖7)。彎曲應(yīng)變能密度(strain energy density,SED)指標(biāo)表示瀝青混合料在塑性變形及試件從開裂到破壞過程中所需斷裂破壞能大小。

圖7 彎曲應(yīng)變能密度計算圖

(4)

2.3 試驗結(jié)果分析

瀝青混合料的小梁彎曲試驗結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青混合料的小梁彎曲試驗結(jié)果

圖8顯示了瀝青混合料低溫性能各指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化趨勢。其中,圖8a和圖8c結(jié)果表明:瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度與彎曲勁度模量隨著凍融次數(shù)的增加而降低,并且降低趨勢逐漸減緩,其中EAC減緩趨勢更為明顯。在凍脹和滲透壓反復(fù)作用下,混合料內(nèi)部空隙周圍的瀝青膠漿和骨料相分離,導(dǎo)致了彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量的減低。但混合料凍融前期增加的空隙為后續(xù)凍融的凍脹作用提供了空間,因此凍融損傷速率在凍融后期有所減緩。FEAC的凍融損傷減緩趨勢較EAC相對滯后。此外FEAC的彎拉強(qiáng)度在凍融過程中均高于EAC,彎曲勁度模量則均低于EAC,體現(xiàn)出了玄武巖纖維的加筋阻裂增強(qiáng)效果,因此可以判斷玄武巖纖維對環(huán)氧瀝青混合料的低溫性能改善顯著。彎拉應(yīng)變隨凍融次數(shù)增加的變化趨勢見圖8b。EAC的彎拉應(yīng)變在初始凍融階段增長迅速,在凍融后期增長速率趨于平緩。這是由于凍融循環(huán)作用對骨架造成了擾動,瀝青混合料出現(xiàn)了一定的軟化特征,其可變形能力得到了提高[20-21]。FEAC因為玄武巖纖維的加入,變形能力增強(qiáng),彎拉應(yīng)變均高于EAC,但變化趨勢不穩(wěn)定,總體呈現(xiàn)增加趨勢。瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度的變化趨勢見圖8d。彎曲應(yīng)變能密度同樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而衰減,FEAC的彎曲應(yīng)變能密度均高于EAC,從能量角度反應(yīng)了玄武巖纖維對環(huán)氧瀝青混合料的增強(qiáng)增韌效果。此外,彎曲應(yīng)變能密度的變化趨勢圖呈現(xiàn)出明顯3段式的性能下降。第1階段是初始性能惡化階段,第2階段是加速性能惡化階段,第3階段是穩(wěn)定的性能惡化階段。

(a) 彎拉強(qiáng)度

2.4 損傷演化分析

因為瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度在凍融損傷的變化趨勢中,呈現(xiàn)出明顯的3個發(fā)展階段,因此嘗試通過瀝青混合料中彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)的損傷來定量表征凍融循環(huán)的損傷。基于現(xiàn)象學(xué)方法和宏觀損傷力學(xué),由彎曲應(yīng)變能密度組成的損傷變量如方程(5):

(5)

其中:D(n)為損傷變量;SEDn為n次凍融循環(huán)后瀝青試件的彎曲應(yīng)變能密度,kPa。SED0為原樣瀝青試樣的彎曲應(yīng)變能密度。使用S形模型(Sigmoidal logistic)對由D(n)和凍融循環(huán)次數(shù)組成的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。S形邏輯函數(shù)見方程(6):

(6)

其中:D(n)為損傷變量;a,k,xc均為模型參數(shù);n為凍融循環(huán)次數(shù)。

圖9為凍融損傷變量回歸。從圖9可以看出,S形模型能夠很好地描述凍融循環(huán)作用下環(huán)氧瀝青混合料的性能演變。模型參數(shù)a,k,xc在函數(shù)具有不同的物理含義。a決定了損傷變量D(n)的最大值,較低的a值表明更好的抗水損能力;k值控制D(n)的斜率,數(shù)值越低代表材料水損敏感性越低;xc表示D(n)在初始凍融循環(huán)中的情況,較高的xc表明材料在初始凍融循環(huán)中損傷變化量不大,有較強(qiáng)的抗水損能力。

圖9 凍融損傷變量回歸

如圖9所示,EAC和FEAC都經(jīng)歷了凍融損傷的3個階段,其中FEAC具有較小的k值與較大的xc,說明材料在初始凍融循環(huán)中有較強(qiáng)的抗水損能力,并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,材料表現(xiàn)出了較低的水損敏感性。FEAC的a值略小于EAC,說明其凍融損傷量的最大值小于EAC。通過以上3個指標(biāo)可以看出FEAC相較于EAC有較強(qiáng)的抗水損能力,對凍融損傷影響的敏感性低。玄武巖纖維的加入在增強(qiáng)混合料低溫抗裂能力的同時,能夠有效減緩瀝青混合料的凍融損傷增長速度,且對凍融循環(huán)作用敏感性較低。

3 結(jié)論

本文研究了凍融循環(huán)作用下EAC與FEAC性能劣化規(guī)律,在明確FEAC的設(shè)計流程的基礎(chǔ)上,討論了不同凍融次數(shù)下瀝青混合料低溫性能評價指標(biāo)的變化趨勢,從而評價玄武巖纖維對EAC的改性效果。結(jié)論可以概括如下:

(1)基于對瀝青黏溫曲線和拉伸性能的分析,初步確定了玄武巖纖維的長度和摻量。對比了纖維改性前后的環(huán)氧瀝青混合料的路用性能,并進(jìn)一步確定了玄武巖纖維的長度和摻量,從而形成了可行的FEAC設(shè)計方法。

(2)玄武巖纖維對EA及EAC的改性效果顯著。在6%纖維摻量和6 mm纖維長度的條件下,FEA抗拉強(qiáng)度增長了43%,斷裂伸長率增長了102%。FEAC表現(xiàn)出了優(yōu)越的高溫性能和低溫抗裂性,且水穩(wěn)定性能與EAC相當(dāng)。在凍融循環(huán)損傷過程中,FEAC表現(xiàn)出更高的彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和較低的勁度模量,從力學(xué)角度驗證了玄武巖纖維對環(huán)氧瀝青混合料的增韌改性作用。

(3)FEAC和EAC在凍融循環(huán)過程中的彎曲應(yīng)變能密度變化趨勢相似,都呈現(xiàn)明顯的3段式性能下降。利用S形邏輯函數(shù)能夠有效描述瀝青混合料的凍融損傷變化規(guī)律。通過比較S形函數(shù)的參數(shù)a、k和xc,發(fā)現(xiàn)FEAC相較于EAC具有更強(qiáng)的抗水損傷能力,并且表現(xiàn)出較低的水損敏感性,表明了玄武巖纖維在延緩EAC凍融損傷增長方面的積極作用。