基于响应曲面法的玄武岩纤维-岩沥青混合料路用性能研究

邓强民

(湖南省高速公路集团有限公司,湖南 长沙 410000)

0 引 言

截至2021年底,我国高速公路里程已达16.91万km,而公路养护里程高达525.16万km,占公路总里程比重为99.4%,沥青路面频繁损坏是导致公路养护任务繁重的主要因素[1]。为满足新形势下对安全、便捷、高效交通运输建设的需求,有效提升沥青路面结构的路用性能,显著延长路面结构的服役寿命,已成为我国路面结构发展的重大需求和必然趋势[2]。

天然岩沥青是沥青与矿物质的混合物,具有聚合程度高、与基质沥青配伍特性好及制备工艺简便等优点[3],其作为性质优良的沥青改性剂而广泛应用[4]。王修山等[5]利用岩沥青和环氧树脂复合改性RAP料,结果表明岩沥青可有效改善再生沥青混合料的高温性能,提高RAP旧料的利用率;Yan等[6]研究发现岩沥青可通过促进基质沥青的交联聚合,优化沥青分子网状结构排列,提升沥青胶浆的黏结力和抗老化性能。黄卫东等[7]利用汉堡车辙试验,分析了水-热耦合作用下胶粉-岩沥青混合料的抗蠕变速率和总变形速率,研究表明岩沥青可极大地提高TB改性沥青混合料在水-热作用下的高温性能。尽管岩沥青在改善沥青路面性能方面优点十分突出,但在工程应用中也暴露出低温性能不足的缺点[8],基于此,依托湖南省衡枣高速公路大修工程(衡阳-枣木铺),开展玄武岩纤维-岩沥青混合料的路用性能研究,将玄武岩纤维(BF)作为增强材料,充分利用BF的桥接、加筋和分散应力的作用[9],化解岩沥青对路面结构低温性能产生的不利影响,通过响应曲面法制备BF和岩沥青复合增强的沥青混合料试件,分析不同掺量的玄武岩纤维和岩沥青对沥青混合料路用性能影响的规律。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

基质沥青选用克拉玛依90#道路石油沥青,其主要技术指标如表1所示;岩沥青选用杂质含量少、聚合程度高的新疆乌尔禾岩沥青,其技术性能指标如表2所示;玄武岩纤维为短切丝,主要技术指标如表3所示;粗、细集料均为玄武岩碎石,填料为玄武岩磨细的矿粉,其各项性能均满足公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

表1 基质沥青的主要技术指标

表2 岩沥青的技术指标

表3 玄武岩纤维的主要技术指标

1.2 试验方法

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的相关规定,对不同岩沥青和玄武岩纤维掺量下的沥青混合料试件,分别开展汉堡车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和四点弯曲疲劳试验,系统评价分析岩沥青和玄武岩纤维复合增强作用下沥青路面结构的路用性能。其中,矿料配合比设计取《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的AC-13型的级配范围中值;岩沥青采用外掺法将其与基质沥青进行高温融合剪切,掺量分别为4.0%、6.0%和8.0%(占基质沥青的质量百分数);玄武岩纤维采用内掺法直接加入到混合料中,掺量分别为0.2%、0.4%和0.6%(占沥青混合料的质量百分数)。

2 基于曲面响应法的BF-岩沥青配合比设计

2.1 Box-Behnken 法试验设计

采用响应曲面法研究玄武岩纤维和岩沥青两个变量,以A(岩沥青掺量)和B(BF掺量)为自变量,以动稳定度、抗弯拉强度、最大弯拉应变、浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比和疲劳寿命等为响应值,在中心复合设计(CCD)模式下进行两因素三水平试验设计和实施,试验因素水平及其编码水平如表4所示,试验结果如表5所示。

表4 试验因素水平及其编码水平

表5 试验设计及结果

2.2 有效性分析

采用Design-Expert计算软件对动稳定度、抗弯拉强度、最大弯拉应变、浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比和疲劳寿命等指标进行响应面拟合,计算获取的两个因素与响应值之间的二次回归方程式如公式(1)～公式(6)所示。通过对6个回归方程进行方差分析,有效性分析过程与结果见表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为岩沥青掺量,%;B为玄武岩掺量,%。Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6为响应指标,分别是动稳定度,(次·mm);抗弯拉强度,MPa;最大弯拉应变,με;浸水马歇尔残留稳定度,%;冻融劈裂残留强度比,%;疲劳寿命,次。

模型P值代表概率,指代一件事情发生可能性的大小,统计学根据显著性检验方法所得到的P值,一般会认为P<0.01表示影响极显著,0.01≤P≤0.05表示影响显著,P>0.05表示影响不显著[10];失拟项P表示预测值与实际值的差异程度,反映建立的预测模型与实际值的拟合程度。由表6可以看出,回归预测模型的F值均大于临界值,且在回归模型中P<0.01,这反映了基于试验测得的数据与模型预测数值之间的高度拟合性,建立的预测模型均能达到影响极显著水平。

3 玄武岩纤维-岩沥青混合料路用性能分析

3.1 高温稳定性

通过汉堡车辙试验分析不同掺量下玄武岩纤维-岩沥青混合料的高温稳定性,结果如图1所示。

图1 车辙试验结果

由图1可以看出,在纤维掺量保持不变时,随着岩沥青掺量的增加,沥青混合料的动稳定度逐渐增大,这是由于掺入新疆岩沥青后,混合料的整体性和抗车辙能力得到明显提高,其原因在于岩沥青富含大量的沥青质、芳香分和饱和分,岩沥青的逐渐添加,改变了沥青分子的聚集状态,增强了沥青的胶团极性。另外,当环境温度升高时,岩沥青分子之间的大胶束破裂,在破裂断面位置产生新的活性点,会促使沥青分子团结构向“半聚合”状态转变,这种结构增强了沥青胶浆的黏性,使集料与沥青胶浆的相互作用得到加强,从而提高沥青混合料的整体性和抗高温变形能力。同时,玄武岩纤维的添加进一步提高了沥青混合料的高温性能,当岩沥青为6.0%时,随着BF掺量的增大,混合料的动稳定度增大了7.8%,而越过0.5%纤维掺量峰值后,动稳定度增长幅度逐渐趋缓,这表明适量的玄武岩纤维可在混合料中穿插形成三维网状结构,起到固定、加筋集料的作用,进一步提高了矿料骨架的整体稳定性,但纤维掺量过高时,BF可能发生团结、沉聚,在聚集处与混合料的结合强度弱化,对其高温性能产生不利影响,因此,当岩沥青掺量为8.0%、玄武岩纤维掺量为0.5%时,复合增强沥青混合料的高温性能效果最佳。

3.2 低温抗裂性

通过低温小梁弯曲试验,分析评价玄武岩纤维-岩沥青符合增强沥青混合料的低温抗裂性能,试验结果如图2所示。

图2 低温小梁弯曲试验结果

由图2可以看出,不同掺量的玄武岩纤维-岩沥青混合料的最大弯拉应变均满足大于2 500的要求,但当BF掺量一定时(以0.2%时为例),随着岩沥青掺量的增大,沥青混合料的抗弯拉强度和弯曲应变逐渐降低,在岩沥青掺量由4.0%增加至8.0%的过程中,抗弯拉强度及弯曲应变分别降低了12.3%和10.7%,随着岩沥青的逐渐添加,改性沥青胶浆中沥青质的含量增大,相较于基质沥青,轻质组分含量降低,低温环境下沥青变硬变脆,延展性变弱,导致混合料的低温抗裂性能降低。与之不同的是岩沥青掺量一定时,随着玄武岩纤维掺量的增加,沥青混合料的抗弯拉强度和弯曲应变均有一定程度的提高,这主要是由于BF的加筋、锚固和界面增强等作用,有效抵抗外力作用下的集料之间相互滑移,极大地限制了微裂缝的萌生与发展,使材料发生断裂需克服更多的功,从而提高混合料的低温抗裂性能,而进一步增大BF掺量时,抗弯拉强度和弯曲应变则呈现下降的趋势,这表明BF掺量过高会发生缠结、团聚,易产生受力薄弱区,削弱沥青混合料的低温性能。

3.3 水稳定性

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,评价玄武岩纤维-岩沥青混合料的水稳定性,试验结果如图3所示。

图3 浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验结果

由图3可以看出,添加不同比例的玄武岩纤维和岩沥青后,沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足规范规定的要求,随着BF和岩沥青掺量的增加,一定范围内混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈现增大的趋势,当掺量为0.42%BF+5.96%岩沥青时,沥青混合料残留稳定度达到最高值为94.21%,当掺量为0.42%BF+6.05%岩沥青时,混合料的冻融劈裂强度比最高,其值为88.83%,这说明玄武岩纤维和岩沥青的组合掺配提高了沥青混合料的水稳定性。其原因在于两个方面,一是岩沥青富含大量的氮元素,且以官能团的形式存在,使沥青黏度增大,抗氧化性增强,极大地改善了沥青与集料间的黏附性和抗剥落能力;另一方面是BF的加入,使沥青被紧密吸附裹附集料表面,纤维的加筋、增韧作用使得混合料的结构强度和稳定性得到大幅增强,在BF和岩沥青的复合增强下,沥青混合料的水稳定性得到明显改善。

3.4 抗疲劳性

采用应力控制的四点弯曲疲劳试验,评价玄武岩纤维-岩沥青混合料的抗疲劳特性,水平拉应力为0.5,加载频率为10 Hz,试验温度15 ℃,试验结果如图4所示。

图4 四点弯曲疲劳试验结果

由图4可以看出,不同掺量下的玄武岩纤维-岩沥青混合料抗疲劳性能均满足规范要求,且随着BF和岩沥青掺量的增大,混合料的疲劳寿命有逐渐增大,当掺量为0.39%BF+5.96%岩沥青时,其对混合料抗疲劳性能的提升效果最佳,这是由于添加的BF会在混合料中形成纵横交错的网状结构,起到很好的加筋、桥接和锚固作用,并且可有效分散结构应力,增强混合料的结构强度,减缓和抑制裂缝的产生与发展,从而提高沥青路面的抗疲劳损伤能力。

3.5 玄武岩纤维和岩沥青最佳掺量确定

玄武岩纤维和岩沥青最佳掺量是基于动稳定度、抗弯拉强度、最大弯拉应变、浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比和疲劳寿命等响应指标最优化,采用Design-Export软件对试验结果进行计算预测所得,玄武岩纤维和岩沥青的最佳掺量分别为0.495%和7.6%,为了进一步验证此最佳掺量的准确性,以预测结果中的A=0.495%、B=7.6%为试验条件,将路用性能的实测值和预测值进行对比,结果如表7所示。

表7 最佳掺量试验预测结果及实测结果

从表7可以看出,基于动稳定度、抗弯拉强度、最大弯拉应变、浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比和疲劳寿命等响应指标的模型预测准确度分别为99.52%、98.47%、99.20%、99.63%、98.91%和98.19%,计算准确度均大于98%,这说明利用响应面法可有效表达玄武岩纤维和岩沥青掺量对混合料路用性能的影响,计算获取的玄武岩纤维和岩沥青最佳掺量具备合理性与可靠性。

4 结 论

基于响应面法优化玄武岩纤维和岩沥青的配比,系统分析了玄武岩纤维-岩沥青混合料的路用性能,主要结论如下。

(1)玄武岩纤维和岩沥青的复合增强作用,可显著提升沥青混合料的高温性能、水稳定性和抗疲劳特性,且适量的玄武岩纤维可有效化解岩沥青对混合料低温性能带来的不利影响。

(2)利用响应曲面法表达玄武岩纤维-岩沥青混合料的路用性能具有良好的可行性,通过计算获得玄武岩纤维和岩沥青的最佳掺量分别为0.495%和7.6%,在此掺量下,沥青混合料表现出优良的路用性能。