高寒高海拔地区玄武岩纤维沥青混凝土损伤自愈合性能分析

马海鹏，余 沛

(1.新乡学院土木工程与建筑学院,新乡 453003；2.商丘工学院土木工程学院,商丘 476000)

0 引 言

沥青混凝土路面因具有快速开放交通、行车舒适和低噪声等优点，被广泛应用于我国各类路面结构中。在车辆引起的往复荷载及路用环境作用下沥青混凝土会产生疲劳开裂，对于疲劳裂缝如不能有效养护处置，裂缝会进一步扩展为坑槽、车辙和位移等路面病害。

Bazin等[1-2]最先提出了沥青混凝土的疲劳开裂，并进行了有关沥青混合料自愈特性的研究，沥青混凝土开裂损伤自愈合是其固有特性。王昊鹏等[3]通过四点弯曲疲劳试验，认为粘结料的不同，疲劳开裂后的损伤自愈合特性也各有不同。陈瑞璞等[4]研究了老化条件下基质沥青混合料的疲劳及自愈合性能，结果表明，影响沥青混合料的自愈合能力较为显著的因素是老化程度和损伤程度，提高沥青混合料愈合率的方法是延长愈合时间和适宜的温度。崔亚楠等[5]采用宏观与细观相结合的方法评价沥青混合料的损伤自愈合性能，研究老化程度、损伤程度和温度等对损伤自愈合的影响。以上研究多集中在普通基质沥青混凝土的损伤自愈合特性[6-8]，而对于纤维沥青混凝土的损伤自愈合特性研究较少，特别是近些年广泛应用的玄武岩纤维沥青混凝土更是少有报道。高春妹[9]对玄武岩纤维对沥青混凝土的影响进行了研究，经过综合分析，结果表明，不同长度和掺量的玄武岩纤维对沥青混凝土的影响效果不同，其中9 mm长、掺量0.07%(质量分数)的玄武岩纤维对沥青混凝土水温稳定性能、韧性性能、疲劳性能和黏弹性能的改善效果最好。朱春凤[10]通过室内试验和理论分析相结合的研究手段，对季冻区硅藻土-玄武岩纤维复合改性沥青混合料路用性能及力学特性进行了研究，结果表明不同掺量和冻融循环作用下硅藻土-玄武岩纤维提高了沥青混合料的抗疲劳性能和抗冻融损伤能力。李震南等[11]采用拉伸试验和低温弯曲试验，对玄武岩纤维沥青混合料进行研究，试验结果表明玄武岩纤维增强了沥青混合料的整体性和抗裂性，并且得出低温下玄武岩纤维的最佳掺量为0.4%(质量分数)。应用于沥青混凝土的玄武岩纤维已被证实具有延缓沥青路面的开裂及延长沥青路面的疲劳寿命作用[12-14]。

综上所述，玄武岩纤维对沥青混凝土的抗疲劳性能和抗冻融损伤能力的研究已经得到一定的成果，尤其是不同掺量的玄武岩纤维对沥青混凝土相关性质的影响，而在高寒高海拔地区环境下玄武岩纤维沥青混凝土的损伤自愈合性能的研究甚少，特别是在紫外辐射老化、冻融循环作用下玄武岩纤维沥青混凝土的损伤自愈合的机理微观分析少见报道。基于此，本文针对经过紫外辐射老化、冻融循环作用影响后的玄武岩纤维沥青混凝土进行损伤自愈合性研究，并借助扫描电镜对其进行微观分析，为我国高海拔及冬季低温区域应用玄武岩纤维沥青混凝土提供科学的数据。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

选定玄武岩纤维沥青混凝土及其对照组普通基质沥青混凝土、SBS改性沥青混凝土为研究对象。粗细集料采用内蒙古卓资县玄武岩碎石，沥青选用盘锦A级90#基质沥青和聚合物掺量为4.3%(质量分数)的SBS改性沥青，其性能指标见表1。矿粉主要成分为石灰石，玄武岩纤维采用浙江石金短切玄武岩纤维。混凝土级配采用AC-16C型，其级配组成见表2。

表1 沥青性能指标Table 1 Performance index of asphalt

表2 沥青混凝土级配组成Table 2 Asphalt concrete gradation composition

三种沥青混凝土的最佳油石比通过试验确定：基质沥青混凝土为4.3%，玄武岩纤维沥青混凝土4.5%，短切玄武岩纤维的最佳掺量参照已有文献[15]确定为0.3%，SBS改性沥青混凝土为4.9%。

1.2 试件制备及影响因素

利用剪切压实成型仪和大型沥青混凝土切割机制备380 mm×63.5 mm×50 mm小梁试件。为研究高寒、强紫外辐射对沥青混凝土路面损伤自愈合性能的影响，将小梁试件置于高低温交变箱及紫外线辐射箱中进行冻融及紫外老化作用；冻融循环温度为-20～60 ℃，循环次数为10 次；紫外线辐射时间为245 h(以内蒙古中西部地区为研究样本区域确定紫外线年辐射量)，温度设定为35 ℃(避免造成热氧老化)。

1.3 沥青混合料损伤愈合试验

试验采用UTM-100多功能伺服试验系统及四点弯曲疲劳试验，疲劳损伤愈合试验采用传统(损伤-愈合-再损伤)方式进行，加载频率为10 Hz，试验温度15 ℃。试件进行初次循环加载时，S(弯曲劲度模量)下降到S0(初始弯曲劲度模量)的50%作为试验终止条件，此时试件的受损程度也为50%，分别记录受损程度为10%、30%、50%时的劲度模量和累计耗散能。然后将受损试件置于恒温箱进行自愈合，愈合温度设定为50 ℃，愈合时间24 h。愈合结束后，将试件再次进行循环加载损伤试验，并记录上述对应数据。

2 结果与讨论

沥青混凝土疲劳加载试验可得到多种指标数据，包括：劲度模量、疲劳寿命、相位角、耗散能等[16]。本研究从损伤速率vD和累计耗散能ECD两个层面对比分析玄武岩纤维沥青混凝土及其对照组材料的损伤愈合性能。

2.1 损伤速率层面评价自愈合性能

沥青混凝土受到荷载后的应力与应变曲线呈现出非线性关系，并不遵循胡克定律。其劲度模量随加载时间的变化趋势为凹形弧状，如图1所示。初始劲度模量和终止劲度模量之差与加载时间的比值为损伤速率vD，通过对比愈合前后的损伤速率vD进行评价混合料的自愈合性能[17]。

(1)

(2)

式中：RHI1为损伤愈合系数，其值越高代表沥青混合料的损伤自愈合性能越好；S0、St为初始劲度模量与终止劲度模量，MPa；t为加载时间，s；vD.before、vD.after分别为愈合前后的损伤速率。试验得到的RHI1见表3。

图1 劲度模量随加载时间变化曲线Fig.1 Variation curves of stiffness moduluswith loading time

由表3可知，三种沥青混凝土，在相同外部因素影响下以及初次受损程度一致的情况下，其损伤自愈合性能表现为：基质沥青混凝土<玄武岩纤维沥青混凝土

表3 沥青混凝土RHI1的损伤愈合系数Table 3 Damage healing coefficient of RHI1 asphalt concrete

紫外辐射、冻融循环作用均降低了玄武岩沥青混凝土损伤愈合系数，其降幅最大分别为2%、4%。且冻融循环下试件的损伤愈合系数均低于紫外辐射的，说明冻融循环因素在高寒、强紫外辐射地区对沥青混凝土损伤自愈合性能影响大于紫外辐射因素。玄武岩纤维沥青混凝土在施加环境相同的情况下，试件达到50%初次受损程度时，其损伤愈合系数均低于其他两种初次损伤程度的损伤愈合系数。表明试件初次受损程度与玄武岩沥青混凝土的损伤自愈合性能成正比。

2.2 累计耗散能层面评价自愈合性能

黏弹性材料加载损伤是一个能量转化的过程，在沥青混凝土试件上施加一定荷载，其机械能并未转化为应变能，而是转化为耗散能-热能，损伤过程实质上是能量耗散过程或不可逆热力过程。孙雅珍等[18]指出耗散能、耗散能相对变化率与疲劳次数有关，并以此建立相关的疲劳方程。崔亚楠等[19]以断裂能为指标并结合数字散斑技术，研究了沥青混凝土的自愈合能力。沥青混凝土每一个疲劳加载循环中都对应一个应变ε、应力σ、相位角φ，试件的耗散能可通过疲劳加载形成的应力应变曲线围成的面积确定。

(3)

(4)

式中：ED为单个加载循环耗散能，J/m3；ECD为疲劳试验过程中累计耗散能，J/m3；t为单个加载循环所需时间，s。沥青混合料试件在愈合前后加载时都对应一个能量耗散的过程，ECD.before为愈合前加载累计耗散能；ECD.after为愈合后加载累计耗散能。计算愈合前后累计耗散能的比值，其比值为愈合前后耗散能之间的关系，通过比值评价受损试件的愈合状况。

(5)

将其比值RHI2也命名为损伤愈合系数，试验得到RHI2数据见表4。

表4 沥青混凝土RHI2的损伤愈合系数Table 4 Damage healing coefficient of RHI2 asphalt concrete

由表4可知，三种沥青混凝土愈合后的累计耗散能均有所下降，且基质沥青混凝土下降趋势较其他两种明显。由损伤愈合系数RHI2可知，愈合后的累计耗散能下降是由于初次疲劳开裂导致混凝土内部形成一定程度的破坏，再愈合后其开裂处沥青与集料的表面能并未完全恢复。从侧面表明试件能量损失量也可反映沥青混凝土的损伤自愈合性能。

掺加玄武岩纤维的沥青混凝土试件在愈合前后的累计耗散能变化幅度较小，损伤愈合系数RHI2在不同环境因素下均有所提升，且最高达96%。但紫外辐射、冻融循环因素使玄武岩纤维沥青混凝土的RHI2呈下降趋势，且冻融循环的降幅最大为4%。玄武岩纤维沥青混凝土在受损程度达50%时，其损伤愈合系数RHI2最低为87%。由于初次损伤造成的能量损耗较大，且愈合时间和愈合温度与初次损伤程度为10%、30%时相同，50%损伤程度试件愈合时，其结构内部各组分的分子势能并未得到有效恢复，故50%损伤程度的损伤自愈合性能最低。

图2为玄武岩沥青混凝土在不同环境作用下的损伤愈合系数的对比图。对比分析玄武岩纤维沥青混凝土两种损伤愈合系数，由图2可知，由损伤速率vD和累计耗散能ECD得到的两种损伤愈合系数均能反映出沥青混凝土的自愈合性能，且差量较小，差量最大值为2%。RHI1无论在不同环境因素作用下和不同损伤程度情况其值均低于RHI2。这是由于RHI1是愈合前后的损伤速率vD之比得到的，沥青混凝土是一种典型的黏弹性材料，在受到疲劳荷载时其劲度模量并非呈线性下降。

图2 玄武岩沥青混凝土RHI1与RHI2对比图Fig.2 Comparison chart between RHI1 and RHI2 of basalt asphalt concrete

但(S0-St)/t=vD此式反映出vD为一段加载时间沥青混凝土劲度模量变化量的斜率且呈线性关系，不能精确反映黏弹性材料损伤非线性特性；试件加载过程是机械能转化为耗散能的过程，而累积耗散能是试件疲劳加载周期内多个应力与应变形成的耗散能之和，使用愈合前后试件累积耗散能之比RHI2作为评价试件损伤自愈合性能的指标较为合适。

3 玄武岩纤维沥青混凝土损伤自愈合性能机理微观分析

沥青混凝土内部结构复杂，沥青中的胶质使粗细集料黏结为一整体。但空间结构中存在大小不一的密闭、贯穿孔隙，这降低了沥青混凝土抵抗外部施加荷载的能力，玄武岩纤维的增韧作用使沥青混凝土的抗开裂性能得到一定程度的提高。

从断裂力学角度分析，材料裂缝发展的过程与应变过程一致，材料抵抗应变的能力又与材料内部各组分的排列、组合位置相关。为分析玄武岩纤维沥青混凝土的内部各组分对其损伤自愈合性能的影响，采用扫描电镜对其开裂面微观结构进行分析，且对比分析玄武岩纤维沥青混凝土在经受紫外辐射、冻融循环后的损伤自愈合性能。图3～图5所示为不同环境下愈合前后玄武岩沥青混凝土开裂处的各组分排列情况。

从图3中可清晰看出，玄武岩纤维与沥青形成具有粘附性的空间网状结构在愈合前后并未遭到完全破坏，玄武岩纤维掺加沥青混凝土后，沥青混凝土的内部孔隙减少，提高了混合料的抗裂性能。因此，试件受到加载时产生的微裂缝会因纤维的抗拉拔能力而阻碍其裂纹继续扩展。从材料的化学性质方面分析，玄武岩纤维的性质具有一定的亲油性，搭接在裂缝两侧，纤维对混凝土中裂缝有一定的拉力，对混凝土的局部缺陷进一步改善，从而提升了整体性。

图3 未经环境作用试件自愈合前后的微观形貌照片Fig.3 SEM images of specimens before and after wound healing under non-working condition

图4为试件在紫外辐射前后的SEM照片。从图4中可以看出，紫外线辐射后的玄武岩纤维沥青混凝土中沥青质、胶质与纤维丝呈现出分离状态，由于紫外老化使沥青流动性降低，未能较好地重新包裹集料，纤维在沥青混凝土中分布不均匀，其中有一定成团现象，当沥青量不足以包裹纤维时，混合料的整体性受到一定影响。试验中发现，玄武岩纤维具有较强抗辐射能力，其形貌较为完好，且纤维再次融入沥青混凝土内部形成整体。这使掺纤维的沥青混凝土在经过紫外辐射后仍具有一定的损伤自愈合能力。

图4 在紫外辐射条件下试件自愈合前后的微观形貌照片Fig.4 SEM images of specimens before and after wound healing under ultraviolet radiation condition

从图5中可知，冻融循环作用使水分进入沥青混凝土孔隙中由于冻胀造成孔隙变大且出现贯穿的现象，玄武岩纤维沥青混凝土在经过冻融循环作用后，沥青混凝土开裂面的集料与沥青呈现较为松散的分离状态，这使其在受损自愈合时沥青与集料的结合面变得粗糙。冻融循环作用下，沥青混凝土内部的孔隙有变大的趋势，影响沥青与纤维之间的黏性，但效果不太明显。

由于玄武岩纤维不同于一般的纤维材料，低温环境下玄武岩纤维可以增强沥青混凝土自我抵抗裂纹发展的性能，纤维丝仍均匀分布其中且连接开裂面处的沥青混凝土，形成一个空间网格结构体，具有一定的加筋增强效果，再次加载时纤维丝的增韧性仍具有抵抗裂纹扩展能力，使玄武岩纤维混凝土仍具备一定的损伤自愈合性能。

图5 在冻融循环条件下试件自愈合前后的微观形貌照片Fig.5 SEM images of specimens before and after wound healing under freeze-thaw cycle condition

4 结 论

(1)掺加玄武岩纤维的基质沥青混凝土在不同受损程度、不同环境因素影响下的损伤自愈合性能得到一定程度提升，其损伤愈合系数最高增幅达到8%且接近SBS改性沥青混凝土。

(2)在相同的受损程度下，冻融循环作用对玄武岩纤维沥青混凝土损伤自愈合性能影响最显著，损伤愈合系数降幅最大值为4%；在相同路用环境影响下，试件初次受损程度越高，其损伤自愈合性能越低；试件在50%受损程度时，其损伤愈合系数最低。

(3)累计耗散能作为评价损伤自愈合指标，避免了由损伤速率反映损伤愈合系数时造成的误差，故利用愈合前后累计耗散能之比RHI2更能准确表征沥青混凝土的损伤自愈合性能。

(4)玄武岩纤维沥青混凝土在受到紫外辐射、冻融循环两种因素作用后，沥青胶质与集料间的分子结构都受到一定程度的损伤，且冻融循环影响最大，其造成沥青与集料出现大面积不可修复的剥蚀状态，最终导致其损伤自愈合性能降低。