趙小崇，高淑玲，何世欽

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,天津 300401;2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引 言

大空隙瀝青混合料是一種粘彈性材料，低溫情況下表現(xiàn)為線彈性體，高溫情況下則表現(xiàn)為粘塑性體，常溫時(shí)則接近一般粘彈性體，其動態(tài)模量值與溫度、頻率都有非常密切的關(guān)系。與靜態(tài)模量相比，動態(tài)模量更能準(zhǔn)確的體現(xiàn)出大空隙瀝青混合料在車輛荷載作用下的真實(shí)特性，它不僅可以作為大空隙瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)鍵參數(shù), 還可以作為瀝青混合料路用性能的特征指標(biāo)[1-3]。因此，國內(nèi)外一些專家和學(xué)者將動態(tài)模量值視為瀝青混合料的一種設(shè)計(jì)參數(shù)[4-6]，以使路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際要求。

目前，一些國內(nèi)外專家學(xué)者已通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了油石比[7]、瀝青的粘度[8]、級配[9]、荷載頻率[10-12]、溫度[13-15]等因素對密集配瀝青混合料和大空隙瀝青混合料動態(tài)模量和相位角的影響規(guī)律，并結(jié)合Witczak 預(yù)估模型[16]及 Hirsch 預(yù)測模型[17]對瀝青混合料長期動態(tài)模量值或瞬間值進(jìn)行預(yù)測。但是關(guān)于玄武巖纖維摻量對大空隙瀝青混合料動態(tài)模量和相位角的研究還較少。當(dāng)纖維摻量較少時(shí)，對大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角沒有明顯的效果。而纖維摻量過多時(shí)，纖維容易結(jié)團(tuán)，分散不均勻，既提高了混合料的成本，其路用性能也得不到改善。因此，合理的纖維摻量才能達(dá)到最佳效果。本文將著重研究玄武巖纖維摻量、溫度和頻率對大空隙瀝青混合料動態(tài)模量和相位角的影響。

將通過室內(nèi)試驗(yàn)(SPT(Simple Performance Test)簡單性能試驗(yàn)機(jī))測試玄武巖纖維摻量分別為0%，0.1%，0.3%的大空隙瀝青混合料在5種不同溫度(-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃)及6種不同頻率(0.1 HZ、0.5 HZ、1 HZ、5 HZ、10 HZ、25 HZ)下動態(tài)模量值和相位角。根據(jù)時(shí)溫等效原理[18]，通過origin軟件，采用西格摩得模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性擬合得到大空隙瀝青混合料的相應(yīng)主曲線。并通過分析主曲線得出玄武巖纖維摻量對大空隙瀝青混合料動態(tài)模量和相位角的影響，為纖維瀝青路面設(shè)計(jì)提供了更多的理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 集料及礦粉

根據(jù)大空隙瀝青混合料的材料組成，其骨架主要由粗骨料構(gòu)成，本研究采用的粗集料為5～10 mm和10～15 mm的玄武巖碎石，細(xì)集料為0～5 mm玄武巖機(jī)制砂，填充于粗骨料之間的空隙空間，礦粉為石灰?guī)r礦粉，經(jīng)檢驗(yàn)，各檔礦料均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[19](JTG 40—2004)的技術(shù)要求，檢測結(jié)果見表1～表3。

表1 粗集料各項(xiàng)指標(biāo)Table 1 Indicators of coarse aggregates

表2 細(xì)集料各項(xiàng)指標(biāo)Table 2 Indicators of fine aggregates

表3 礦粉各項(xiàng)指標(biāo)Table 3 Indicators of mineral powder

1.1.2 高粘改性瀝青

為保證大空隙瀝青路面具有良好的使用性能，本文將使用高粘改性瀝青替代基質(zhì)瀝青，經(jīng)過調(diào)配70號基質(zhì)瀝青與高粘添加劑(TPS改性劑)的比例，最終確定的最佳摻配比例為 88∶12。高粘改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表4所示。

表4 高粘改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)Table 4 Indicators of high viscosity modified asphalt

1.1.3 玄武巖纖維

試驗(yàn)采用的玄武巖纖維產(chǎn)于浙江金華，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表5所示，纖維摻量按(1)式所得。

(1)

表5 玄武巖纖維各項(xiàng)指標(biāo)Table 5 Indicators of basalt fiber

1.2 礦料級配

試驗(yàn)采用的礦料級配參考了CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》[20]中細(xì)粒式PAC-13的礦料級配范圍，最終實(shí)驗(yàn)所采用的礦料級配如表6所示。

表6 礦料級配Table 6 Mineral grading

1.3 動態(tài)模量室內(nèi)試驗(yàn)方法

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[21]對單軸壓縮動態(tài)模量實(shí)驗(yàn)的要求，首先采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑為150 mm，高170 mm的大空隙瀝青混合料試件，然后通過鉆芯和切割得到直徑為100 mm，高為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，試件尺寸的允許范圍為直徑100～104 mm，高度(150±2.5) mm。不合規(guī)格的試樣予以舍棄。試驗(yàn)采用偏正弦周期荷載。

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)模量

2.1.1 動態(tài)模量與溫度的關(guān)系

密集配瀝青混合料和大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量與溫度之間的關(guān)系如圖1～圖4所示。

圖1 密集配瀝青混合料動態(tài)模量與溫度的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between dynamic modulus andtemperature of dense-graded asphalt mixture

圖2 大空隙瀝青混合料 (纖維摻量為0%)動態(tài)模量與溫度的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves between dynamic modulus and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

對比圖1、圖2中的數(shù)據(jù)可以得出：與密集配瀝青混合料的動態(tài)模量值相比，相同溫度和頻率的大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量值更小。例如溫度為20 ℃時(shí)，其各頻率下的動態(tài)模量值分別比密集配的小4 467 MPa、4 060 MPa、3 536 MPa、2 551 MPa、2 155 MPa、1 371 MPa，頻率為1 Hz時(shí)，其各溫度下的動態(tài)模量值分別比密集配的小10 271 MPa、4 237 MPa、2 551 MPa、1 016 MPa、358 MPa。這是因?yàn)榇罂障稙r青混合料是由大量的粗骨料和少量的細(xì)骨料組成，內(nèi)部孔隙率較大，在荷載作用下，由粗骨料形成的骨架結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)更容易產(chǎn)生錯(cuò)位滑移，從而降低了大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量值。由圖1～圖4中的數(shù)據(jù)可以看出，頻率一定的情況下，大空隙瀝青混合料和密集配瀝青混合料的動態(tài)模量值都隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低，在低溫(-10 ℃)時(shí)，瀝青混合料的動態(tài)模量很高，大空隙瀝青混合料在荷載作用下幾乎不會發(fā)生變形，更接近于線彈性體，瀝青混合料在荷載的長期作用下容易產(chǎn)生開裂破壞。隨著溫度的增加，瀝青混合料的彈性效應(yīng)逐漸減弱，粘性效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，在重載的作用下，瀝青路面極易產(chǎn)生較大程度的永久變形。因此，大空隙瀝青混合料在高溫下的動態(tài)模量值可以作為瀝青路面高溫穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)。

圖3 大空隙瀝青混合料 (纖維摻量為0.1%)動態(tài)模量與溫度的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between dynamic modulus andtemperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

圖4 大空隙瀝青混合料 (纖維摻量為0.3%)動態(tài)模量與溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between dynamic modulus andtemperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

2.1.2 動態(tài)模量與荷載頻率的關(guān)系

密集配瀝青混合料和大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量與荷載頻率的關(guān)系如圖5～圖8所示。

圖5 密集配瀝青混合料動態(tài)模量與荷載頻率的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves between dynamic modulusand loading frequency of dense-graded asphalt mixture

圖6 大空隙瀝青混合料 (纖維摻量為0%)動態(tài)模量與荷載頻率的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between dynamic modulus and loadingfrequency of large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

圖7 大空隙瀝青混合料 (纖維摻量為0.1%)動態(tài)模量與荷載頻率的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves between dynamic modulus and loadingfrequency of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

圖8 大空隙瀝青混合料 (纖維摻量為0.3%)動態(tài)模量與荷載頻率的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curves between dynamic modulus and loadingfrequency of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

由圖5～圖8中的數(shù)據(jù)可以得出：隨著頻率的增加，大空隙瀝青混合料和密集配瀝青混合料的動態(tài)模量值都增加。這是因?yàn)闉r青混合料是粘彈性材料，其在動態(tài)載荷下的變形反應(yīng)不能立即完成，并且在卸載過程中也會經(jīng)歷一段時(shí)間內(nèi)的回彈變形。在荷載相同的情況下，大空隙瀝青混合料產(chǎn)生的變形響應(yīng)隨著荷載頻率的變化而變化，從而對動態(tài)模量值產(chǎn)生影響。經(jīng)王殿臣[22]研究發(fā)現(xiàn)，對于某一段瀝青路面，汽車的駛?cè)牒婉傠x可以近似地視為正向波加載。當(dāng)汽車的運(yùn)行速度較慢時(shí)，荷載頻率也較低，混合料的動態(tài)模量也就越低。當(dāng)天氣溫度很高且荷載頻率極低時(shí)，大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量非常小，路面極易發(fā)生車轍病害。因此，這也清晰地解釋了汽車在十字路口、公交站臺和停車場等行駛緩慢或停止的區(qū)域更容易產(chǎn)生車轍的原因。

2.1.3 動態(tài)模量與玄武巖纖維摻量的關(guān)系

與玄武巖纖維摻量為0%的大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量值相比，加入0.1%、0.3%玄武巖纖維后的瀝青混合料的動態(tài)模量值有比較明顯的差異趨勢。特別是低溫和高溫時(shí)的動態(tài)模量值，這里取低溫(-10 ℃)和高溫(50 ℃)進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 大空隙瀝青混合料低溫(-10 ℃)與高溫(50 ℃)下動態(tài)模量與荷載頻率的關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves between dynamic modulus and loading frequency of large-void asphalt mixture at low(-10 ℃) and high (50 ℃) temperatures

在低溫下，大空隙瀝青路面面層的破壞形式是產(chǎn)生裂縫-低溫開裂。產(chǎn)生裂縫的主要原因是隨著溫度的降低，面層的大空隙瀝青混合料由于收縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力無法釋放而積累能量，當(dāng)積累的能量超過面層的極限抗拉能量時(shí)，大空隙瀝青路面面層就會產(chǎn)生開裂。從圖9(a)可以看出，在低溫(-10 ℃)以及6種特定的頻率下，與未摻加玄武巖纖維的瀝青混合料的動態(tài)模量值相比，摻加0.1%玄武巖纖維瀝青混合料的動態(tài)模量值分別降低了8.1%、9.4%、10.6%、12.8%、14.3%、16.0%。摻加0.3%玄武巖纖維瀝青混合料的動態(tài)模量值分別降低了22.3%、19.0%、20.2%、22.1%、23.0%、25.0%。主要是因?yàn)樾鋷r纖維在瀝青混合料中的分散性較好，形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以有效地克服骨料之間的相對滑移，同時(shí)，玄武巖纖維也具有良好的抗拉性能和韌性，一方面可以分擔(dān)一部分溫度應(yīng)力，另一方面能通過橋接加筋的作用把即將要斷裂的兩部分緊密相連為一個(gè)整體，類似于鋼筋混凝土中鋼筋的作用，但相比之下，應(yīng)變增強(qiáng)的程度要大于應(yīng)力增強(qiáng)的程度，因此其動態(tài)模量值會降低；在纖維和基體共同作用下，混合料的極限抗拉能量增大，故加入纖維可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性。

在高溫下，瀝青面層的破壞形式是流動變形-車轍。是由于瀝青混合料的粘結(jié)力較低，在重載下會產(chǎn)生很大的高溫變形，瀝青混合料的動態(tài)模量降低。加入玄武巖纖維后，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到提高。從圖9(b)可以看出，在高溫(50 ℃)以及6種特定的頻率下，與未摻加玄武巖纖維瀝青混合料的動態(tài)模量值相比，摻加0.1%玄武巖纖維瀝青混合料的動態(tài)模量值分別提高了4.0%、6.3%、10.6%、10.2%、8.3%、7.9%。摻加0.3%玄武巖纖維瀝青混合料的動態(tài)模量值分別提高了20.2%、15.5%、17.8%、20.9%、20.9%、17.1%。主要是因?yàn)樾鋷r纖維與瀝青能夠很好的粘合，使瀝青混合料的整體粘結(jié)力增強(qiáng)，減小高溫下產(chǎn)生的變形。因此，在相同應(yīng)力的情況下，摻入玄武巖纖維的瀝青混合料產(chǎn)生的應(yīng)變更小，高溫下產(chǎn)生的變形更小，故加入纖維可以提高瀝青混合料的動態(tài)模量值，從而提高其高溫穩(wěn)定性。

2.2 相位角

表征瀝青混合料彈性與粘性的一個(gè)重要指標(biāo)即是相位角，通過相位角的大小可以判斷瀝青混合料彈性與粘性的大小。研究表明，當(dāng)瀝青混合料完全是彈性時(shí)，相位角的大小為0°，當(dāng)瀝青混合料完全是粘性時(shí)，相位角的大小為 90°。相位角的變化主要通過混合料內(nèi)部內(nèi)摩擦阻力的增加或者減小來體現(xiàn)，隨著溫度、頻率和纖維摻量的變化，內(nèi)摩擦阻力也會發(fā)生相應(yīng)的變化。本文將通過溫度、頻率和纖維摻量三個(gè)因素對瀝青混合料相位角的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

2.2.1 相位角與溫度的關(guān)系

密集配瀝青混合料和大空隙瀝青混合料相位角與溫度之間的關(guān)系如圖10～圖13所示。

圖10 密集配瀝青混合料相位角與溫度的關(guān)系曲線Fig.10 Relation curves between phase angle andtemperature of dense-graded asphalt mixture

圖11 大空隙瀝青混合料相位角與溫度的關(guān)系曲線(纖維摻量為0%)Fig.11 Relation curves between phase angle and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

圖12 大空隙瀝青混合料相位角與溫度的關(guān)系曲線(纖維摻量為0.1%)Fig.12 Relation curves between phase angle and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

圖13 大空隙瀝青混合料相位角與溫度的關(guān)系曲線(纖維摻量為0.3%)Fig.13 Relation curves between phase angle and temperature of large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

通過分析圖10～圖13可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的變化，相位角在同一頻率下的變化情況有些差異，但是每個(gè)頻率下的相位角都會隨著溫度的增加先增大后減??；荷載作用的頻率大于或等于1 Hz時(shí)，相位角的最大值大約出現(xiàn)在35 ℃左右，頻率小于1 Hz時(shí)，相位角的最大值大約出現(xiàn)在20 ℃左右。這是因?yàn)闉r青的膠結(jié)性能受溫度的影響很大，隨著溫度的變化，瀝青混合料的粘彈性能不斷變化。在低溫時(shí)，瀝青混合料的力學(xué)性能主要由瀝青的膠結(jié)料決定，骨料的作用相對較小，此時(shí)的瀝青混合料處于彈性狀態(tài)，相位角較?。浑S著溫度的升高，瀝青混合料開始趨向于粘性，相位角也相應(yīng)地增加；但是隨著溫度的繼續(xù)增加，瀝青混合料中的膠結(jié)料逐漸軟化，瀝青混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動態(tài)模量由骨料來決定，而骨料本身是一種彈性材料，由此相位角會降低。

2.2.2 相位角與頻率的關(guān)系

密集配瀝青混合料和大空隙瀝青混合料相位角與頻率之間的關(guān)系如圖14～圖17所示。

圖14 密集配瀝青混合料相位角與頻率的關(guān)系曲線Fig.14 Relation curves between phase angle and frequencyof dense-graded asphalt mixture

圖15 大空隙瀝青混合料相位角與頻率的關(guān)系曲線(纖維摻量為0%)Fig.15 Relation curves between phase angle and frequencyof large-void asphalt mixture (fiber content is 0%)

圖16 大空隙瀝青混合料相位角與頻率的關(guān)系曲線(纖維摻量為0.1%)Fig.16 Relation curves between phase angle and frequencyof large-void asphalt mixture (fiber content is 0.1%)

圖17 大空隙瀝青混合料相位角與頻率的關(guān)系曲線(纖維摻量為0.3%)Fig.17 Relation curves between phase angle and frequencyof large-void asphalt mixture (fiber content is 0.3%)

通過對圖14～圖17分析可得，在不同的溫度下，相位角隨著加載頻率的變化而變化。在高溫時(shí)(35 ℃及以上)，相位角會隨著頻率的增加而增加；溫度在35 ℃以下時(shí)，相位角就會隨著加載頻率增加而變小，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是瀝青混合料在低溫條件下主要表現(xiàn)為彈性特征，在荷載作用下，幾乎無相位角產(chǎn)生；隨著溫度的升高，瀝青的膠結(jié)料逐漸軟化，相位角變化較大。待達(dá)到35 ℃及以上時(shí)，瀝青混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相位角來自于骨料的嵌擠，因?yàn)楣橇鲜且环N彈性材料，在荷載作用下不會產(chǎn)生相位角，結(jié)合整體而言瀝青混合料的相位角就會變小。

2.2.3 相位角與纖維摻量的關(guān)系

加入玄武巖纖維后，瀝青混合料相位角發(fā)生了明顯的變化，特別是低溫和高溫時(shí)的相位角，這里取低溫(-10 ℃)和高溫(50 ℃)進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示。

圖18 大空隙瀝青混合料低溫(-10 ℃)與高溫(50 ℃)時(shí)相位角與頻率的關(guān)系曲線Fig.18 Relation curves between phase angle and frequency of large-void asphalt mixture at low (-10 ℃) and high(50 ℃) temperatures

從圖18中可以得出，在低溫(-10 ℃)時(shí)，與未摻加玄武巖纖維的瀝青混合料的相位角相比，摻入0.3%纖維的瀝青混合料的相位角分別提高了20%、13.6%、15.2%、16.9%、17.3%、16.9%。因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)，瀝青混合料的相位角主要由瀝青的膠結(jié)料決定，此時(shí)的瀝青混合料也處于彈性狀態(tài)，玄武巖纖維的加入可以使瀝青混合料的粘性增加，在荷載的作用下，相位角有所增加，有利于阻止疲勞裂縫的產(chǎn)生與延展，提高瀝青混合料的低溫抗裂性。在高溫(50 ℃)時(shí)，與未摻加玄武巖纖維的瀝青混合料的相位角相比，摻入0.3%纖維的瀝青混合料的相位角分別降低了7.7%、7.9%、9.0%、11.5%、14.7%、13.5%。這是因?yàn)樵诟邷厍闆r下，瀝青的膠結(jié)料逐漸軟化，導(dǎo)致粘結(jié)力降低，玄武巖纖維的加入可以減緩瀝青的流動，增大瀝青混合料的粘結(jié)性，在荷載的作用下，瀝青混合料的高溫變形減少，以至于相位角減小，從而提高其高溫穩(wěn)定性。

2.3 主曲線的確定

在溫度、荷載頻率及纖維摻量等因素的影響下，大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角會產(chǎn)生很大的變化。通過試驗(yàn)得到不同溫度和頻率下的動態(tài)模量值和相位角通過平移得到一條在參考溫度下的光滑曲線，此曲線就是動態(tài)模量主曲線或相位角主曲線。利用主曲線，就可以對瀝青混合料的長期路用性能進(jìn)行預(yù)測。同樣，因?yàn)閮x器設(shè)備的限制，瀝青混合料在短時(shí)間荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)很難從試驗(yàn)中得到，但利用主曲線就可以確定。

根據(jù)所得的動態(tài)模量和相位角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用20 ℃作為標(biāo)準(zhǔn)的參考溫度，通過時(shí)溫等效原理，采用西格摩德 (Sigmoida1) 函數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合，確立了各纖維摻量大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線和相位角主曲線，如圖19與圖20所示，西格摩德函數(shù)如公式(2)所示。

(2)

式中,|E*|為動態(tài)模量(ksi)；δ為動態(tài)模量最小值；α為動態(tài)模量最大值；β，γ為西格莫德函數(shù)的參數(shù)；ΔEa為活化能；f為指定溫度的加載頻率也稱縮減頻率；T為單個(gè)試驗(yàn)的溫度；Tr為華氏絕對溫度。

大空隙瀝青混合料動態(tài)模量主曲線如圖19所示。

通過分析圖19發(fā)現(xiàn)，在高溫/低頻條件下三種纖維摻量的瀝青混合料的動態(tài)模量相差不大，纖維摻量為0.3%的大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量最大，其抵抗高溫變形能力最好，其次是纖維摻量為0.1%的大空隙瀝青混合料。隨著溫度慢慢地降低或者頻率逐漸增大，纖維摻量為0.3%的大空隙瀝青混合料的動態(tài)模量增長幅度最小，主要是因?yàn)樵诘蜏叵拢瑸r青混合料趨向于彈性，加入玄武巖纖維后能提高混合料的韌性，并且承擔(dān)一部分溫度應(yīng)力，可以阻礙裂縫的產(chǎn)生，提高瀝青混合料的低溫抗裂性。

大空隙瀝青混合料相位角主曲線如圖20所示。

圖19 大空隙瀝青混合料動態(tài)模量主曲線Fig.19 Main curves of dynamic modulus of large-voidasphalt mixture

圖20 大空隙瀝青混合料相位角主曲線Fig.20 Main curves of phase angle of large-void asphalt mixture

通過對圖20分析可得，在低溫時(shí)，玄武巖纖維摻量為0.1%、0.3%的瀝青混合料的相位角要稍大于未摻加纖維的瀝青混合料的相位角，即纖維的加入可以使瀝青混合料粘性增加，彈性減小，進(jìn)一步增大瀝青混合料在受力時(shí)刻可變形的范圍，有利于阻止疲勞裂縫的產(chǎn)生，提高瀝青混合料的低溫抗裂性。在高溫時(shí)，玄武巖纖維摻量為0.1%、0.3%的瀝青混合料的相位角要稍小于未摻加纖維的瀝青混合料的相位角，即纖維的加入可以使瀝青混合料粘結(jié)力增強(qiáng)，在相同應(yīng)力的情況下，摻加0.3%纖維的瀝青混合料的高溫變形更小，其次是0.1%纖維瀝青混合料，即摻加纖維提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性?？傊w維作為加筋材料摻入到瀝青混合料中可以改善瀝青混合料的疲勞性能。

2.4 微觀圖像分析

為了研究大空隙瀝青混合料骨架接觸特點(diǎn)，采用CT設(shè)備對旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件進(jìn)行掃描，試件的橫向斷面和縱向斷面如圖21所示。

圖21 大空隙瀝青混合料CT圖像Fig.21 CT images of large-void asphalt mixture

從圖21(b)觀察到空隙率在試件的頂部和底部是最大的，這是因?yàn)閴簩?shí)錘和磨具之間的直接接觸限制了粗骨料的運(yùn)動，另外，壓實(shí)錘和模具的剛度較大，可能導(dǎo)致試樣頂部和底部的粗骨料被壓碎，試件中部的空隙相對較大，這是因?yàn)椴捎眯D(zhuǎn)壓實(shí)成型試件時(shí)，試件中部的壓實(shí)作業(yè)最小，壓實(shí)程度較弱導(dǎo)致的，從圖也可以看出，粗骨料之間形成的骨架結(jié)構(gòu)大多以點(diǎn)接觸的形式存在的。因此，整個(gè)瀝青混合料的強(qiáng)度主要取決于這些接觸點(diǎn)之間的結(jié)合強(qiáng)度。

圖22 大空隙瀝青混合料掃描電鏡圖像[23]Fig.22 SEM images of large void asphalt mixture[23]

為了增強(qiáng)大空隙瀝青混合料的整體強(qiáng)度，在混合料中摻加玄武巖纖維。從宏觀角度來看，玄武巖纖維表面光滑且浸潤性好，與瀝青能夠很好的粘合，可確保對瀝青的加筋作用。文獻(xiàn)[23]研究了玄武巖纖維在瀝青混合料中的機(jī)理。如圖22，從微觀角度看，瀝青滲入到纖維表面的凹坑，形成更緊密的咬合，產(chǎn)生了類似于鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合作用。從22(b)可以看出，由于玄武巖纖維在瀝青混合料中的分散性較好，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅可以傳輸或消散壓力，也可以有效地克服顆粒之間的相對滑移，從而延緩裂縫的增長速度。

3 結(jié) 論

(1)大空隙瀝青混合料和密集配瀝青混合料的動態(tài)模量值都隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低，低溫下的瀝青混合料幾乎趨于彈性，其動態(tài)模量很高，在重載作用下容易產(chǎn)生開裂破壞，隨著溫度的升高，瀝青混合料由彈性逐漸向粘性轉(zhuǎn)變，瀝青路面在重載長期作用下易于產(chǎn)生永久變形，從而產(chǎn)生車轍病害。

(2)大空隙瀝青混合料和密集配瀝青混合料的動態(tài)模量值都隨著頻率的升高而增大，在相同的荷載水平作用下，瀝青混合料產(chǎn)生的變形隨著荷載作用頻率的不同而不同，從而影響瀝青混合料的動態(tài)模量值。

(3)與未加入纖維的瀝青混合料相比，加入玄武巖纖維的瀝青混合料的動態(tài)模量值有比較明顯的差異趨勢。特別是低溫和高溫時(shí)的動態(tài)模量值，在低溫時(shí)，纖維的加入能夠提高瀝青混合料整體的極限抗拉強(qiáng)度，故提高了瀝青混合料的低溫抗裂性。在高溫時(shí)，由于纖維的吸附穩(wěn)定作用，使瀝青混合料整體的粘結(jié)力增大，在同等作用下產(chǎn)生較小的高溫變形，故提高了大空隙瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

(4)6種頻率下的相位角都會隨著溫度的增加先增長后減小。頻率大于或等于1 Hz時(shí)，相位角的峰值出現(xiàn)在35 ℃左右，頻率小于 1 Hz 時(shí)的相位角峰值出現(xiàn)在20 ℃左右。在不同的溫度下，相位角隨著加載頻率的變化而變化。溫度在35 ℃及以上時(shí)，相位角會隨著加載頻率的增加而增大；溫度在35 ℃以下時(shí)，相位角就會隨著加載頻率增加而變小。

(5)在低溫時(shí)，摻入玄武巖纖維可以增加瀝青混合料的相位角，提高其低溫抗裂性，高溫時(shí)，摻入纖維可以減小瀝青混合料的相位角，提高其高溫穩(wěn)定性。摻加玄武巖纖維可以作為一種改善瀝青混合料高低溫性能的有效方法。