基于響應曲面法的玄武巖纖維-巖瀝青混合料路用性能研究

鄧強民

(湖南省高速公路集團有限公司,湖南 長沙 410000)

0 引 言

截至2021年底,我國高速公路里程已達16.91萬km,而公路養護里程高達525.16萬km,占公路總里程比重為99.4%,瀝青路面頻繁損壞是導致公路養護任務繁重的主要因素[1]。為滿足新形勢下對安全、便捷、高效交通運輸建設的需求,有效提升瀝青路面結構的路用性能,顯著延長路面結構的服役壽命,已成為我國路面結構發展的重大需求和必然趨勢[2]。

天然巖瀝青是瀝青與礦物質的混合物,具有聚合程度高、與基質瀝青配伍特性好及制備工藝簡便等優點[3],其作為性質優良的瀝青改性劑而廣泛應用[4]。王修山等[5]利用巖瀝青和環氧樹脂復合改性RAP料,結果表明巖瀝青可有效改善再生瀝青混合料的高溫性能,提高RAP舊料的利用率;Yan等[6]研究發現巖瀝青可通過促進基質瀝青的交聯聚合,優化瀝青分子網狀結構排列,提升瀝青膠漿的黏結力和抗老化性能。黃衛東等[7]利用漢堡車轍試驗,分析了水-熱耦合作用下膠粉-巖瀝青混合料的抗蠕變速率和總變形速率,研究表明巖瀝青可極大地提高TB改性瀝青混合料在水-熱作用下的高溫性能。盡管巖瀝青在改善瀝青路面性能方面優點十分突出,但在工程應用中也暴露出低溫性能不足的缺點[8],基于此,依托湖南省衡棗高速公路大修工程(衡陽-棗木鋪),開展玄武巖纖維-巖瀝青混合料的路用性能研究,將玄武巖纖維(BF)作為增強材料,充分利用BF的橋接、加筋和分散應力的作用[9],化解巖瀝青對路面結構低溫性能產生的不利影響,通過響應曲面法制備BF和巖瀝青復合增強的瀝青混合料試件,分析不同摻量的玄武巖纖維和巖瀝青對瀝青混合料路用性能影響的規律。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

基質瀝青選用克拉瑪依90#道路石油瀝青,其主要技術指標如表1所示;巖瀝青選用雜質含量少、聚合程度高的新疆烏爾禾巖瀝青,其技術性能指標如表2所示;玄武巖纖維為短切絲,主要技術指標如表3所示;粗、細集料均為玄武巖碎石,填料為玄武巖磨細的礦粉,其各項性能均滿足公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)的要求。

表1 基質瀝青的主要技術指標

表2 巖瀝青的技術指標

表3 玄武巖纖維的主要技術指標

1.2 試驗方法

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的相關規定,對不同巖瀝青和玄武巖纖維摻量下的瀝青混合料試件,分別開展漢堡車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和四點彎曲疲勞試驗,系統評價分析巖瀝青和玄武巖纖維復合增強作用下瀝青路面結構的路用性能。其中,礦料配合比設計取《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中的AC-13型的級配范圍中值;巖瀝青采用外摻法將其與基質瀝青進行高溫融合剪切,摻量分別為4.0%、6.0%和8.0%(占基質瀝青的質量百分數);玄武巖纖維采用內摻法直接加入到混合料中,摻量分別為0.2%、0.4%和0.6%(占瀝青混合料的質量百分數)。

2 基于曲面響應法的BF-巖瀝青配合比設計

2.1 Box-Behnken 法試驗設計

采用響應曲面法研究玄武巖纖維和巖瀝青兩個變量,以A(巖瀝青摻量)和B(BF摻量)為自變量,以動穩定度、抗彎拉強度、最大彎拉應變、浸水馬歇爾殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比和疲勞壽命等為響應值,在中心復合設計(CCD)模式下進行兩因素三水平試驗設計和實施,試驗因素水平及其編碼水平如表4所示,試驗結果如表5所示。

表4 試驗因素水平及其編碼水平

表5 試驗設計及結果

2.2 有效性分析

采用Design-Expert計算軟件對動穩定度、抗彎拉強度、最大彎拉應變、浸水馬歇爾殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比和疲勞壽命等指標進行響應面擬合,計算獲取的兩個因素與響應值之間的二次回歸方程式如公式(1)～公式(6)所示。通過對6個回歸方程進行方差分析,有效性分析過程與結果見表6所示。

表6 方差分析

Y1=3 371.733 87+361.992 03A+

1 604.823 32B

(1)

Y2=11.93-0.420 3A+0.658 7B+

0.252 5AB-0.230 2A2-0.332 7B2

(2)

Y3=3 450.4-121.64A+173.64B+

59.75AB-36.89A2-69.39B2

(3)

Y4=91.14+0.027 9A+2.79B+

0.655AB-0.405 5A2-2.74B2

(4)

Y5=88.87+0.392A+2.22B-0.22AB-

0.121 2A2-1.31B2

(5)

Y6=674 500-9 435.44A+19 432.51B+

8 522.25AB-1 136.4A2-9 557.65

(6)

式中:A為巖瀝青摻量,%;B為玄武巖摻量,%。Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6為響應指標,分別是動穩定度,(次·mm);抗彎拉強度,MPa;最大彎拉應變,με;浸水馬歇爾殘留穩定度,%;凍融劈裂殘留強度比,%;疲勞壽命,次。

模型P值代表概率,指代一件事情發生可能性的大小,統計學根據顯著性檢驗方法所得到的P值,一般會認為P<0.01表示影響極顯著,0.01≤P≤0.05表示影響顯著,P>0.05表示影響不顯著[10];失擬項P表示預測值與實際值的差異程度,反映建立的預測模型與實際值的擬合程度。由表6可以看出,回歸預測模型的F值均大于臨界值,且在回歸模型中P<0.01,這反映了基于試驗測得的數據與模型預測數值之間的高度擬合性,建立的預測模型均能達到影響極顯著水平。

3 玄武巖纖維-巖瀝青混合料路用性能分析

3.1 高溫穩定性

通過漢堡車轍試驗分析不同摻量下玄武巖纖維-巖瀝青混合料的高溫穩定性,結果如圖1所示。

圖1 車轍試驗結果

由圖1可以看出,在纖維摻量保持不變時,隨著巖瀝青摻量的增加,瀝青混合料的動穩定度逐漸增大,這是由于摻入新疆巖瀝青后,混合料的整體性和抗車轍能力得到明顯提高,其原因在于巖瀝青富含大量的瀝青質、芳香分和飽和分,巖瀝青的逐漸添加,改變了瀝青分子的聚集狀態,增強了瀝青的膠團極性。另外,當環境溫度升高時,巖瀝青分子之間的大膠束破裂,在破裂斷面位置產生新的活性點,會促使瀝青分子團結構向“半聚合”狀態轉變,這種結構增強了瀝青膠漿的黏性,使集料與瀝青膠漿的相互作用得到加強,從而提高瀝青混合料的整體性和抗高溫變形能力。同時,玄武巖纖維的添加進一步提高了瀝青混合料的高溫性能,當巖瀝青為6.0%時,隨著BF摻量的增大,混合料的動穩定度增大了7.8%,而越過0.5%纖維摻量峰值后,動穩定度增長幅度逐漸趨緩,這表明適量的玄武巖纖維可在混合料中穿插形成三維網狀結構,起到固定、加筋集料的作用,進一步提高了礦料骨架的整體穩定性,但纖維摻量過高時,BF可能發生團結、沉聚,在聚集處與混合料的結合強度弱化,對其高溫性能產生不利影響,因此,當巖瀝青摻量為8.0%、玄武巖纖維摻量為0.5%時,復合增強瀝青混合料的高溫性能效果最佳。

3.2 低溫抗裂性

通過低溫小梁彎曲試驗,分析評價玄武巖纖維-巖瀝青符合增強瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗結果如圖2所示。

圖2 低溫小梁彎曲試驗結果

由圖2可以看出,不同摻量的玄武巖纖維-巖瀝青混合料的最大彎拉應變均滿足大于2 500的要求,但當BF摻量一定時(以0.2%時為例),隨著巖瀝青摻量的增大,瀝青混合料的抗彎拉強度和彎曲應變逐漸降低,在巖瀝青摻量由4.0%增加至8.0%的過程中,抗彎拉強度及彎曲應變分別降低了12.3%和10.7%,隨著巖瀝青的逐漸添加,改性瀝青膠漿中瀝青質的含量增大,相較于基質瀝青,輕質組分含量降低,低溫環境下瀝青變硬變脆,延展性變弱,導致混合料的低溫抗裂性能降低。與之不同的是巖瀝青摻量一定時,隨著玄武巖纖維摻量的增加,瀝青混合料的抗彎拉強度和彎曲應變均有一定程度的提高,這主要是由于BF的加筋、錨固和界面增強等作用,有效抵抗外力作用下的集料之間相互滑移,極大地限制了微裂縫的萌生與發展,使材料發生斷裂需克服更多的功,從而提高混合料的低溫抗裂性能,而進一步增大BF摻量時,抗彎拉強度和彎曲應變則呈現下降的趨勢,這表明BF摻量過高會發生纏結、團聚,易產生受力薄弱區,削弱瀝青混合料的低溫性能。

3.3 水穩定性

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,評價玄武巖纖維-巖瀝青混合料的水穩定性,試驗結果如圖3所示。

圖3 浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗結果

由圖3可以看出,添加不同比例的玄武巖纖維和巖瀝青后,瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均滿足規范規定的要求,隨著BF和巖瀝青摻量的增加,一定范圍內混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均呈現增大的趨勢,當摻量為0.42%BF+5.96%巖瀝青時,瀝青混合料殘留穩定度達到最高值為94.21%,當摻量為0.42%BF+6.05%巖瀝青時,混合料的凍融劈裂強度比最高,其值為88.83%,這說明玄武巖纖維和巖瀝青的組合摻配提高了瀝青混合料的水穩定性。其原因在于兩個方面,一是巖瀝青富含大量的氮元素,且以官能團的形式存在,使瀝青黏度增大,抗氧化性增強,極大地改善了瀝青與集料間的黏附性和抗剝落能力;另一方面是BF的加入,使瀝青被緊密吸附裹附集料表面,纖維的加筋、增韌作用使得混合料的結構強度和穩定性得到大幅增強,在BF和巖瀝青的復合增強下,瀝青混合料的水穩定性得到明顯改善。

3.4 抗疲勞性

采用應力控制的四點彎曲疲勞試驗,評價玄武巖纖維-巖瀝青混合料的抗疲勞特性,水平拉應力為0.5,加載頻率為10 Hz,試驗溫度15 ℃,試驗結果如圖4所示。

圖4 四點彎曲疲勞試驗結果

由圖4可以看出,不同摻量下的玄武巖纖維-巖瀝青混合料抗疲勞性能均滿足規范要求,且隨著BF和巖瀝青摻量的增大,混合料的疲勞壽命有逐漸增大,當摻量為0.39%BF+5.96%巖瀝青時,其對混合料抗疲勞性能的提升效果最佳,這是由于添加的BF會在混合料中形成縱橫交錯的網狀結構,起到很好的加筋、橋接和錨固作用,并且可有效分散結構應力,增強混合料的結構強度,減緩和抑制裂縫的產生與發展,從而提高瀝青路面的抗疲勞損傷能力。

3.5 玄武巖纖維和巖瀝青最佳摻量確定

玄武巖纖維和巖瀝青最佳摻量是基于動穩定度、抗彎拉強度、最大彎拉應變、浸水馬歇爾殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比和疲勞壽命等響應指標最優化,采用Design-Export軟件對試驗結果進行計算預測所得,玄武巖纖維和巖瀝青的最佳摻量分別為0.495%和7.6%,為了進一步驗證此最佳摻量的準確性,以預測結果中的A=0.495%、B=7.6%為試驗條件,將路用性能的實測值和預測值進行對比,結果如表7所示。

表7 最佳摻量試驗預測結果及實測結果

從表7可以看出,基于動穩定度、抗彎拉強度、最大彎拉應變、浸水馬歇爾殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比和疲勞壽命等響應指標的模型預測準確度分別為99.52%、98.47%、99.20%、99.63%、98.91%和98.19%,計算準確度均大于98%,這說明利用響應面法可有效表達玄武巖纖維和巖瀝青摻量對混合料路用性能的影響,計算獲取的玄武巖纖維和巖瀝青最佳摻量具備合理性與可靠性。

4 結 論

基于響應面法優化玄武巖纖維和巖瀝青的配比,系統分析了玄武巖纖維-巖瀝青混合料的路用性能,主要結論如下。

(1)玄武巖纖維和巖瀝青的復合增強作用,可顯著提升瀝青混合料的高溫性能、水穩定性和抗疲勞特性,且適量的玄武巖纖維可有效化解巖瀝青對混合料低溫性能帶來的不利影響。

(2)利用響應曲面法表達玄武巖纖維-巖瀝青混合料的路用性能具有良好的可行性,通過計算獲得玄武巖纖維和巖瀝青的最佳摻量分別為0.495%和7.6%,在此摻量下,瀝青混合料表現出優良的路用性能。