玄武岩纤维与高模量外掺剂复合增强沥青混合料性能

刘朝晖，朱国虎，柳力,2*，李文博，杨程程，傅顺发

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410114; 2.公路养护技术国家工程实验室(长沙理工大学)，长沙 410114)

高模量沥青混合料可提高沥青混合料的高温动态模量，有效降低行车荷载作用下沥青面层的压应变、剪应变[1-2]，增强路面结构的抗车辙和抗疲劳能力[3-5]；同时，铺筑高模量沥青混合料可减薄路面厚度，化解路面加铺改造时厚度受限的技术问题，在沥青路面工程中具备优良的应用价值。

通过直投法添加高模量外掺剂(High modulus additive，HM)是提高沥青混合料复数模量的重要技术方法。目前一些研究指出，高模量外掺剂能使沥青混合料的高温抗车辙能力、耐疲劳性能及劲度模量得到有效提升，然而其低温抗裂性能相对较差[6-7]，而低温开裂是高模量沥青混合料路面早期主要破坏形式之一[8]，这使得高模量沥青混合料在年温差较大、昼夜温差较大的温带大陆性气候地区的应用受到极大限制。

玄武岩纤维(basalt fiber，BF)是一种绿色环保建筑材料[9]，具有广泛的使用温度范围、优异的物理力学性能、良好的化学稳定性、优越的抗老化性能等优点[10]。已有研究表明，BF能够有效提升普通沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性等路用性能[11-13]；同时能使高模量沥青混合料的低温性能和耐疲劳性能得到明显提高[14]。但是，现有研究主要关注玄武岩纤维和高模量外掺剂对沥青混合料性能的提升作用，忽视了纤维改性材料和高模量外掺剂复配后对沥青混合料配合比设计的影响，缺乏对玄武岩纤维与高模量外掺剂复合增强沥青混合料的材料组成和性能的系统研究。

基于上述分析，现采用玄武岩纤维和高模量剂复配方法增强沥青混合料路用性能。为优化玄武岩纤维和高模量剂的复配掺量，实现复合增强沥青混合料配合比的最佳设计，选定油石比、玄武岩纤维和高模量剂掺量为因素变量，利用响应曲面法对3个影响因素进行多目标优化分析，获取玄武岩纤维、高模量剂的最佳复配掺量和混合料的最佳油石比。在此基础上，开展玄武岩纤维与高模量剂复合增强沥青混合料的路用性能研究，并通过扫描电镜试验，从微观角度分析玄武岩纤维对高模量沥青混合料的性能改善机理。

1 原材料性能及混合料级配组成

1.1 沥青及集料

采用70 #道路石油沥青为基质沥青，其主要技术性能指标如表1所示；根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[15]测得的玄武岩粗细集料各项技术性能指标如表2所示。

表1 基质沥青主要性能指标Table 1 Main performance indexes of base asphalt

表2 集料技术性能指标Table 2 Technical performance index of aggregate

1.2 高模量外掺剂

直投式高模量外掺剂(以下简称HM)主要技术性能指标如表3所示。

表3 高模量外掺剂技术性能指标Table 3 Technical performance indexes of high modulus admixture

1.3 玄武岩纤维

选用长度为6 mm的短切玄武岩纤维(BF)，BF宏观及微观状态如图1所示；BF性能测试结果如表4所示。

图1 短切BFFig.1 Chopped BF

表4 玄武岩纤维技术性能指标及测试结果Table 4 Technical performance indexes and test results of basalt fiber

1.4 混合料级配组成

由于高模量沥青混合料在沥青路面中面层应用较多[9]，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]及相关工程应用实践，选用AC-20C级配进行沥青混合料试验研究，其矿料级配组成如表5所示。

表5 AC-20C型沥青混合料级配范围Table 5 Grading range of AC-20C asphalt mixture

2 试验方案设计

2.1 响应曲面法试验方案设计

采用响应曲面法中的BBD(Box-Behnken design)试验设计方法，此方法的影响因子数量范围为3～7个[17]，其优势在于设计点通常较少，在相同因子数量下运行成本较低。考虑沥青用量及BF、HM掺量均会对沥青混合料路用性能产生重要影响，因此采用HM掺量(A)、BF掺量(B)及油石比(C)3个自变量作为影响因子，对其进行三因素三水平复合设计，各影响因子水平及设计如表6所示。针对3个影响因子利用Design-expert软件设计17组试验方案，进行5组中心点重复试验，以马歇尔试验测试指标空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值作为响应值。

表6 响应曲面试验影响因素水平及设计Table 6 Level and design of influencing factors of response surface test

2.2 性能验证试验方案设计

采用马歇尔试验、浸水汉堡车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验对沥青混合料性能进行测试，以验证基于响应曲面法设计得出的最佳配合比对沥青混合料的性能提升优势。

通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)对玄武岩纤维高模量沥青混合料的微观形貌及玄武岩纤维在混合料中的分布情况进行观测，并对BF在高模量沥青混合料中的强度增强机理进行剖析。

3 复合增强沥青混合料配合比优化设计分析

3.1 数据处理

对17组方案进行马歇尔试验，测得5个响应值数据如表7所示。

采用Design-expert软件对表7数据进行方程拟合，建立关于3个影响因子的二阶函数模型，进行方差及显著性检验。以响应值稳定度为例对数据结果进行分析，稳定度(S)的二阶回归方程如式(1)所示。

表7 响应曲面试验设计及结果Table 7 Response surface test design and results

S=15.70+0.516 2A+0.506 2B-0.112 5C-

0.062 5AB-0.025 0AC-0.015 0BC-

0.462 2A2-0.307 2B2-0.579 8C2

(1)

对二阶拟合方程的方差中每一项因素作用是否显著进行检验，以排除不显著项，稳定度方程方差检验结果如表8所示。

统计学认为根据方差检验方法获得的事件概率P值在试验过程中受某些不可控因素影响，会造成实验结果的一些误差，故先假定方差检验结果不存在显著性差异，以概率0.05为界限值，当概率P<0.05时，试验结果存在统计学差异，此项为显著项；当概率P>0.05时，符合原假定条件，检验结果仅为机会差异，此项为不显著项。表8中，稳定度方差检验结果A、B、C、A2、B2、C2均为显著项，失拟项为不显著项，且修正拟合度达到98.89%。表明失拟项不显著由纯误差引起，模型能够反映出实际结果，具有较好的模拟效果。去掉不显著项后稳定度的二阶回归方程如式(2)所示。

表8 拟合方程方差检验Table 8 Variance test of fitted equation

S=15.70+0.516 2A+0.506 2B-0.112 5C-

0.462 2A2-0.307 2B2-0.579 8C2

(2)

3.2 各因子交互影响作用分析

利用拟合回归方程绘制出各影响因子与响应值之间的三维响应曲面图及二维等值曲线图，研究各影响因子的交互作用对测试指标的影响。以稳定度响应值为例，HM掺量为0.4%、BF掺量为0.4%、油石比为5%时的响应曲面图及等值线图分别如图2～图4所示。

图2 HM掺量与BF掺量交互影响曲面图和等值线图Fig.2 Curved surface plot and contour plot of the interaction between the content of HM and the content of BF

图3 HM掺量与油石比交互影响曲面图和等值线图Fig.3 Curved surface plot and contour plot of the interaction between the content of HM and the ratio of oil-stone

图4 BF掺量与油石比交互影响曲面图和等值线图Fig.4 Curved surface plot and contour plot of the interaction between the content of BF and the ratio of oil-stone

由图2可知，HM掺量和BF掺量间有较明显的交互作用。当油石比为5%不变时，随着HM或BF掺量的增加，稳定度均表现出先增大后减小趋势，在选定水平范围内稳定度存在最大值，这表明单一掺量的增加并不能使得稳定度逐渐增大，掺量过大会起到相反作用，故在此范围内存在BF及HM最佳掺量，使得混合料强度最高。

HM掺量与油石比交互影响曲面图及等值线图表明，HM掺量与油石比交互作用明显。当BF掺量为0.4%不变时，随HM掺量的增大，稳定度呈现为先增大后减小的趋势，稳定度在两个因素给定水平范围内存在最大值，说明HM掺量或油石比单一影响因子变化虽会对稳定度有影响，但并不能使混合料强度达到最大值。

通过图4可以得知，BF掺量和油石比相互作用较为明显。当HM掺量为0.4%不变时，稳定度随着BF掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，而当两因子取适量范围时，稳定度达到最大值，由此说明适量BF能使得混合料稳定度增大，但掺量过大反而会使得稳定度降低。

对图2～图4分析可以得知，HM掺量及BF掺量对稳定度值均会有较大影响，且在17组试验方案之外存在一组最优配合比，使得混合料稳定度达到最大。空隙率(V)、矿料间隙率(M)、沥青饱和度(F)及流值(L)这4个响应指标最终二阶回归方程如式(3)～式(6)所示。

V=3.93+0.172 5A+0.401 3B-0.243 8C+

0.063 0A2+0.290 5B2+0.135 5C2

(3)

M=16.82+0.137 5A-0.687 5B+0.350 0C-

0.360 0A2-0.260 0B2-0.335 0C2

(4)

F=76.61-0.852 5A-3.60B+2.06C-

0.914 8A2-2.32B2-1.36C2

(5)

L=2.99+0.025 0A-0.068 8B+0.128 8C+

0.043 3A2+0.055 8B2+0.030 7C2

(6)

3.3 最佳配合比确定及试验验证

为获得最优配合比，需对每个响应指标设定一个期望值，将空隙率期望值设为3.5%～4.5%，矿料间隙率期望值设为大于15%，沥青饱和度期望值设为70%～80%，稳定度的期望值设为最大，流值期望值根据规范设为2～5 mm。

根据期望值进行拟合回归方程的点预测，得出最佳方案为：HM掺量0.44%、BF掺量0.45%、油石比4.98%。

将最佳方案下马歇尔试件测得的响应指标实测值与预测值进行对照，以验证得到的最佳配合比是否可靠。马歇尔指标实测值和预测值如表9所示。

由表9可知，通过响应曲面法得到的各响应参数预测值与实测值相差很小，这表明由响应曲面法计算出的最佳配合比具有较大的可靠性。

表9 马歇尔响应指标验证结果Table 9 Marshall response indexes verification results

4 路用性能试验验证与微观试验分析

4.1 路用性能试验验证

4.1.1 浸水汉堡车辙试验

将试件置于50 ℃水浴温度下浸泡4 h，采用浸水汉堡车辙试验对沥青混合料高温性能进行测试。设置加载频率为22 次/min，试验终止条件为产生20 mm车辙深度或经过10 000 次循环加载后。选用车辙深度、总变形速率[18]为评价指标。

3组沥青混合料汉堡车辙试验结果如图5及表10所示。

图5表明，随着轮载次数的增加，3组沥青混合料车辙深度发展趋势基本一致，大致可分为蠕变及剥落两个阶段。与另外两组沥青混合料相比，最佳配合比下玄武岩纤维高模量沥青混合料蠕变速率最缓，车辙深度发展速度最慢，剥落拐点出现最晚，进入剥落阶段时间靠后，其抗变形能力及抗水损害能力最好。

图5 沥青混合料车辙深度随轮载次数变化曲线Fig.5 Curve of rutting depth of asphalt mixture with wheel load times

通过表10可得，最佳配合比下玄武岩纤维高模量沥青混合料的最终车辙深度、总变形速率均小于普通沥青混合料及高模量沥青混合料，说明掺加BF及HM能提高沥青混合料在水热耦合作用下的高温稳定性及水稳定性。

表10 不同沥青混合料最终车辙深度及总变形速率Table 10 Rutting depth and total deformation rate of different asphalt mixtures

4.1.2 低温小梁弯曲试验

3组沥青混合料低温小梁弯曲试验结果如表11所示。

表11 沥青混合料低温弯曲试验结果Table 11 Low temperature bending test results of asphalt mixture

对试验数据分析可知，加入HM后沥青混合料最大弯拉应变降低了6.9%，导致弯曲劲度模量升高了11.2%，这表明高模量沥青混合料的低温性能较普通沥青混合料差。加入BF后，沥青混合料试件破坏时梁底最大弯拉应变提升了28.9%，从而使得弯曲劲度模量降低了17.8%。由此可知，BF的加入使得高模量沥青混合料的低温抗裂性能得到有效提升。

BF能提升高模量沥青混合料低温抗裂性能，主要有以下几种原因：一是因为BF加入沥青混合料中后，与沥青形成复杂的纤维沥青网格，能够承担并分散温度应力，降低沥青混合料本身受温度应力损害程度，使得沥青混合料低温韧性提高。二是由于BF的加筋和桥联作用阻滞了裂缝的产生和扩展，具有一定的应力分散和扩散作用，增强了沥青混合料的低温抗裂性能。三是由于BF抗拉强度高，当试件受力时，BF发生拉伸变形，承受部分荷载，当荷载移除后，BF阻滞作用使沥青混合料产生恢复原有形态的趋势，使得沥青混合料自愈能力增强，减少了外力损伤作用，从而使得沥青混合料抗开裂性能增强。

4.1.3 水稳定性试验

3组沥青混合料的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验结果如图6所示。

图6 沥青混合料水稳定性试验结果Fig.6 Water stability test results of asphalt mixture

从试验结果分析，3组沥青混合料的残留稳定度与抗拉强度比变化趋势基本一致，且均满足规范要求。HM使得沥青混合料残留稳定度及抗拉强度比分别提升了6.3%及5.9%，加入BF后沥青混合料残留稳定度及抗拉强度比有所减小，较高模量沥青混合料分别降低了4.3%及2.6%，但仍优于普通沥青混合料，因此掺加少量BF对高模量沥青混合料水稳定性影响较小。

此外，在试验过程中得知，在沥青混合料拌和时有必要先将BF投入集料中充分拌和均匀，之后再将HM投入拌和，否则由于HM加入高温的集料中后迅速熔融，会将未能及时分散的纤维黏结成团，导致沥青混合料最终空隙率增大，水稳定性变差。

4.2 微观形貌观测与机理分析

从最佳配合比下的玄武岩纤维高模量沥青混合料试件破坏断面上选取扫描电镜试样，扫描结果如图7和图8所示。

由图7可知，BF在高模量沥青混合料中能与矿粉及细集料共同形成三维空间网状结构，这种空间网状结构起到较好的应力分散及扩散作用，从而能够减轻高模量沥青混合料内部形成的应力集中现象对其本身的损害程度，使得混合料低温抗裂性能得到提升。0.45%掺量的BF分布情况较为理想，形成的网状结构比较规则，对混合料起到较为明显的加筋桥联作用。

图7 玄武岩纤维高模量沥青混合料中的分布情况Fig.7 Distribution of basalt fiber in high modulus asphalt mixture

通过图8可以看出，表面光滑的BF加入混合料中后其表面形成了黏附力较强的沥青薄膜层，表明HM的存在使得沥青与BF的黏附性增大，从而对集料的约束作用增强，这对提高混合料高温稳定性能较为有利；由图8可知，BF断面不规则，说明在混合料被破坏时BF并非是直接抽出，而是被拉伸扯断，这表明BF在高模量沥青混合料中能起到对混合料的加筋作用以及对应力的分散和阻裂作用，在这种情况下纤维与沥青及集料形成的网状结构使得混合料低温性能得到有效提高。

图8 BF断面及与沥青黏附性Fig.8 BF section and adhesion to asphalt

5 结论

(1)利用响应曲面法得到了最优HM掺量为0.44%，最佳BF掺量为0.45%，在此状态下的最佳油石比为4.98%，并通过马歇尔试验验证了其具有较大的稳定度。

(2)BF及HM的加入使沥青混合料的车辙深度减小，车辙发展趋势减缓；使混合料弯曲劲度模量降低了17.8%，对混合料低温性能有较大提升，BF的加入较好地解决了高模量沥青混合料低温性能较差的问题；同时混合料残留稳定度及抗拉强度比分别提升了1.77%和3.18%，使得混合料水稳定性有一定程度的提升。

(3)BF在高模量沥青混合料中能与沥青和矿粉形成三维空间网状结构及在其表面形成黏附力较强的沥青薄膜层，有利于混合料内部应力的传递和扩散，能提高对集料的约束力，同时起到加筋以及对应力的分散和阻裂作用，从而提升沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性能。