王本帥，康愛(ài)紅,2，吳星怡，吳 星，孔賀譽(yù)，王漾博

(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)

0 引言

當(dāng)前，提高路面材料服役能力、延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)使用壽命是道路工程領(lǐng)域亟需突破的重大難點(diǎn)課題之一。文獻(xiàn)[1-3]研究證明：提高瀝青混合料性能的非常有效的方法是在混合料中加入纖維。近年來(lái)，玄武巖纖維由于其優(yōu)越的性能在公路工程中得到廣泛應(yīng)用[4-5]。

當(dāng)前，普遍認(rèn)為玄武巖纖維之所以能夠有效提高瀝青混合料的路用性能與力學(xué)性能，是因?yàn)槠渑c瀝青膠漿、集料相互攪拌，最終形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在抑制混合料裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展方面起到了重要的作用[6-9]。對(duì)玄武巖纖維的最佳摻量問(wèn)題，中外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。在AC-13級(jí)配瀝青混合料中，玄武巖纖維的最佳摻量為0.3%[10-11]。玄武巖纖維的長(zhǎng)度也是對(duì)瀝青混合料性能影響較大的重要參數(shù)。文獻(xiàn)[12]將不同摻量的6 mm長(zhǎng)度生態(tài)玄武巖纖維加入瀝青混合料中，以評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)其凍融損傷特性的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維摻量與瀝青混合料的路用性能先是成正相關(guān)，達(dá)到一定臨界值以后則是成負(fù)相關(guān)。文獻(xiàn)[5]將3 mm、6 mm和9 mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維分別加入AC-13級(jí)配的瀝青混合料中，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，3 mm和9 mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維對(duì)于瀝青混合料路用性能的提升幅度明顯不如6 mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維。文獻(xiàn)[13]則研究了玄武巖纖維的長(zhǎng)度對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)9 mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維對(duì)其的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于6 mm。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為6 mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維不宜摻入排水性瀝青混合料中。然而，目前玄武巖纖維的混合長(zhǎng)度對(duì)瀝青混合料的性能影響研究較少。

綜上所述，玄武巖纖維的摻入對(duì)瀝青混合料的使用性能有很大的提升。然而，目前纖維長(zhǎng)度對(duì)混合料性能的影響主要還是通過(guò)比價(jià)方法確定，沒(méi)有建立設(shè)計(jì)方法，無(wú)法揭示纖維長(zhǎng)度與瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。同時(shí)，對(duì)玄武巖摻量的研究方法還是采用大量對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，造成了人力物力的浪費(fèi)。因此，本文從玄武巖纖維瀝青混合料的性能和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，根據(jù)礦料間隙最長(zhǎng)軸與玄武巖纖維摻量的關(guān)系，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究玄武巖纖維混合長(zhǎng)度在AC-13級(jí)配瀝青混合料中的最佳配合比，為玄武巖纖維配合比的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 原材料

1.1 玄武巖纖維

本研究選用的玄武巖纖維直徑為13 μm，長(zhǎng)度分別為3 mm、6 mm和9 mm。玄武巖纖維如圖1所示，玄武巖纖維試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

(a) 長(zhǎng)度3 mm

表1 玄武巖纖維試驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青與礦料

采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)AC-13型瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。本研究選用的瀝青、集料與礦粉技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2～表4，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 集料性能指標(biāo)與測(cè)試結(jié)果

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對(duì)AC-13瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，確定其最佳油石比為4.8%，表5為AC-13瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配。

表5 AC-13瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配

2 基于CT圖像的玄武巖纖維長(zhǎng)度級(jí)配設(shè)計(jì)方法

2.1 瀝青混合料切面圖像的獲取與數(shù)字圖像處理

采用西門(mén)子電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)機(jī)對(duì)不摻玄武巖纖維的AC-13瀝青混合料馬歇爾試件的橫斷面進(jìn)行CT掃描。每間隔6 mm進(jìn)行逐層掃描，每個(gè)試件共掃描10次，獲得10張不同層位處瀝青混合料CT圖像，并通過(guò)MATLAB軟件對(duì)所獲得的切面圖像進(jìn)行處理。數(shù)字圖像處理過(guò)程如圖2所示。首先，對(duì)原始圖像(見(jiàn)圖2a)進(jìn)行直方圖均衡化處理，增強(qiáng)使圖像各灰度級(jí)的比例更加均衡(見(jiàn)圖2b)；然后，通過(guò)中值濾波在保護(hù)圖像邊緣信息的同時(shí)去除噪聲，使圖像骨料邊界更為清晰(見(jiàn)圖2c)，有效過(guò)濾一些細(xì)小的顆粒；最后，運(yùn)用圖像分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像的二值化(見(jiàn)圖2d)，保留了原始圖像信息，區(qū)分了礦料與礦料間隙。

(a) 原始圖像

2.2 礦料間隙主軸長(zhǎng)度的提取與設(shè)計(jì)結(jié)果

瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的性能很大程度上受到玄武巖纖維的影響。在瀝青混合料中，其骨架的優(yōu)劣對(duì)瀝青混合料的力學(xué)以及路用性能有很大的影響。正是由于不同長(zhǎng)度玄武巖纖維在瀝青混合料骨架中通過(guò)瀝青砂漿內(nèi)部相互搭接，構(gòu)成了加筋網(wǎng)絡(luò)，從而起到了抵抗荷載和應(yīng)力傳遞的作用。而玄武巖纖維是否能夠在瀝青混合料骨架內(nèi)部形成加筋網(wǎng)絡(luò)，很大程度上取決于玄武巖纖維能否通過(guò)瀝青砂漿內(nèi)部的最長(zhǎng)路徑(礦料間隙最長(zhǎng)軸)，因此，所添加的玄武巖纖維的長(zhǎng)度應(yīng)略長(zhǎng)于礦料間隙最長(zhǎng)軸[15]。

瀝青混合料的礦料間隙長(zhǎng)度中摻入合適長(zhǎng)度的玄武巖纖維將顯著影響瀝青混合料的性能，本文選取礦料間隙主軸長(zhǎng)度作為細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響顯著的截面特征參數(shù)。使用Image Pro Plus軟件對(duì)瀝青混合料二值化圖像的礦料間隙主軸長(zhǎng)度進(jìn)行提取，如圖3所示。首先，在二值化圖像中選取礦料間隙，即圖3a中綠色線條包圍的部分；然后，選擇需要測(cè)量的特征參數(shù)，此處為礦料間隙最長(zhǎng)軸，即圖3b中紅色部分；最后，如圖3c所示，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，包括分離圖像邊緣的黏連部分與剔除圖像中粒徑在2.36 mm以下的顆粒。

(a)礦料間隙選取圖

選取試件1中經(jīng)過(guò)處理得到的CT圖像進(jìn)行礦料間隙最長(zhǎng)軸測(cè)量計(jì)算，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將得到的所有顆粒數(shù)量結(jié)果按3 mm間隔分為3組，分組間距分別為0～3 mm、3～6 mm和6～9 mm。對(duì)試件2、試件3和試件4按照上述方法操作計(jì)算，每個(gè)試件選取10張截面圖像，總計(jì)40張截面圖像，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 礦料間隙最長(zhǎng)軸分布頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將提取的礦料間隙主軸長(zhǎng)度按照不同區(qū)間排列。由于所添加的玄武巖纖維長(zhǎng)度應(yīng)略長(zhǎng)于礦料間隙最長(zhǎng)軸，確定3 mm、6 mm和9 mm長(zhǎng)度玄武巖纖維的數(shù)量分別為礦料間隙最長(zhǎng)軸分組間距在區(qū)間(0，3)、[3，6)、[6，9)的數(shù)量。因此，由表5可得：3 mm、6 mm和9 mm這3種的長(zhǎng)度玄武巖纖維最佳質(zhì)量比為1 136∶2 884∶1 207≈2∶5∶2，因此，可確定3 mm、6 mm和9 mm這3種長(zhǎng)度的AC-13級(jí)配玄武巖纖維最佳摻配比例為2∶5∶2。

3 混合長(zhǎng)度玄武巖纖維瀝青混合料性能正交試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)方法，選取玄武巖纖維摻量為0.3%，長(zhǎng)度為3 mm、6 mm和9 mm玄武巖纖維，分別涉及3個(gè)因素，分別設(shè)計(jì)1份、2份共2種水平。選用正交表L4(23)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，加上不摻玄武巖纖維的對(duì)照組以及上文得出的玄武巖摻配比例(2∶5∶2)，具體方案如表7所示。

表7 AC-13瀝青混合料試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

3.2 高溫穩(wěn)定性能

本文根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，采用車(chē)轍試驗(yàn)與單軸貫入試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的性能，分別以動(dòng)穩(wěn)定度、貫入應(yīng)力兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料在高溫環(huán)境中抵抗永久變形的能力。高溫穩(wěn)定性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示，圖4a為各試驗(yàn)組高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖4b為各試驗(yàn)組單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

(a)高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可得：在AC-13級(jí)配瀝青混合料中，摻入玄武巖纖維的瀝青混合料與不摻纖維的瀝青混合料相比，其動(dòng)穩(wěn)定度與貫入強(qiáng)度有較明顯的提高。如圖4a所示，動(dòng)穩(wěn)定度提高效果最好的為試驗(yàn)方案Ⅵ(即長(zhǎng)度級(jí)配設(shè)計(jì)組)，其動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)了約21.1%。與試驗(yàn)方案Ⅵ相比，試驗(yàn)方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ的動(dòng)穩(wěn)定度提高效果略差，在所有試驗(yàn)方案中，對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的提高效果最差的為試驗(yàn)方案Ⅳ。如圖4b所示，貫入強(qiáng)度提高效果最好的為試驗(yàn)方案Ⅵ(即長(zhǎng)度級(jí)配設(shè)計(jì)組)，其貫入強(qiáng)度增長(zhǎng)了約28.9%。與試驗(yàn)方案Ⅵ相比，試驗(yàn)方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ的貫入強(qiáng)度提高效果略差，在所有試驗(yàn)方案中，對(duì)貫入強(qiáng)度的提高效果最差的為試驗(yàn)方案Ⅳ?？梢园l(fā)現(xiàn)，摻入的玄武巖纖維中，6 mm長(zhǎng)度玄武巖纖維占據(jù)的比例對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能影響較大，隨著其比例的上升，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性也隨之上升。如圖4所示，6 mm長(zhǎng)度玄武巖纖維摻量比例最大的試驗(yàn)方案Ⅵ高溫穩(wěn)定性最佳，而在所有試驗(yàn)方案組中，6 mm長(zhǎng)度玄武巖纖維摻量比例最小的試驗(yàn)方案Ⅳ高溫穩(wěn)定性最差。

3.3 低溫抗裂性能

本文使用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

(a) 瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度

由圖5可知：摻加玄武巖纖維后，AC-13級(jí)配瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均有所上升，彎曲勁度模量均有所降低，這說(shuō)明在瀝青混合料中加入增韌作用的玄武巖纖維能夠明顯增強(qiáng)瀝青混合料的柔韌性，以達(dá)到提升混合料低溫抗開(kāi)裂性能的作用。因?yàn)樾鋷r纖維與瀝青膠漿、集料相互攪拌，最終形成一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上可耗散一部分應(yīng)力集中，從而抑制瀝青混合料裂縫的發(fā)展，有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。如圖5所示，試驗(yàn)方案Ⅵ(即長(zhǎng)度級(jí)配設(shè)計(jì)組)的低溫抗裂性能優(yōu)于其他組，其最大彎拉應(yīng)變與不摻加玄武巖纖維的試驗(yàn)方案Ⅰ相比，提高了39.3%左右，試驗(yàn)方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ提高效果略差。

圖6 IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)性能測(cè)試結(jié)果

3.4 IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)

對(duì)6種試驗(yàn)方案的瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，根據(jù)開(kāi)裂指標(biāo)CTindex評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能，每組試驗(yàn)取4個(gè)平行試件，各試驗(yàn)組IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：在AC-13級(jí)配中，摻入玄武巖纖維的瀝青混合料與不摻纖維的瀝青混合料相比，開(kāi)裂指標(biāo)CTindex有較明顯的提高。不摻玄武巖纖維的試驗(yàn)方案Ⅰ的CTindex為240.31，試驗(yàn)方案Ⅵ(即長(zhǎng)度級(jí)配設(shè)計(jì)組)的CTindex為594.90，可以發(fā)現(xiàn)其CTindex提高147.56%左右，提高效果最好，而試驗(yàn)方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ對(duì)CTindex的提高幅度明顯小于試驗(yàn)方案Ⅵ。

3.5 半圓彎拉試驗(yàn)

對(duì)6種試驗(yàn)方案的瀝青混合料進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

(a)斷裂能Gf

由圖7可知：與不摻玄武巖纖維的試驗(yàn)方案Ⅰ相比，摻加玄武巖纖維的試驗(yàn)方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的斷裂能Gf均有所提高，這表明玄武巖纖維提高了瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能，而且能夠大幅延緩裂縫的擴(kuò)展速率。其中，試驗(yàn)方案Ⅵ(即長(zhǎng)度級(jí)配設(shè)計(jì)組)的斷裂能Gf最大，與不摻玄武巖纖維的試驗(yàn)方案Ⅰ相比，其斷裂能Gf提高約21.9%，而試驗(yàn)方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ對(duì)斷裂能Gf的提高幅度明顯小于試驗(yàn)方案Ⅵ。這表明玄武巖纖維摻配比例為2∶5∶2的AC-13瀝青混合料與其他試驗(yàn)方案組相比，能夠承受更大的能量。

4 灰靶分析

采用車(chē)轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)、半圓彎拉試驗(yàn)指標(biāo)作為矩陣計(jì)算依據(jù)，綜合評(píng)定3種長(zhǎng)度玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響。

4.1 構(gòu)建矩陣

本文采用3種長(zhǎng)度的玄武巖纖維對(duì)AC-13進(jìn)行改性，同時(shí)選用不摻纖維AC-13作為對(duì)照組，一共可獲得6種方案，M={A1，A2,…,Am}，m=6。每種組合均有8個(gè)指標(biāo)，記作P={DS、Rτ、RB、εB、SB、CTIndex、Gf、FI}。根據(jù)M和P構(gòu)建矩陣X=(xij)m×n，xij為第i個(gè)方案的第j個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)。

4.2 規(guī)范化矩陣

根據(jù)灰靶理論，對(duì)于效益型指標(biāo)(越大越好)，無(wú)量綱化公式為：

yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj),j=1,2,…,n，

(1)

其中：yij為第i個(gè)試驗(yàn)計(jì)劃下第j個(gè)參數(shù)的值；maxxj為第j個(gè)指標(biāo)中的最大值；minxj為第j個(gè)指標(biāo)中的最小值。采用式(1)計(jì)算規(guī)范化矩陣，如下所示。

4.3 權(quán)重確定

定義Hj為第j個(gè)指標(biāo)的熵，可表示為：

(2)

(3)

且假定fij=0時(shí),fijln(fij)=0。

熵權(quán)(Wj)可表示為：

(4)

根據(jù)式(2)計(jì)算各指標(biāo)的Hj：

根據(jù)式(4)計(jì)算各指標(biāo)的Wj，并構(gòu)造熵權(quán)矩陣Wj為：

4.4 優(yōu)化選擇

(Ⅰ)求屬性矩陣

將矩陣Y化成屬性矩陣R，可表示為：

R=Y×Wj。

(5)

(Ⅱ)求理想點(diǎn)

理想點(diǎn)(P)可表示為P=[p1，p2,…,pn]。其中，pj=max{rij|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}在矩陣中選出理想點(diǎn)P，即P=[0.11 0.11 0.11 0.08 0.23 0.09 0.13]。

(Ⅲ)求距離

計(jì)算每個(gè)方案到理想點(diǎn)的距離L，有L=[l1,l2,…,lm]，其中：

(6)

計(jì)算得L=[0.120 6 0.064 4 0.064 4 0.057 5 0.006 4 0.001 6]，L6

(Ⅳ)結(jié)果分析

根據(jù)灰靶理論分析可以得出，玄武巖纖維摻配比例為2∶5∶2的AC-13瀝青混合料與其他試驗(yàn)方案組相比，到理想點(diǎn)的距離最小，明顯優(yōu)于其他比例和不摻纖維的組合，與性能試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果相符合。

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用CT掃描技術(shù)獲取切面圖像，利用MATLAB軟件編寫(xiě)圖像處理程序，對(duì)瀝青混合料初始試件的CT圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、中值濾波去噪和二值化處理。

(2)礦料間隙主軸長(zhǎng)度顯著影響混合長(zhǎng)度玄武巖纖維在瀝青混合料中的摻配比例。

(3) 3 mm、6 mm和9 mm這3種長(zhǎng)度的AC-13級(jí)配玄武巖纖維最佳摻配比例為2∶5∶2。與不摻玄武巖纖維相比，此比例搭配下的玄武巖纖維瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和貫入強(qiáng)度分別提高了21.1%和28.9%，低溫性能提高了39.3%，CTindex指標(biāo)和斷裂能分別提高了147.56%和21.9%。

(4)混合長(zhǎng)度玄武巖纖維與不摻玄武巖纖維對(duì)AC-13級(jí)配瀝青混合料性能提升效果為L(zhǎng)6