肖 鵬，裴昭輝，吳幫偉，康愛紅，寇長(zhǎng)江，吳 星,3

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇省玄武巖纖維復(fù)合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚(yáng)州 225127；3.瑞爾森大學(xué)，加拿大 多倫多 ON M5B 2K3)

0 引言

瀝青混合料在反復(fù)交通負(fù)荷和環(huán)境影響下，極易發(fā)生各種類型的開裂，從而降低其道路性能，導(dǎo)致其使用質(zhì)量和使用壽命下降[1-2]。因此，許多研究人員對(duì)瀝青混合料抗裂性能展開了研究，認(rèn)為纖維可有效改善瀝青混合料的抗裂性能[3-6]。

瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(stone matrix asphalt, SMA)作為一種性能優(yōu)異的混合料，被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。木質(zhì)素纖維(lignin fiber, LF)[7]對(duì)瀝青有較強(qiáng)的吸附性，目前已被廣泛應(yīng)用于纖維SMA路面，從而減小SMA瀝青路面中的瀝青用量。但由于木質(zhì)素纖維強(qiáng)度較低，其增強(qiáng)效果主要在于對(duì)瀝青的吸附，增強(qiáng)性能效果并不明顯。玄武巖纖維(basalt fiber, BF)[8]作為一種新型無機(jī)纖維材料，因其高強(qiáng)度、耐久性、穩(wěn)定性和環(huán)保性的優(yōu)勢(shì)被稱為“無污染高性能材料”，有必要進(jìn)一步對(duì)摻入玄武巖纖維的SMA型瀝青路面抗裂性能進(jìn)行研究。

目前，關(guān)于瀝青混合料抗裂性能的測(cè)試方法主要有低溫小梁彎曲試驗(yàn)[9]、間接拉伸開裂試驗(yàn)[10]和半圓彎拉試驗(yàn)[11]等。雖然這些方法可以有效區(qū)分不同瀝青混合料的抗裂性能，但其測(cè)試結(jié)果往往是最終的宏觀性能指標(biāo)，測(cè)試方法耗時(shí)較長(zhǎng)，評(píng)價(jià)參數(shù)較為單一，難以對(duì)瀝青混合料的開裂過程進(jìn)行跟蹤評(píng)估[12]。而數(shù)字圖像散斑技術(shù)是一種光學(xué)和非接觸式測(cè)量技術(shù)，可以在不同變形狀態(tài)下捕獲被測(cè)表面的全場(chǎng)位移和應(yīng)變信息，從而打破了傳統(tǒng)測(cè)量方法的局限性，為測(cè)試瀝青混合料提供了更全面的荷載和變形響應(yīng)信息[13-15]。因此，為更科學(xué)地對(duì)瀝青混合料開裂性能進(jìn)行研究，本文采用數(shù)字圖像散斑技術(shù)對(duì)其開裂行為進(jìn)行系統(tǒng)分析。同時(shí)，纖維瀝青混合料性能的研究不能局限于性能本身，其長(zhǎng)期性能的研究也十分重要，研究纖維瀝青混合料在不同老化階段的抗裂性能具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

因此，本研究選取兩種常用的纖維(LF和BF)為研究對(duì)象，制備木質(zhì)素纖維瀝青混合料(lignin fiber asphalt mixtures, LFSMA-13)和玄武巖纖維瀝青混合料(basalt fiber asphalt mixtures, BFSMA-13)試件，通過半圓彎拉試驗(yàn)研究纖維對(duì)不同老化階段(未老化、短期老化、長(zhǎng)期老化)瀝青混合料抗裂性能的影響，采用數(shù)字圖像散斑技術(shù)跟蹤瀝青混合料的開裂過程，計(jì)算實(shí)時(shí)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度L和平均裂紋擴(kuò)展速率V，評(píng)價(jià)纖維類型對(duì)瀝青混合料抗裂性能的影響。采用掃描電子顯微鏡試驗(yàn)分析木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維在混合料中的分布，揭示纖維的強(qiáng)化機(jī)制。研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)具有良好抗裂性能的瀝青路面以及高效分析瀝青混合料開裂性能提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青

選擇苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer, SBS)改性瀝青(PG 76-22)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[16]的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 纖維

本文采用兩種纖維(木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維)，木質(zhì)素纖維(見圖1a)外觀呈灰白色，非常柔軟；玄武巖纖維(見圖1b)外觀呈金棕色，質(zhì)地堅(jiān)硬，長(zhǎng)度為6 mm。木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維的性質(zhì)見表1。

(a)木質(zhì)素纖維 (b)玄武巖纖維

表1 纖維的性質(zhì)

1.3 礦料

集料采用玄武巖骨料，填料是石灰?guī)r礦粉。對(duì)骨料和填料的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[16]的標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)過程

2.1.1 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[16]規(guī)定，采用馬歇爾方法進(jìn)行SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)級(jí)配如表2所示。根據(jù)本課題組的初步研究成果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，木質(zhì)素纖維摻量為SMA-13質(zhì)量的0.3%，玄武巖纖維摻量則為SMA-13質(zhì)量的0.4%，設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表2 SMA-13設(shè)計(jì)級(jí)配

表3 纖維瀝青混合料馬歇爾設(shè)計(jì)結(jié)果 %

2.1.2 瀝青混合料老化方法

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[17]中的瀝青混合料老化方法(T0734—2000)制備不同老化狀態(tài)下的混合料試件。其中，短期老化混合料用于模擬在施工周期內(nèi)的瀝青混合料，長(zhǎng)期老化混合料用于模擬已經(jīng)服役5年至7年的瀝青混合料。對(duì)于短期老化方法，將松散瀝青混合料在搪瓷盤上均勻鋪展至約50 mm的高度，放置于(135±1)℃的強(qiáng)制通風(fēng)烘箱內(nèi)，每隔1 h對(duì)混合料進(jìn)行翻拌，連續(xù)加熱4 h±5 min后從烘箱中取出混合料，并通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)成型試件。對(duì)于長(zhǎng)期老化方法，用短期老化后壓實(shí)的試件冷卻脫模后，放入(85±3)℃烘箱中連續(xù)加熱(120±0.5)h，獲得混合料試件，待冷卻后對(duì)試件進(jìn)行性能測(cè)試。

2.2 半圓彎拉試驗(yàn)

采用美國(guó)AASHTO TP 105—13[18]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法中半圓彎曲試驗(yàn)方法測(cè)試常溫下瀝青混合料試件，半圓柱形試件的尺寸直徑為150 mm，厚度為50 mm。試件需要提前在其底部預(yù)留一定長(zhǎng)度的狹縫，如圖2所示，以揭示具有初始裂紋的混合料的抗裂性，以及發(fā)生裂紋后的裂紋膨脹情況。

圖2 半圓彎拉試驗(yàn)中預(yù)切縫長(zhǎng)度示意圖

對(duì)于半圓彎曲試驗(yàn)，將半圓柱形混合料試件置于萬能試驗(yàn)機(jī)中，通過上部金屬柱添加負(fù)載(見圖3)。試驗(yàn)在25 °C下進(jìn)行，加載速度為50 mm/min，記錄了荷載-變形曲線。柔性指數(shù)(flexibility index, FI)可以用式(1)～式(3)表示。

圖3 半圓彎拉試驗(yàn)的測(cè)試圖片

(1)

Arealig=韌性區(qū)長(zhǎng)度×t；

(2)

(3)

其中：Gf為斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J；Arealig為韌性區(qū)面積，mm2；t為試件厚度，mm；|m|為峰值后斜率絕對(duì)值，kN/mm；A為單位轉(zhuǎn)換和縮放，A=0.01。

2.3 數(shù)字圖像散斑技術(shù)試驗(yàn)

數(shù)字圖像散斑技術(shù)是一種將現(xiàn)代圖像編程技術(shù)與光學(xué)測(cè)量分析相結(jié)合的測(cè)試方法，可以通過數(shù)碼相機(jī)像素收集不同疲勞載荷周期下半圓形試樣表面的圖像位移數(shù)據(jù)。數(shù)字圖像散斑技術(shù)的基本原理是在變形前將目標(biāo)區(qū)域劃分為圖像中的多個(gè)子區(qū)域，根據(jù)每個(gè)子區(qū)域的灰度特征值，在變形圖像中找到與參考圖像中相關(guān)性最好的子區(qū)域[19]。使用MATLAB軟件(MATLAB 2019a)中的Ncorr程序計(jì)算子區(qū)域的位移，換算得到待測(cè)點(diǎn)的實(shí)際位移。為了量化纖維瀝青混合料的動(dòng)態(tài)裂紋形成特征，通過數(shù)字圖像散斑技術(shù)分析結(jié)果，得出選定分析區(qū)域的實(shí)時(shí)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度L和平均裂紋擴(kuò)展速率V，來揭示瀝青混合料的抗變形能力，所選圖像的實(shí)時(shí)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度L(實(shí)時(shí)裂紋尖端坐標(biāo)如圖4所示)和平均裂紋擴(kuò)展速率V根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算[20]。

(a) 實(shí)時(shí)裂紋尖端區(qū)域 (b) 實(shí)時(shí)裂紋尖端坐標(biāo)

(4)

(5)

其中：δ為照片尺寸像素的轉(zhuǎn)化因數(shù)；t為所選測(cè)試過程的時(shí)間(即拍攝測(cè)試圖像的時(shí)間間隔)，s。所選測(cè)試過程的總時(shí)間為15 s，因?yàn)樗性嚇釉?5 s內(nèi)都顯示出明顯的裂紋。

2.4 掃描電子顯微鏡試驗(yàn)

為了觀察纖維對(duì)瀝青混合料的形貌，采用美國(guó)ASTM E 2438—2005[21]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法中掃描電子顯微鏡試驗(yàn)來表征木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維及其相應(yīng)的SMA瀝青混合料的表面微觀結(jié)構(gòu)，以探究不同纖維對(duì)SMA混合料性能影響的機(jī)理。

3 結(jié)果與分析

3.1 半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果與分析

半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在不同老化階段，BFSMA-13的Gf始終大于LFSMA-13的Gf；在長(zhǎng)期老化階段，兩者之間的差值達(dá)到最大，此時(shí)LFSMA-13的Gf約為BFSMA-13的58.4%。這說明BFSMA-13裂縫開展過程中所需的總能量大于LFSMA-13。即從裂縫開展全過程來看，玄武巖纖維可以更好地提高SMA-13瀝青混合料抵抗裂縫的能力。

(a) 斷裂能 (b) 柔性指數(shù)標(biāo)

從FI指數(shù)來看，BFSMA-13的裂縫開展速度始終低于LFSMA-13。短期老化后BFSMA-13的FI比未老化時(shí)減小11.51%，長(zhǎng)期老化后BFSMA-13的FI比未老化的FI減小16.95%。短期老化后LFSMA-13的FI比未老化的FI減小18.04%，長(zhǎng)期老化后LFSMA-13的FI比未老化時(shí)減小29.63%。從裂縫開展速度的角度來看，BFSMA-13的抗老化性能也優(yōu)于LFSMA-13。原因可能是混合料開裂后骨料之間的相對(duì)位移，而短切的玄武巖纖維在混合料中起增強(qiáng)作用，這抵消了部分應(yīng)力，減緩了混合料裂紋的形成速度，并有效地延緩了裂紋的傳播。

3.2 數(shù)字圖像散斑技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果與分析

以未老化的LFSMA-13和BFSMA-13的垂直位移云圖為例(見圖6)。當(dāng)加載到5 s時(shí)，半圓形試件裂縫附近區(qū)域的位移變動(dòng)很小。隨著加載時(shí)間的增加，位移規(guī)律逐漸明顯，表明混合料中的瀝青砂漿和骨料出現(xiàn)協(xié)同變化。當(dāng)加載到10 s以及更久時(shí)，纖維類型對(duì)混合料的位移發(fā)生不同程度的位移變化。這進(jìn)一步表明，玄武巖纖維在SMA-13中起到“加筋”、增強(qiáng)作用，有效減緩混合料整體位移的變化。

(a) LFSMA-13(加載5 s) (b) LFSMA-13(加載10 s) (c) LFSMA-13(加載15 s)

圖7為不同老化階段下兩種纖維瀝青混合料的實(shí)時(shí)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，不同老化階段的BFSMA-13的裂紋起裂時(shí)間均比LFSMA-13晚。該結(jié)果進(jìn)一步證明玄武巖纖維在裂紋萌生階段比木質(zhì)素纖維具有增強(qiáng)抗裂性能。從平均裂紋擴(kuò)展速率V(見表4)來看，在未老化、短期老化和長(zhǎng)期老化階段，BFSMA-13的V值分別為L(zhǎng)FSMA-13的V值的53.53%、48.35%和53.94%。

圖7 不同老化階段下纖維瀝青混合料的實(shí)時(shí)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度

表4 不同老化階段下纖維瀝青混合料的平均裂紋擴(kuò)展速率V mm/s

此外，選取不同老化階段的兩種纖維瀝青混合料的FI指數(shù)(基于半圓彎曲試驗(yàn)得到的指數(shù))與V進(jìn)行相關(guān)性分析。圖8顯示線性擬合得到的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到了0.9，表明FI指數(shù)與V具有良好的相關(guān)性。進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)字圖像散斑技術(shù)可以合理評(píng)估瀝青混合料的抗損傷和開裂特性。

圖8 FI指數(shù)與平均裂紋擴(kuò)展速率V的線性擬合指標(biāo)相關(guān)性分析

3.3 掃描電子顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果與分析

木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維的掃描電子顯微鏡圖像如圖9所示，相應(yīng)瀝青混合料的掃描電子顯微鏡圖像如圖10所示。

(a) 木質(zhì)素纖維 (b) 玄武巖纖維

(a) LFSMA-13 (b) BFSMA-13

由圖9可以看出：木質(zhì)素纖維質(zhì)地較軟，容易卷曲纏繞，而玄武巖纖維形態(tài)均勻，質(zhì)地較硬，不易彎曲纏繞。木質(zhì)素纖維在混合料中主要起著吸油作用，從而使得瀝青膠結(jié)料和集料可以更好地吸附在一起，而玄武巖纖維形態(tài)的穩(wěn)定均勻性、較大的彈性模量和抗拉強(qiáng)度使得其在混合料中的傳力性能較好。

如圖10a所示，木質(zhì)素纖維可以在混合料中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但由于其抗拉強(qiáng)度較低，所以在混合料中容易彎曲纏繞，因此在混合料破壞時(shí)并不能有效地承擔(dān)混合料內(nèi)部的應(yīng)力，這種結(jié)構(gòu)主要有助于木質(zhì)素纖維吸附SMA-13內(nèi)部多余的瀝青，從而使得骨料之間的瀝青膠漿的分布更為穩(wěn)定，通過增加骨料表面的瀝青膜厚來增強(qiáng)骨料與骨料之間的黏結(jié)能力，從而達(dá)到強(qiáng)化混合料性能的作用。由圖10b可知：玄武巖纖維在SMA-13中也可以形成較好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[22]，其在混合料中并未發(fā)生彎曲纏繞的現(xiàn)象。由于其優(yōu)異的力學(xué)性能[23]，從而可以分擔(dān)部分混合料內(nèi)部的應(yīng)力，并使得應(yīng)力可以在混合料內(nèi)部的薄弱區(qū)(由于混合料攤鋪過程不是均勻的，一些地方較為薄弱)更好地傳遞，從而延緩病害的產(chǎn)生，可以更好地在SMA-13瀝青混合料中發(fā)揮其更大的作用。

4 結(jié)論

(1)隨著老化程度的加深，LFSMA-13和BFSMA-13的抗裂性能均變差。在不同老化程度下，BFSMA-13的抗裂性能均優(yōu)于LFSMA-13。

(2)半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果的FI指數(shù)與數(shù)字圖像散斑技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果的V值具有較好的相關(guān)性，數(shù)字圖像散斑技術(shù)試驗(yàn)可以較為高效地反映不同老化階段瀝青混合料的抗裂性能。

(3)玄武巖纖維可以通過與SMA-13協(xié)同作用來提高瀝青混合料的抗裂性能，木質(zhì)素纖維能吸附SMA-13中多余的游離瀝青。