孔賀譽，吳 星，康愛紅, 2，張永健，范 釗，王本帥

(1. 揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2. 江蘇省玄武巖纖維復合建筑材料工程研究中心，江蘇 揚州 225127；3. 江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 210049)

0 引言

瀝青路面是中國高等級道路的主要鋪面形式[1-2]，但日益增加的交通荷載以及極端的環(huán)境條件，對瀝青路面材料性能提出了更高的要求[3-4]。傳統(tǒng)的木質(zhì)素纖維改性瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(lignin fiber modified stone matrix asphalt-13, LFSMA-13)被廣泛應用于瀝青路面的上面層，然而其仍然經(jīng)受著各種各樣的路面病害[5-6]。其中，開裂病害的影響較大，因為其容易導致應力集中的現(xiàn)象[7-8]，從而誘導出其他病害形式。

玄武巖纖維作為一種綠色環(huán)保的高強度材料[9-10]，越來越多的學者開始將其使用在不同級配瀝青混合料中以增強其混合料的性能[11-12]。文獻[13-14]研究表明：玄武巖纖維可以較好地增強瀝青混合料的路用性能。然而，關(guān)于玄武巖纖維改性瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(basalt fiber modified stone matrix asphalt-13, BFSMA-13)的長期性能的研究以及玄武巖纖維在瀝青混合料中的增強作用機理的研究卻很少。

理想開裂試驗(ideal cracking test, IDEAL-CT)是近幾年提出的一種較為科學可靠的混合料開裂測試手段[15-16]。同時，美國州公路及運輸協(xié)會(American state highway and transportation association, AASHTO)提出了關(guān)于瀝青混合料室內(nèi)模擬老化試驗的規(guī)范[17-18]，因此本文采用其提出的室內(nèi)模擬老化試驗對不同老化程度的瀝青混合料進行成型與開裂性能測試。目前，關(guān)于玄武巖纖維的增強作用機理的研究主要集中于掃描電鏡觀測等手段，以揭示玄武巖纖維在混合料中的物理三維網(wǎng)狀分布[19-20]情況。有研究表明，紅外光譜分析有助于深入了解有機及無機材料的化學官能團含量[21-22]，且可以在一定程度上反映材料的性能，因此可以采用紅外光譜分析玄武巖纖維在瀝青混合料老化過程中對瀝青材料的化學官能團含量的影響，從而反映玄武巖纖維對瀝青材料的抗老化性能的影響。

因此，為更深入地研究老化對混合料性能的影響作用機理以及BFSMA-13瀝青混合料中的增強作用機理，本文從分析化學官能團的角度對玄武巖纖維在瀝青瑪蹄脂瀝青混合料(stone matrix asphalt-13, SMA-13)瀝青混合料中的增強作用機理進行了闡釋。建立基于紅外光譜官能團參數(shù)與混合料開裂性能的預測模型。本研究有利于更快地對玄武巖纖維瀝青混合料的開裂性能進行預測分析，從而有助于養(yǎng)護干預的及時實施，以達到更耐久、更可靠的路面行車目的。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究使用由鎮(zhèn)江天諾道路材料科技有限公司提供的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer, SBS)改性瀝青，其主要技術(shù)性能指標如表1所示。本文所用的木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維主要技術(shù)性能指標如表2所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)性能指標

表2 纖維主要技術(shù)性能指標

1.2 級配設(shè)計

本文采用馬歇爾級配設(shè)計方法對玄武巖纖維及木質(zhì)素纖維進行級配設(shè)計，具體的SMA-13級配、玄武巖纖維及木質(zhì)素纖維改性SMA-13混合料的級配設(shè)計結(jié)果如表3和表4所示。依據(jù)之前的工程實踐及研究結(jié)果，玄武巖纖維摻量定為0.4%(質(zhì)量分數(shù))，木質(zhì)素纖維的摻量定為0.3%(質(zhì)量分數(shù))。為體現(xiàn)纖維對混合料性能的影響，采用同種級配，在進行油石比調(diào)試后，各項指標均滿足規(guī)范要求。由表4可知：木質(zhì)素纖維SMA-13的油石比偏大，這主要是由于木質(zhì)素纖維的比表面積較大，因此即使木質(zhì)素纖維摻量偏小，木質(zhì)素纖維SMA-13的瀝青用量依舊比玄武巖纖維SMA-13大。

表3 SMA-13級配設(shè)計

表4 纖維增強SMA-13級配設(shè)計結(jié)果

1.3 IDEAL-CT開裂試驗

圖1 IDEAL-CT測試力位移曲線示意圖

本文采用的開裂測試是美國材料實驗協(xié)會(American society for testing and materials, ASTM)提出的瀝青混合料理想開裂測試(IDEAL-CT)[23]，其可以反映瀝青混合料起裂階段以及裂縫擴展階段的特征參數(shù)。測試過程中的力位移曲線如圖1所示，其中，P100為峰值荷載所在點，PPP85代表峰值后荷載為85%峰值荷載所在點。本文采用的開裂參數(shù)為Winitial和CTIndex，其中：Winitial為開裂形成功；CTIndex為開裂指數(shù)，可以反映裂縫擴展速度。CTIndex的計算公式如下：

(1)

(2)

其中：Winitial為開裂形成功，即加載開始時的點至P100處的力位移曲線積分值大小，J；CTindex為理想開裂試驗指標；Gf為斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J，即整個測試階段的力-位移曲線積分值大??；D為測試樣品直徑，為150 mm；t為測試樣品厚度，為62 mm；l75為峰值后荷載為75%峰值荷載處對應的位移大小，mm；|m75|是PPP85和PPP65連線處的斜率絕對值，mm。

1.4 紅外光譜試驗

本文選用直反式傅里葉紅外光譜測試儀，對不同老化程度的玄武巖纖維及木質(zhì)素纖維瀝青混合料中的瀝青材料進行紅外光譜分析。首先，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瀝青抽提儀進行不同混合料中的瀝青抽提工作，其中瀝青抽提采用的溶液為三氯乙烯溶液；然后，在專用的操作箱內(nèi)進行殘余的微量三氯乙烯成分的揮發(fā)；最后，將制備好的瀝青抽提樣品進行紅外光譜測試與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 開裂性能

圖2 IDEAL-CT測試結(jié)果

圖2為IDEAL-CT測試結(jié)果。由圖2可知：不同老化程度下，在測試樣品裂縫形成階段，BFSMA-13需要的功，即Winitial均大于LFSMA-13，這也說明了與木質(zhì)素纖維相比，玄武巖纖維可以在一定程度上增強裂縫在形成過程中的抵抗作用。在裂縫擴展階段，BFSMA-13的CTIndex參數(shù)也顯著大于LFSMA-13，這說明玄武巖纖維比傳統(tǒng)的木質(zhì)素纖維擁有更好的延緩裂縫擴展的能力。同時，在經(jīng)歷短期老化過程后，即模擬混合料攤鋪狀態(tài)下，BFSMA-13的Winitial降低了7.81%；在長期老化過程后，即模擬混合料攤鋪并服役5～7年狀態(tài)下，BFSMA-13的Winitial降低了13.1%。這組數(shù)據(jù)明顯小于LFSMA-13的10.74%和18.46%。同時，BFSMA-13的CTIndex在短期老化及長期老化后降低了約10.14%和15.89%，其降低程度幾乎是LFSMA-13的CTIndex指數(shù)的一半。由此可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維不僅可以增強傳統(tǒng)木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料的抗裂性能，同時可以在一定程度上增加其抗老化性能。因此，有必要對其抗老化性能的增強機理進行研究，在下一節(jié)，本文對所有混合料樣品進行瀝青抽提試驗，并測試分析其紅外光譜參數(shù)，對玄武巖纖維的增強及延緩老化機理進行分析，并建立了基于紅外光譜量化分析的混合料老化過程中的開裂參數(shù)預測分析模型。

2.2 紅外光譜分析

為進一步對玄武巖纖維延緩傳統(tǒng)木質(zhì)素纖維SMA-13的機理進行深入分析，本文使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瀝青抽提儀器對所有混合料測試樣品進行了瀝青組分的提取，并對其進行了傅里葉紅外光譜分析，瀝青材料紅外光譜如圖3所示。關(guān)于瀝青材料的紅外光譜分析，有學者采用羰基指數(shù)(carbonyl index, CI)來反映混合料的老化程度[24]，CI參數(shù)計算如式(3)所示。由于學者們認為1 376 cm-1甲基峰比較穩(wěn)定，因此選用甲基峰峰面積A1 367為參數(shù)的分母。本文同時選用瀝青中的亞砜基進行分析，其中亞砜基指數(shù)(sulfoxide index, SI)的計算也按照同種方式進行計算。由于本文采用的瀝青為SBS改性瀝青，其有兩個主要的成分，即反式丁二烯和苯乙烯，因此本文也選用反式丁二烯指數(shù)(trans-butadiene index, TBI)和苯乙烯指數(shù)(styrene index, STI)來進一步總結(jié)分析所有的紅外光譜圖譜參數(shù)，其中，SI、TBI、STI的計算公式分母均為A1 376，分子分別為亞砜基峰面積A1 030、反式丁二烯峰面積A966和苯乙稀峰面積A698。本文使用OMNIC32軟件對所有紅外光譜圖譜進行量化分析后，以LFSMA-13未老化的情況為例，其在1 700 cm-1峰位處的特征峰面積A1 700為6.236，在1 376 cm-1峰位處的特征峰面積A1 376為145.334，按照式(3)計算得到其CI指數(shù)為0.042 908，得到的分析結(jié)果如表5所示。由于羰基指數(shù)可以在一定程度上反映瀝青材料的老化程度，由表5中CI指數(shù)可知：在混合料的長期老化階段，玄武巖纖維有助于延緩SMA-13瀝青混合料內(nèi)部瀝青材料的老化。

(a) BFSMA-13抽提樣品檢測數(shù)據(jù) (b) LFSMA-13抽提樣品檢測數(shù)據(jù)

(3)

其中：CI為瀝青材料羰基指數(shù)；A1 700為波長是1 700 cm-1處特征峰面積；A1 376為波長是1 376 cm-1處特征峰面積。

表5 纖維增強SMA-13級配設(shè)計結(jié)果

2.3 開裂性能參數(shù)預測模型建立

采用灰色關(guān)聯(lián)分析[25]方法來計算Winitial、CTindex與紅外光譜分析參數(shù)的關(guān)聯(lián)度大小。在進行灰色關(guān)聯(lián)分析時，首先將Winitial和CTindex歸類為目標數(shù)列，將所有的紅外光譜分析參數(shù)歸類為參考數(shù)列。按照歸一化對參考數(shù)列以及目標數(shù)列，按照未老化時所有數(shù)據(jù)進行歸一化處理以消除單位對數(shù)據(jù)的影響。然后，按照灰色關(guān)聯(lián)計算方法[26]對所有數(shù)據(jù)進行運算，得到Winitial和CTindex與不同紅外光譜參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度大小。由于本文選用的室內(nèi)混合料老化方式為規(guī)范確定的標準室內(nèi)模擬老化的3種老化程度，即未老化、短期老化和長期老化，因此本文可用3種老化程度下的3組參考數(shù)列數(shù)據(jù)來對應單組目標數(shù)列數(shù)據(jù)，即對開裂性能參數(shù)數(shù)列進行三元一次方程組的精確求解，而灰色關(guān)聯(lián)分析的目的就在于在4種不同的參數(shù)中，分別選擇出3種與Winitial或CTindex關(guān)聯(lián)度最大的紅外光譜參數(shù)對其進行預測分析。紅外光譜參數(shù)與開裂參數(shù)的具體關(guān)聯(lián)度如表6所示。由表6可知：對于木質(zhì)素纖維SMA-13來說，與其關(guān)聯(lián)度較大的為SI、TBI、STI；而對于玄武巖纖維SMA-13來說，與其開裂參數(shù)關(guān)聯(lián)度較大的為CI、TBI、STI。同時，從分析結(jié)果也可以看出：SBS瀝青的自身改性劑成分的紅外光譜參數(shù)與各開裂性能參數(shù)關(guān)聯(lián)度最大，因此SBS改性瀝青改性劑的組分變化對混合料開裂性能有著較大的影響。在分別選擇關(guān)聯(lián)度最大的3組紅外光譜參數(shù)后，具體的預測模型方程如式(4)～式(7)所示。在未來的研究中可以用更多的老化方式對其進行研究與分析，以獲得更精確的混合料開裂性能的預測分析方程。

CTindex=-347.67×SI-2 603.38×TBI+6 712.24×STI(LFSMA-13)；

(4)

CTindex=291.67×CI+1 148.41×TBI+396.51×STI(BFSMA-13)；

(5)

Winitial=-54.50×SI-531.84×TBI+1 240.01×STI(LFSMA-13)；

(6)

Winitial=39.71×CI+89.77×TBI+79.28×STI(BFSMA-13)。

(7)

表6 灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

2.4 纖維增強作用機理分析

為進一步對木質(zhì)素纖維以及玄武巖纖維在混合料中的增強作用機理進行分析，本文對木質(zhì)素纖維以及玄武巖纖維在瀝青膠漿中的微觀形貌進行了分析，如圖4所示。從圖4a中可以看出：木質(zhì)素纖維質(zhì)地較軟，呈卷曲纏繞狀態(tài)。從圖4b中可以明顯看出：玄武巖纖維質(zhì)地較硬，呈圓柱狀豎直狀態(tài)。有研究顯示玄武巖纖維的強度也顯著優(yōu)于木質(zhì)素纖維[27]，這主要是由于玄武巖纖維為一種礦物纖維，木質(zhì)素纖維為一種植物纖維。由于玄武巖纖維較好的高溫穩(wěn)定性及耐久性，其在混合料中可以獲得更好的延緩老化的效果。

(a) 木質(zhì)素纖維混合料微觀形貌(1∶100) (b) 玄武巖纖維混合料微觀形貌(1∶100)

圖5 纖維在混合料中增強作用機理分析

在纖維瀝青混合料模擬老化過程中，由于纖維瀝青混合料基體一直處于一種受熱狀態(tài)，且纖維和瀝青材料的耐熱性能不同，在受熱狀態(tài)下的相對變形能力也不同。文獻[28]采用纖維滑移理論對纖維瀝青復合材料在受力作用時進行了單根理想纖維在復合材料基體中的分布分析。本文借鑒此理論中的理想纖維分布狀態(tài)，對纖維瀝青混合料在老化過程中的增強作用機理進行初步分析，如圖5所示。在混合料老化過程中，瀝青材料會受熱膨脹，在溫度應力的作用下，纖維瀝青混合料基體中的瀝青膠漿成分會產(chǎn)生一定的溫度應力，其中溫度應力如圖5中小箭頭所示。在此過程中，纖維由于耐熱性及受熱狀態(tài)下的變形小于瀝青材料，因此會產(chǎn)生約束瀝青材料的溫度應力的反作用力。由于玄武巖纖維的熱穩(wěn)定性及強度優(yōu)于木質(zhì)素纖維，在混合料室內(nèi)模擬老化的過程中，玄武巖纖維可以產(chǎn)生更大的溫度應力的反作用力，以抵抗溫度應力的作用。這也就解釋了玄武巖纖維可以更好地延緩混合料老化程度的現(xiàn)象。因此，在未來的研究中，學者們可以通過對纖維的設(shè)計，更好地設(shè)計能夠同時滿足性能好，也能滿足長期性能優(yōu)異的纖維瀝青混合料。

3 結(jié)束語

(1)玄武巖纖維可以在一定程度上增強裂縫在形成過程中的抵抗作用。玄武巖纖維不僅可以增強傳統(tǒng)木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料的抗裂性能，同時可以在一定程度上增加其抗老化性能。

(2)玄武巖纖維有助于延緩SMA-13瀝青混合料內(nèi)部瀝青材料的老化，其在混合料中的抗老化作用優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

(3)對于木質(zhì)素纖維SMA-13來說，與其關(guān)聯(lián)度較大的為SI、TBI、STI參數(shù)；而對于玄武巖纖維SMA-13來說，與其開裂參數(shù)關(guān)聯(lián)度較大的為CI、TBI、STI參數(shù)。SBS瀝青的自身改性劑成分的紅外光譜參數(shù)與各開裂性能參數(shù)關(guān)聯(lián)度最大。

(4)從紅外光譜試驗中得到的瀝青材料特征峰可以較好地對混合料開裂性能進行預測，在工程實踐中，可以通過混合料中瀝青材料的紅外光譜檢測高效地對路面材料性能進行評測。