高寒高海拔地區(qū)玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能分析

馬海鵬，余 沛

(1.新鄉(xiāng)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,新鄉(xiāng) 453003；2.商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院,商丘 476000)

0 引 言

瀝青混凝土路面因具有快速開放交通、行車舒適和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國各類路面結(jié)構(gòu)中。在車輛引起的往復(fù)荷載及路用環(huán)境作用下瀝青混凝土?xí)a(chǎn)生疲勞開裂，對于疲勞裂縫如不能有效養(yǎng)護(hù)處置，裂縫會進(jìn)一步擴(kuò)展為坑槽、車轍和位移等路面病害。

Bazin等[1-2]最先提出了瀝青混凝土的疲勞開裂，并進(jìn)行了有關(guān)瀝青混合料自愈特性的研究，瀝青混凝土開裂損傷自愈合是其固有特性。王昊鵬等[3]通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，認(rèn)為粘結(jié)料的不同，疲勞開裂后的損傷自愈合特性也各有不同。陳瑞璞等[4]研究了老化條件下基質(zhì)瀝青混合料的疲勞及自愈合性能，結(jié)果表明，影響瀝青混合料的自愈合能力較為顯著的因素是老化程度和損傷程度，提高瀝青混合料愈合率的方法是延長愈合時間和適宜的溫度。崔亞楠等[5]采用宏觀與細(xì)觀相結(jié)合的方法評價瀝青混合料的損傷自愈合性能，研究老化程度、損傷程度和溫度等對損傷自愈合的影響。以上研究多集中在普通基質(zhì)瀝青混凝土的損傷自愈合特性[6-8]，而對于纖維瀝青混凝土的損傷自愈合特性研究較少，特別是近些年廣泛應(yīng)用的玄武巖纖維瀝青混凝土更是少有報(bào)道。高春妹[9]對玄武巖纖維對瀝青混凝土的影響進(jìn)行了研究，經(jīng)過綜合分析，結(jié)果表明，不同長度和摻量的玄武巖纖維對瀝青混凝土的影響效果不同，其中9 mm長、摻量0.07%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的玄武巖纖維對瀝青混凝土水溫穩(wěn)定性能、韌性性能、疲勞性能和黏彈性能的改善效果最好。朱春鳳[10]通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的研究手段，對季凍區(qū)硅藻土-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料路用性能及力學(xué)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同摻量和凍融循環(huán)作用下硅藻土-玄武巖纖維提高了瀝青混合料的抗疲勞性能和抗凍融損傷能力。李震南等[11]采用拉伸試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)，對玄武巖纖維瀝青混合料進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明玄武巖纖維增強(qiáng)了瀝青混合料的整體性和抗裂性，并且得出低溫下玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。應(yīng)用于瀝青混凝土的玄武巖纖維已被證實(shí)具有延緩瀝青路面的開裂及延長瀝青路面的疲勞壽命作用[12-14]。

綜上所述，玄武巖纖維對瀝青混凝土的抗疲勞性能和抗凍融損傷能力的研究已經(jīng)得到一定的成果，尤其是不同摻量的玄武巖纖維對瀝青混凝土相關(guān)性質(zhì)的影響，而在高寒高海拔地區(qū)環(huán)境下玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合性能的研究甚少，特別是在紫外輻射老化、凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維瀝青混凝土的損傷自愈合的機(jī)理微觀分析少見報(bào)道。基于此，本文針對經(jīng)過紫外輻射老化、凍融循環(huán)作用影響后的玄武巖纖維瀝青混凝土進(jìn)行損傷自愈合性研究，并借助掃描電鏡對其進(jìn)行微觀分析，為我國高海拔及冬季低溫區(qū)域應(yīng)用玄武巖纖維瀝青混凝土提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

選定玄武巖纖維瀝青混凝土及其對照組普通基質(zhì)瀝青混凝土、SBS改性瀝青混凝土為研究對象。粗細(xì)集料采用內(nèi)蒙古卓資縣玄武巖碎石，瀝青選用盤錦A級90#基質(zhì)瀝青和聚合物摻量為4.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)見表1。礦粉主要成分為石灰石，玄武巖纖維采用浙江石金短切玄武巖纖維?；炷良壟洳捎肁C-16C型，其級配組成見表2。

表1 瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance index of asphalt

表2 瀝青混凝土級配組成Table 2 Asphalt concrete gradation composition

三種瀝青混凝土的最佳油石比通過試驗(yàn)確定：基質(zhì)瀝青混凝土為4.3%，玄武巖纖維瀝青混凝土4.5%，短切玄武巖纖維的最佳摻量參照已有文獻(xiàn)[15]確定為0.3%，SBS改性瀝青混凝土為4.9%。

1.2 試件制備及影響因素

利用剪切壓實(shí)成型儀和大型瀝青混凝土切割機(jī)制備380 mm×63.5 mm×50 mm小梁試件。為研究高寒、強(qiáng)紫外輻射對瀝青混凝土路面損傷自愈合性能的影響，將小梁試件置于高低溫交變箱及紫外線輻射箱中進(jìn)行凍融及紫外老化作用；凍融循環(huán)溫度為-20～60 ℃，循環(huán)次數(shù)為10 次；紫外線輻射時間為245 h(以內(nèi)蒙古中西部地區(qū)為研究樣本區(qū)域確定紫外線年輻射量)，溫度設(shè)定為35 ℃(避免造成熱氧老化)。

1.3 瀝青混合料損傷愈合試驗(yàn)

試驗(yàn)采用UTM-100多功能伺服試驗(yàn)系統(tǒng)及四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，疲勞損傷愈合試驗(yàn)采用傳統(tǒng)(損傷-愈合-再損傷)方式進(jìn)行，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)溫度15 ℃。試件進(jìn)行初次循環(huán)加載時，S(彎曲勁度模量)下降到S0(初始彎曲勁度模量)的50%作為試驗(yàn)終止條件，此時試件的受損程度也為50%，分別記錄受損程度為10%、30%、50%時的勁度模量和累計(jì)耗散能。然后將受損試件置于恒溫箱進(jìn)行自愈合，愈合溫度設(shè)定為50 ℃，愈合時間24 h。愈合結(jié)束后，將試件再次進(jìn)行循環(huán)加載損傷試驗(yàn)，并記錄上述對應(yīng)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

瀝青混凝土疲勞加載試驗(yàn)可得到多種指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括：勁度模量、疲勞壽命、相位角、耗散能等[16]。本研究從損傷速率vD和累計(jì)耗散能ECD兩個層面對比分析玄武巖纖維瀝青混凝土及其對照組材料的損傷愈合性能。

2.1 損傷速率層面評價自愈合性能

瀝青混凝土受到荷載后的應(yīng)力與應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，并不遵循胡克定律。其勁度模量隨加載時間的變化趨勢為凹形弧狀，如圖1所示。初始勁度模量和終止勁度模量之差與加載時間的比值為損傷速率vD，通過對比愈合前后的損傷速率vD進(jìn)行評價混合料的自愈合性能[17]。

(1)

(2)

式中：RHI1為損傷愈合系數(shù)，其值越高代表瀝青混合料的損傷自愈合性能越好；S0、St為初始勁度模量與終止勁度模量，MPa；t為加載時間，s；vD.before、vD.after分別為愈合前后的損傷速率。試驗(yàn)得到的RHI1見表3。

圖1 勁度模量隨加載時間變化曲線Fig.1 Variation curves of stiffness moduluswith loading time

由表3可知，三種瀝青混凝土，在相同外部因素影響下以及初次受損程度一致的情況下，其損傷自愈合性能表現(xiàn)為：基質(zhì)瀝青混凝土<玄武巖纖維瀝青混凝土

表3 瀝青混凝土RHI1的損傷愈合系數(shù)Table 3 Damage healing coefficient of RHI1 asphalt concrete

紫外輻射、凍融循環(huán)作用均降低了玄武巖瀝青混凝土損傷愈合系數(shù)，其降幅最大分別為2%、4%。且凍融循環(huán)下試件的損傷愈合系數(shù)均低于紫外輻射的，說明凍融循環(huán)因素在高寒、強(qiáng)紫外輻射地區(qū)對瀝青混凝土損傷自愈合性能影響大于紫外輻射因素。玄武巖纖維瀝青混凝土在施加環(huán)境相同的情況下，試件達(dá)到50%初次受損程度時，其損傷愈合系數(shù)均低于其他兩種初次損傷程度的損傷愈合系數(shù)。表明試件初次受損程度與玄武巖瀝青混凝土的損傷自愈合性能成正比。

2.2 累計(jì)耗散能層面評價自愈合性能

黏彈性材料加載損傷是一個能量轉(zhuǎn)化的過程，在瀝青混凝土試件上施加一定荷載，其機(jī)械能并未轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能，而是轉(zhuǎn)化為耗散能-熱能，損傷過程實(shí)質(zhì)上是能量耗散過程或不可逆熱力過程。孫雅珍等[18]指出耗散能、耗散能相對變化率與疲勞次數(shù)有關(guān)，并以此建立相關(guān)的疲勞方程。崔亞楠等[19]以斷裂能為指標(biāo)并結(jié)合數(shù)字散斑技術(shù)，研究了瀝青混凝土的自愈合能力。瀝青混凝土每一個疲勞加載循環(huán)中都對應(yīng)一個應(yīng)變ε、應(yīng)力σ、相位角φ，試件的耗散能可通過疲勞加載形成的應(yīng)力應(yīng)變曲線圍成的面積確定。

(3)

(4)

式中：ED為單個加載循環(huán)耗散能，J/m3；ECD為疲勞試驗(yàn)過程中累計(jì)耗散能，J/m3；t為單個加載循環(huán)所需時間，s。瀝青混合料試件在愈合前后加載時都對應(yīng)一個能量耗散的過程，ECD.before為愈合前加載累計(jì)耗散能；ECD.after為愈合后加載累計(jì)耗散能。計(jì)算愈合前后累計(jì)耗散能的比值，其比值為愈合前后耗散能之間的關(guān)系，通過比值評價受損試件的愈合狀況。

(5)

將其比值RHI2也命名為損傷愈合系數(shù)，試驗(yàn)得到RHI2數(shù)據(jù)見表4。

表4 瀝青混凝土RHI2的損傷愈合系數(shù)Table 4 Damage healing coefficient of RHI2 asphalt concrete

由表4可知，三種瀝青混凝土愈合后的累計(jì)耗散能均有所下降，且基質(zhì)瀝青混凝土下降趨勢較其他兩種明顯。由損傷愈合系數(shù)RHI2可知，愈合后的累計(jì)耗散能下降是由于初次疲勞開裂導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成一定程度的破壞，再愈合后其開裂處瀝青與集料的表面能并未完全恢復(fù)。從側(cè)面表明試件能量損失量也可反映瀝青混凝土的損傷自愈合性能。

摻加玄武巖纖維的瀝青混凝土試件在愈合前后的累計(jì)耗散能變化幅度較小，損傷愈合系數(shù)RHI2在不同環(huán)境因素下均有所提升，且最高達(dá)96%。但紫外輻射、凍融循環(huán)因素使玄武巖纖維瀝青混凝土的RHI2呈下降趨勢，且凍融循環(huán)的降幅最大為4%。玄武巖纖維瀝青混凝土在受損程度達(dá)50%時，其損傷愈合系數(shù)RHI2最低為87%。由于初次損傷造成的能量損耗較大，且愈合時間和愈合溫度與初次損傷程度為10%、30%時相同，50%損傷程度試件愈合時，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部各組分的分子勢能并未得到有效恢復(fù)，故50%損傷程度的損傷自愈合性能最低。

圖2為玄武巖瀝青混凝土在不同環(huán)境作用下的損傷愈合系數(shù)的對比圖。對比分析玄武巖纖維瀝青混凝土兩種損傷愈合系數(shù)，由圖2可知，由損傷速率vD和累計(jì)耗散能ECD得到的兩種損傷愈合系數(shù)均能反映出瀝青混凝土的自愈合性能，且差量較小，差量最大值為2%。RHI1無論在不同環(huán)境因素作用下和不同損傷程度情況其值均低于RHI2。這是由于RHI1是愈合前后的損傷速率vD之比得到的，瀝青混凝土是一種典型的黏彈性材料，在受到疲勞荷載時其勁度模量并非呈線性下降。

圖2 玄武巖瀝青混凝土RHI1與RHI2對比圖Fig.2 Comparison chart between RHI1 and RHI2 of basalt asphalt concrete

但(S0-St)/t=vD此式反映出vD為一段加載時間瀝青混凝土勁度模量變化量的斜率且呈線性關(guān)系，不能精確反映黏彈性材料損傷非線性特性；試件加載過程是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為耗散能的過程，而累積耗散能是試件疲勞加載周期內(nèi)多個應(yīng)力與應(yīng)變形成的耗散能之和，使用愈合前后試件累積耗散能之比RHI2作為評價試件損傷自愈合性能的指標(biāo)較為合適。

3 玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能機(jī)理微觀分析

瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，瀝青中的膠質(zhì)使粗細(xì)集料黏結(jié)為一整體。但空間結(jié)構(gòu)中存在大小不一的密閉、貫穿孔隙，這降低了瀝青混凝土抵抗外部施加荷載的能力，玄武巖纖維的增韌作用使瀝青混凝土的抗開裂性能得到一定程度的提高。

從斷裂力學(xué)角度分析，材料裂縫發(fā)展的過程與應(yīng)變過程一致，材料抵抗應(yīng)變的能力又與材料內(nèi)部各組分的排列、組合位置相關(guān)。為分析玄武巖纖維瀝青混凝土的內(nèi)部各組分對其損傷自愈合性能的影響，采用掃描電鏡對其開裂面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，且對比分析玄武巖纖維瀝青混凝土在經(jīng)受紫外輻射、凍融循環(huán)后的損傷自愈合性能。圖3～圖5所示為不同環(huán)境下愈合前后玄武巖瀝青混凝土開裂處的各組分排列情況。

從圖3中可清晰看出，玄武巖纖維與瀝青形成具有粘附性的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在愈合前后并未遭到完全破壞，玄武巖纖維摻加瀝青混凝土后，瀝青混凝土的內(nèi)部孔隙減少，提高了混合料的抗裂性能。因此，試件受到加載時產(chǎn)生的微裂縫會因纖維的抗拉拔能力而阻礙其裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。從材料的化學(xué)性質(zhì)方面分析，玄武巖纖維的性質(zhì)具有一定的親油性，搭接在裂縫兩側(cè)，纖維對混凝土中裂縫有一定的拉力，對混凝土的局部缺陷進(jìn)一步改善，從而提升了整體性。

圖3 未經(jīng)環(huán)境作用試件自愈合前后的微觀形貌照片F(xiàn)ig.3 SEM images of specimens before and after wound healing under non-working condition

圖4為試件在紫外輻射前后的SEM照片。從圖4中可以看出，紫外線輻射后的玄武巖纖維瀝青混凝土中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)與纖維絲呈現(xiàn)出分離狀態(tài)，由于紫外老化使瀝青流動性降低，未能較好地重新包裹集料，纖維在瀝青混凝土中分布不均勻，其中有一定成團(tuán)現(xiàn)象，當(dāng)瀝青量不足以包裹纖維時，混合料的整體性受到一定影響。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維具有較強(qiáng)抗輻射能力，其形貌較為完好，且纖維再次融入瀝青混凝土內(nèi)部形成整體。這使摻纖維的瀝青混凝土在經(jīng)過紫外輻射后仍具有一定的損傷自愈合能力。

圖4 在紫外輻射條件下試件自愈合前后的微觀形貌照片F(xiàn)ig.4 SEM images of specimens before and after wound healing under ultraviolet radiation condition

從圖5中可知，凍融循環(huán)作用使水分進(jìn)入瀝青混凝土孔隙中由于凍脹造成孔隙變大且出現(xiàn)貫穿的現(xiàn)象，玄武巖纖維瀝青混凝土在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，瀝青混凝土開裂面的集料與瀝青呈現(xiàn)較為松散的分離狀態(tài)，這使其在受損自愈合時瀝青與集料的結(jié)合面變得粗糙。凍融循環(huán)作用下，瀝青混凝土內(nèi)部的孔隙有變大的趨勢，影響瀝青與纖維之間的黏性，但效果不太明顯。

由于玄武巖纖維不同于一般的纖維材料，低溫環(huán)境下玄武巖纖維可以增強(qiáng)瀝青混凝土自我抵抗裂紋發(fā)展的性能，纖維絲仍均勻分布其中且連接開裂面處的瀝青混凝土，形成一個空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體，具有一定的加筋增強(qiáng)效果，再次加載時纖維絲的增韌性仍具有抵抗裂紋擴(kuò)展能力，使玄武巖纖維混凝土仍具備一定的損傷自愈合性能。

圖5 在凍融循環(huán)條件下試件自愈合前后的微觀形貌照片F(xiàn)ig.5 SEM images of specimens before and after wound healing under freeze-thaw cycle condition

4 結(jié) 論

(1)摻加玄武巖纖維的基質(zhì)瀝青混凝土在不同受損程度、不同環(huán)境因素影響下的損傷自愈合性能得到一定程度提升，其損傷愈合系數(shù)最高增幅達(dá)到8%且接近SBS改性瀝青混凝土。

(2)在相同的受損程度下，凍融循環(huán)作用對玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能影響最顯著，損傷愈合系數(shù)降幅最大值為4%；在相同路用環(huán)境影響下，試件初次受損程度越高，其損傷自愈合性能越低；試件在50%受損程度時，其損傷愈合系數(shù)最低。

(3)累計(jì)耗散能作為評價損傷自愈合指標(biāo)，避免了由損傷速率反映損傷愈合系數(shù)時造成的誤差，故利用愈合前后累計(jì)耗散能之比RHI2更能準(zhǔn)確表征瀝青混凝土的損傷自愈合性能。

(4)玄武巖纖維瀝青混凝土在受到紫外輻射、凍融循環(huán)兩種因素作用后，瀝青膠質(zhì)與集料間的分子結(jié)構(gòu)都受到一定程度的損傷，且凍融循環(huán)影響最大，其造成瀝青與集料出現(xiàn)大面積不可修復(fù)的剝蝕狀態(tài)，最終導(dǎo)致其損傷自愈合性能降低。