夏超明, 蔣 康, 吳超凡, 吳慶定, 劉克非

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 南方綠色道路研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；3.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引言

瀝青路面是我國(guó)高等級(jí)路面的主要形式，因其柔性路面屬性，受車(chē)輪荷載的反復(fù)作用后易產(chǎn)生疲勞破壞，表現(xiàn)為沿路面縱向產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而發(fā)展為網(wǎng)裂和龜裂、甚至坑槽。疲勞破壞不僅影響行車(chē)舒適度，提高運(yùn)營(yíng)與維護(hù)成本，還會(huì)降低路面使用壽命。已有的研究表明，纖維的加入對(duì)瀝青混合料的疲勞性能有顯著地改善[1-2]。當(dāng)前，木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚合物化學(xué)纖維三大類(lèi)纖維被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料，其中木質(zhì)素纖維因具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較強(qiáng)的吸油能力、低廉的價(jià)格等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為普及[3-4]。但是，大部分木質(zhì)素纖維取自原木，其大規(guī)模使用不符合資源節(jié)約的發(fā)展理念，不適宜在快速增長(zhǎng)的道路基礎(chǔ)建設(shè)中大范圍應(yīng)用。因此，亟待尋找綠色環(huán)?？稍偕闹参锢w維將其替代。

中國(guó)是竹資源最豐富的國(guó)家[5]。竹纖維是一種環(huán)保型有機(jī)纖維，具有價(jià)廉、可回收、可降解、可再生等特性，是替代路用(針葉木)木質(zhì)素纖維的最佳材料之一。因此，利用具有速生特點(diǎn)的竹材替代制備路用木質(zhì)素纖維的針葉木，有利于緩解木材供求矛盾。此外，竹纖維的強(qiáng)度和韌性較高[6]，作為瀝青混合料的增強(qiáng)材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，若竹纖維可有效改善瀝青路面疲勞性能，其實(shí)際應(yīng)用對(duì)提高工程性能、降低造價(jià)、保護(hù)環(huán)境均具有重要意義。

已有眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了不同植物纖維瀝青混合料的使用性能。李振霞[7]、雷彤[8]等發(fā)現(xiàn)玉米秸稈纖維和棉秸稈纖維可有效改善瀝青混合料路用性能，2種纖維在改善瀝青混合料性能方面和木質(zhì)素纖維效果相近。劉忠彥[9]等發(fā)現(xiàn)沙生灌木纖維可在低應(yīng)力比條件下改善瀝青混合料的疲勞耐久性。ABIOLA[10]等的研究證明天然植物纖維的加入對(duì)瀝青混合料疲勞壽命和結(jié)構(gòu)抗破壞能力均有明顯改善。SHENG[11]等研究發(fā)現(xiàn)竹纖維的使用改善了瀝青混合料的抗車(chē)轍能力和低溫開(kāi)裂性能，與聚合物改性纖維和木質(zhì)素纖維相比，竹纖維的改善效果更優(yōu)。MUNDA[12]等發(fā)現(xiàn)竹纖維可有效改善瀝青瑪蹄脂混合料(SMA)的穩(wěn)定度和流值，且其路用性能可滿足實(shí)際工程要求?？梢钥吹?，當(dāng)前針對(duì)竹纖維瀝青混合料的研究多集中于常規(guī)路用性能，對(duì)疲勞性能的研究尚屬空白，缺乏從微觀角度分析竹纖維增強(qiáng)瀝青混合料疲勞性能機(jī)理的系統(tǒng)研究。

為分析竹纖維瀝青混合料的疲勞耐久性與其作用機(jī)制，本文將從毛竹桿莖中提取的絮狀竹纖維摻入瀝青混合料中，采用四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)測(cè)試其疲勞壽命，并與木質(zhì)素纖維瀝青混合料進(jìn)行比較分析，然后采用掃描電子顯微鏡(SEM)從微觀角度揭示纖維與混合料之間的作用機(jī)理，研究成果可為竹纖維瀝青混合料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 原材料和試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1瀝青

所用瀝青為SBS改性瀝青，產(chǎn)自岳陽(yáng)長(zhǎng)嶺煉化公司，其基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青基本技術(shù)指標(biāo)Table 1 Basictechnical indexes of SBS modified asphalt對(duì)比內(nèi)容軟化點(diǎn)/℃針入度(25℃)/(0.1 mm)延度(5 ℃)/cm相對(duì)密度TFOT后(163 ℃,5 h)質(zhì)量變化/%針入度比/%殘留延度(5 ℃)/cm技術(shù)要求≥6040～60≥20實(shí)測(cè)≤1.0≥65≥15測(cè)試結(jié)果81.148.237.11.030-0.0179.024

1.1.2纖維

試驗(yàn)所用竹纖維為毛竹桿莖中提取的絮狀纖維，實(shí)驗(yàn)室自制。木質(zhì)素纖維為四川能高威科技有限公司生產(chǎn)的絮狀纖維。各纖維外觀圖見(jiàn)圖1，微觀形貌見(jiàn)圖2。

(a) 木質(zhì)素纖維

(a) 木質(zhì)素纖維 (×1 500)

各纖維基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.1.3礦料

本研究中，粗集料為玄武巖碎石，細(xì)集料為石灰石屑，礦粉為磨細(xì)石灰石粉，各集料具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3～表5。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本研究采用SMA-13型瀝青混合料制備試樣測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度和疲勞性能，其礦料級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。

圖3 SMA-13 型瀝青混合料級(jí)配曲線

根據(jù)已有研究基礎(chǔ)和規(guī)范JTGF40—2004，采用馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，確定木質(zhì)素纖維瀝青混合料和竹纖維瀝青混合料的纖維最佳摻量均為混合料

表2 路用植物纖維基本技術(shù)指標(biāo)Table 2 Basic technical indexes of road plant fiber對(duì)比內(nèi)容纖維長(zhǎng)度粒度組成灰分/%技術(shù)要求≤6—18±5木質(zhì)素<6—13.30.85 mm篩通過(guò)率92%16 竹纖維<5.50.425 mm篩通過(guò)率63%19 0.106 mm篩通過(guò)率28%15 pH含水率/%耐熱性(210 ℃、2 h,熱失重率)/%吸油率/倍(不小于纖維質(zhì))相對(duì)密度實(shí)測(cè)7.5±1≤5≤67.24.87.30.897.74.75.37.14.55.79.20.9437.34.35.5

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of coarse aggregate對(duì)比內(nèi)容壓碎值/%洛杉磯磨耗值 /%磨光值/%表觀相對(duì)密度吸水率/%技術(shù)要求≤20≤24≥42≥2.6≤2.0測(cè)試結(jié)果9.510.8512.960.67

表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indexes of fine aggregate對(duì)比內(nèi)容表觀相對(duì)密度砂當(dāng)量/%棱角性/s技術(shù)要求≥2.5≥60≥30測(cè)試結(jié)果2.857247

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indexes of mineral powder對(duì)比內(nèi)容表觀相對(duì)密度含水量/%塑性指數(shù)親水系數(shù)技術(shù)要求≥2.5≤1<4<1測(cè)試結(jié)果2.690.43.80.6

質(zhì)量的0.4%，最佳油石比分別為5.9%和6.5%。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1疲勞試驗(yàn)方案

采用四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)測(cè)試?yán)w維瀝青混合料的疲勞壽命。首先采用輪碾法成型板式試塊，然后切割成尺寸為380 mm×63 mm×50 mm的小梁試件(見(jiàn)圖4)。將小梁試件置于15 ℃保溫箱中養(yǎng)生4 h以上。試驗(yàn)采用MTS-810型萬(wàn)用材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。測(cè)試條件為：測(cè)試溫度15 ℃，加載頻率10 Hz，加載波形為連續(xù)正弦波。

圖4 四點(diǎn)彎曲小梁試件

測(cè)試中，先測(cè)得纖維瀝青混合料試件彎拉破壞時(shí)的最大荷載，計(jì)算各混合料的抗彎拉強(qiáng)度；然后采用應(yīng)力控制模式測(cè)試各混合料的疲勞壽命，應(yīng)力水平分別為0.3、0.4和0.5(見(jiàn)圖5)，各應(yīng)力水平取3個(gè)平行試件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果取平均值。

圖5 四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)示意圖

1.3.2SEM測(cè)試方案

采用QUANTA FEG 250型SEM觀測(cè)纖維增強(qiáng)瀝青混合料的微觀形貌特征，從微觀尺度分析纖維在瀝青混合料中的增強(qiáng)機(jī)理[13]。取纖維瀝青混合料彎拉破壞試件的斷面進(jìn)行SEM測(cè)試。取樣時(shí)先沿破裂面將試件切割成2 cm(長(zhǎng))× 2 cm(寬)× 1 cm(高)的薄片，將帶有纖維的樣品用鑷子取下，每個(gè)試件選取5個(gè)樣品。將導(dǎo)電膠粘在試驗(yàn)臺(tái)，用鑷子將樣品粘在導(dǎo)電膠上，然后對(duì)其進(jìn)行噴金處理。電腦控制樣品將其移動(dòng)到觀察點(diǎn)，確定放大倍數(shù)后截取SEM圖像。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 疲勞性能測(cè)試結(jié)果

應(yīng)力控制模式下瀝青混合料的疲勞特性應(yīng)滿足關(guān)系式[14]：

(1)

式中:Nf為疲勞壽命，次;σ0為初始彎拉應(yīng)力,MPa;K、n為由測(cè)試確定的疲勞方程參數(shù)。

對(duì)公式兩邊取對(duì)數(shù)可得：

lgNf=-nlgσ0+lgK

(2)

式中:K表示疲勞測(cè)試曲線線位的高低,K值越大，瀝青混合料抗疲勞性能越好;n表示疲勞測(cè)試曲線斜率的大小,n值越大，瀝青混合料的疲勞壽命越易受到應(yīng)力的影響。

木質(zhì)素纖維與竹纖維瀝青混合料的疲勞性能測(cè)試與分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 纖維瀝青混合料疲勞性能測(cè)試結(jié)果Table 6 Fatigue performance test results of fiber asphalt mixture纖維類(lèi)型應(yīng)力強(qiáng)度比應(yīng)力水平/MPa疲勞壽命/次疲勞方程參數(shù)0.32.64233 920K=1.570×106木質(zhì)素纖維0.43.5229 626n=3.983 20.54.4034 480R2=0.990 90.32.69332 907K=1.854×106竹纖維0.43.5909 291n=4.096 00.54.4884 093R2=0.995 0注: R2為相關(guān)指數(shù)。

為直觀體現(xiàn)2種纖維混合料的疲勞性能，將2種混合料疲勞壽命與應(yīng)力關(guān)系的雙對(duì)數(shù)曲線放入同一坐標(biāo)系進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同纖維瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)力水平間的關(guān)系

由表6和圖6可知:① 在不同的應(yīng)力水平條件下，2種纖維瀝青混合料的疲勞壽命均與應(yīng)力水平表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，且相關(guān)指數(shù)均在0.99以上，表明2種纖維瀝青混合料均能較好地表征材料的疲勞性能[15]。② 隨著應(yīng)力水平的增大，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。各混合料在0.3、0.4和0.5的應(yīng)力水平下疲勞壽命降低呈現(xiàn)先急速下降再趨于緩和的趨勢(shì)。③ 在相同的應(yīng)力水平下，竹纖維瀝青混合料的疲勞壽命與木質(zhì)素纖維混合料相當(dāng)。④ 與木質(zhì)素纖維瀝青混合料的疲勞參數(shù)K值和n值相比，竹纖維瀝青混合料的K值和n值分別提高了18.1%和2.83%，表明竹纖維瀝青混合料具有更好抵抗疲勞重復(fù)荷載的能力，但相對(duì)而言對(duì)應(yīng)力變化較敏感。

2.2 SEM測(cè)試結(jié)果

根據(jù)SEM測(cè)試圖片，下面從2個(gè)方面分析纖維增強(qiáng)瀝青混合料疲勞性能的作用機(jī)理。

2.2.1纖維對(duì)瀝青混合料疲勞損傷的阻滯作用

取木質(zhì)素纖維和竹纖維瀝青混合料中纖維與混合料的連接處觀察，其SEM圖像見(jiàn)圖7。可以看到，大量瀝青附著在了纖維的表面上，纖維根部與混合料連接緊密。雖然纖維的摻量較低，但2種纖維的直徑都很小，因而比表面積較大，這使得數(shù)量眾多、長(zhǎng)短不一、在混合料中均勻分散的纖維彼此搭接[9]。疲勞測(cè)試過(guò)程中，試件在疲勞荷載作用下內(nèi)部萌生裂紋，內(nèi)部初始缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,且微裂縫以較快的速率擴(kuò)展，荷載的重復(fù)作用使得裂縫更進(jìn)一步擴(kuò)大，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[16]。纖維的無(wú)規(guī)律分布可在裂紋周?chē)a(chǎn)生約束作用，從而阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)散。此外，細(xì)長(zhǎng)的絲狀路用植物纖維將整個(gè)混合料連接起來(lái)，在瀝青混合料內(nèi)部集料出現(xiàn)分離時(shí)可起到一定拉伸作用來(lái)維持整個(gè)結(jié)構(gòu)的完整[17]，從而實(shí)現(xiàn)纖維對(duì)瀝青混合料的阻裂作用。

結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，與木質(zhì)素纖維相比，竹纖維吸油效果更好，且由于竹纖維表面粗糙度更大，對(duì)瀝青的吸附作用更強(qiáng)。由圖7可以看出，纖維表面吸附有大量的結(jié)構(gòu)瀝青，其較強(qiáng)的裹覆力可有效改善瀝青與混合料間的界面連接狀態(tài)，從而延緩裂縫的發(fā)展[18]。觀察混合料界面破壞處斷裂的纖維(見(jiàn)圖8)可以看到，纖維的斷口呈現(xiàn)不規(guī)則狀，說(shuō)明結(jié)構(gòu)破壞時(shí)纖維受到了力的作用，屬于拉伸破壞。由于竹纖維表面更粗糙，竹纖維瀝青混合料的油石比更大，其疲勞性能比木質(zhì)素纖維瀝青混合料更優(yōu)。

(a) 木質(zhì)素纖維(×3 000)

圖8 竹纖維斷口形貌(×3 000)

2.2.2纖維對(duì)瀝青混合料自愈能力的增強(qiáng)作用

瀝青本身具有一定的微裂縫自愈能力，這對(duì)瀝青路面抗疲勞能力具有重要影響[19-20]。纖維的加入可增強(qiáng)瀝青混合料的滯后恢復(fù)能力[21-22]。

從SEM圖像可以看出，纖維與瀝青結(jié)合面表現(xiàn)出良好的過(guò)渡，呈面接觸而非點(diǎn)接觸，表明纖維與瀝青混合料之間具有較好的界面黏結(jié)性能。在外荷載作用下，纖維可有效分擔(dān)混合料所受拉應(yīng)力，進(jìn)而阻礙其發(fā)生形變。由于纖維的抗拉強(qiáng)度比瀝青基體高，當(dāng)外部荷載消失后，纖維瀝青膠漿的黏彈特性使其變形恢復(fù)，從而瀝青混合料自愈[21-22]。從微觀圖像來(lái)看(圖7)，竹纖維與木質(zhì)素纖維的界面結(jié)合形式相似，因而均可增強(qiáng)瀝青混合料的自愈合能力。

3 結(jié)論

本文采用四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)比分析了木質(zhì)素纖維與竹纖維瀝青混合料的疲勞性能，采用SEM從微觀角度揭示了纖維對(duì)瀝青混合料疲勞性能的增強(qiáng)機(jī)理。主要得出以下結(jié)論：

a.竹纖維瀝青混合料的疲勞壽命與木質(zhì)素纖維相當(dāng)；竹纖維瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能，但其對(duì)應(yīng)力水平變化的敏感程度略高于木質(zhì)素纖維瀝青混合料。

b.竹纖維能夠改善瀝青混合料疲勞性能的主要原因在于其對(duì)初始疲勞損傷的阻滯作用和對(duì)自愈合能力的增強(qiáng)作用。

c.竹纖維瀝青混合料具有良好的抗疲勞性能，是替代木質(zhì)素纖維的可靠產(chǎn)品。在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中可考慮從2個(gè)方面增強(qiáng)竹纖維對(duì)瀝青混合料抗疲勞性能的作用效果：一是提高其表面粗糙度，增強(qiáng)界面結(jié)合能力；二是改善其在混合料中的分散性，從而提高阻止初始裂紋擴(kuò)散的能力。