摘 要：为探讨玄武岩纤维在重载路面中的路用性能及其路面结构的力学响应，对不同掺量玄武岩纤维沥青混合料与路面结构进行研究，通过高温稳定性、低温抗裂性、浸水马歇尔和冻融劈裂试验对玄武岩纤维SMA-13沥青混合料的高低温及水稳性能进行评价，并基于ABAQUS有限元程序对路面结构在累计荷载作用下的力学响应进行分析。结果表明：玄武岩纤维沥青混合料高温、低温、水稳性能要明显优于木质素纤维沥青混合料，最佳掺量为0.3%;玄武岩纤维沥青路面上面层变形量最大，且纤维对集中于中面层的车辙变形影响尤为显著。室内试验和有限元模拟结果表明，玄武岩纤维对SBS沥青路面的改善效果显著，且ABAQUS有限元程序在研究玄武岩纤维路面结构力学性能时能够起到良好的作用。
关键词：沥青混合料;玄武岩纤维;路用性能;力学响应;时间硬化蠕变模型;车辙预估;
基金：河北省高等学校科学技术研究项目2019青年基金项目，项目编号QN2019195;
近年来，随着交通量激增以及超载现象频发，沥青路面车辙与开裂现象愈发严重。聚合物纤维因其对沥青混合料性能改善效果优异而被公路建设领域普遍应用。纤维的加入不仅可以提高混合料的动态模量、黏弹性、抗车辙及抗开裂的能力，且对沥青玛蹄脂碎石混合料的改善效果尤为有效[1,2]。然而在外界环境作用下，木质素纤维、聚酯纤维易出现高温稳定性不足等问题[3]。基于此，玄武岩纤维因其良好的力学性能、稳定性、抗老化性，同时兼顾优异的表面浸润性和电热绝缘性，逐步作为一种新型纤维添加材料广泛应用于高速公路建设中[4,5]。
目前，玄武岩纤维在沥青路面中的应用得到了诸多关注。Pirmohammad等[6]通过断裂试验对玄武岩纤维沥青混合料的断裂韧性进行研究，发现纤维的最佳长度和掺量分别为4 mm和0.3%;Qin等[7]研究发现玄武岩纤维可以在沥青胶浆中形成稳定的三维网络，能够有效分散应力，抑制沥青胶浆的裂纹发展；李震南等[8]基于拉伸和弯曲试验对玄武岩纤维沥青胶浆和混合料的低温性能进行研究，得出改性后的沥青胶浆和混合料具有良好的高温、低温、水稳和抗疲劳性；Zhang等[2,9]研究发现玄武岩纤维可以提高沥青混合料的低温抗裂性能，但这种改善因玄武岩纤维掺量的变化而有所不同；何东坡等[10]研究表明，掺有6%玄武岩纤维的复合改性沥青高低温性能最佳；杨程程等[11]采用ABAQUS有限元软件对玄武岩纤维掺量、长径比和模量进行敏感性分析，发现纤维掺量对沥青混合料的弯拉性能影响最为显著。然而目前的研究主要集中于玄武岩纤维基质沥青混合料，对SBS-玄武岩纤维沥青混合料的路用性能及高温重载下路面结构的受力特征和力学响应未有全面的研究成果。
鉴于此，研究采用路用性能试验对玄武岩纤维沥青混合料的高低温及水稳性能进行评估，以研究不同掺量下混合料的路用性能；并通过ABAQUS软件构建有限元模型，探讨纤维改性沥青路面于高温重载作用下的力学响应与受力特征，旨在为纤维沥青路面的设计提供指导。
1 原材料及试验方案1.1原材料研究选用SBS(I-C)改性沥青，其技术指标见表1。玄武岩纤维、木质素纤维作为沥青改性剂，主要技术指标见表2。粗集料选用张家口产玄武岩石料，细集料和矿粉均为石灰岩。
表1 SBS(I-C)改性沥青技术指标
|
试验内容 |
规定值 |
实测值 |
|
针入度(25℃,100 g, 5 s)/0.1 mm |
60～80 |
74 |
|
软化点(TR& B)/℃ |
≥45 |
45.6 |
|
密度(15℃)/(g/cm3) |
实测值 |
1.026 |
|
质量变化/% |
±1 |
-0.18 |
|
老化针入度/0.1 mm |
≥60 |
68.7 |
|
延度(5 cm/min, 5℃)/cm |
≥30 |
41.5 |
|
老化延度/cm |
≥20 |
20.3 |
表2 纤维技术指标
|
项目 |
玄武岩纤维 |
木质素纤维 |
|
直径/mm |
0.012 |
0.045 |
|
长度/mm |
6.00 |
1.10 |
|
长径比 |
500 |
24 |
|
比表面积/(×10-3m2/g) |
74.7 |
118.1 |
|
密度/(g/cm3) |
2.69 |
1.06 |
|
抗拉强度/MPa |
1 900 |
N/A |
|
熔点/℃ |
1 500 |
>200 |
混合料制备：采用4.75 mm筛孔通过率为27%的SMA-13型级配，基于0.1%、0.3%、0.5%纤维掺量制备SMA-13玄武岩纤维沥青混合料试件，并以0.3%纤维掺量的木质素纤维沥青混合料试件为参照。
试验方案：通过高温车辙、低温弯曲、浸水马歇尔和冻融劈裂试验，对不同掺量下木质素及玄武岩纤维SMA-13沥青混合料的路用性能进行对比评价并研究其对混合料路用性能的影响规律；此外，基于沥青材料的蠕变特性，通过 ABAQUS软件建立纤维沥青路面有限元模型，以评价玄武岩纤维沥青路面在高温重载作用下的受力特征及响应状况。
2 时间硬化蠕变模型沥青混合料的永久变形εcr可表示为温度T、应力q、时间t的函数[12],即：
εcr=f(T,q,t) (1)
当应力恒定时，时间硬化蠕变模型可表示为[13]:
式中：C1、C2和C3为模型回归参数，通常限定C2≥0,C3≤1;A=C1C3,n=C2,m=C3-1。
3 有限元模型及参数3.1路面模型建立与荷载条件确定选择SMA-13半刚性沥青路面结构进行分析，面层结构如图1所示。利用ABAQUS建立路面结构二维实体模型，模型宽度选取一个车道宽度(3.70 m),路基深度方向取3 m; 模型以底面为固定端约束，上边界为自由面，左右边界X方向的位移均为零。路面的结构及边界条件如图2所示。
图1 半刚性沥青路面示意
图2 路面结构及边界条件示意
研究以重交通条件下高速公路的交通等级和设计速度为依据，在模型中施加恒定荷载以模拟荷载的重复作用，并按式(4)计算荷载累计作用时间[13,14]。车辙计算模型参数见表3。
t=0.36NPnωpBv (4)t=0.36ΝΡnωpBv (4)
式中：t为荷载累计作用时间，s; nω为轴轮数，个；p为轮胎接地压力，MPa; B为接地宽度，cm; v为行车速度，km/h; N为轮载作用次数，次；P为车辆轴重，kN。
3.2等效温度和路面温度场研究采用车辙有效温度建立路面结构温度场，进而对玄武岩纤维路面车辙进行研究。车辙有效温度可以根据式(5)、式(6)进行计算。面层的车辙有效温度如表4所示。
表3 车辙计算模型参数
|
参数 |
数值 |
参数 |
数值 |
|
行车速度/(km/h) |
80 |
轴载/kN |
100 |
|
单次加载作用时间×10−3s单次加载作用时间×10-3s |
8.64 |
接地宽度/cm |
18.6 |
|
轮胎接地长度/cm |
19.2 |
接地压力/MPa |
0.7 |
|
累计荷载作用时间/s |
172 811 |
累计标准轴载/(次/车道) |
2×107 |
式中：Teff为车辙有效温度，℃;Zcr为临界深度，mm; MAATdesign为设计温度，℃;MAATaverage为设计年平均温度，℃;Kα为可靠度水平；σMAAT为温度标准差，℃。
表4 车辙有效温度
|
沥青混合料 |
层厚/cm |
有效温度/℃ |
深度/cm |
|
SMA-13 |
5 |
44.14 |
1 |
|
41.73 |
3 | ||
|
39.36 |
5 | ||
|
AC-20 |
6 |
36.84 |
7 |
|
34.45 |
9 | ||
|
32.14 |
11 | ||
|
AC-25C |
7 |
29.85 |
13 |
|
27.24 |
15 | ||
|
24.83 |
17 | ||
|
22.64 |
19 |
采用抗压强度试验，测定不同温度条件下沥青混合料的弹性参数，针对SMA-13、AC-20、AC-25C不同面层进行模拟。不同温度下路面材料的弹性及蠕变参数见表5。
表5 弹性参数及蠕变参数
|
沥青混合料 |
温度/℃ |
蠕变参数 |
弹性参数 | ||||
|
A |
m |
n |
相关系数R2 |
泊松比μ |
回弹模量/MPa | ||
|
SMA-16 |
20 |
2.37×10-11 |
-0.529 |
0.411 |
0.943 8 |
0.25 |
870 |
|
30 |
4.71×10-9 |
-0.591 |
0.863 |
0.946 3 |
0.30 |
620 | |
|
40 |
2.46×10-7 |
-0.579 |
0.798 |
0.939 7 |
0.35 |
554 | |
|
50 |
7.08×10-6 |
-0.526 |
0.413 |
0.933 |
0.40 |
530 | |
|
60 |
2.91×10-5 |
-0.503 |
0.335 |
0.905 1 |
0.45 |
526 | |
|
AC-20 |
20 |
6.88×10-11 |
-0.597 |
0.939 |
0.927 3 |
0.25 |
910 |
|
30 |
4.21×10-10 |
-0.586 |
0.797 |
0.923 2 |
0.30 |
752 | |
|
40 |
6.62×10-8 |
-0.571 |
0.774 |
0.936 6 |
0.35 |
600 | |
|
50 |
4.40×10-6 |
-0.533 |
0.596 |
0.849 9 |
0.40 |
440 | |
|
60 |
9.23×10-5 |
-0.442 |
0.383 |
0.914 1 |
0.45 |
380 | |
|
AC-25C |
20 |
5.31×10-11 |
-0.592 |
0.921 |
0.938 1 |
0.25 |
1 031 |
|
30 |
3.24×10-9 |
-0.577 |
0.861 |
0.921 2 |
0.30 |
900 | |
|
40 |
2.49×10-8 |
-0.563 |
0.829 |
0.907 0 |
0.35 |
710 | |
|
50 |
2.05×10-6 |
-0.523 |
0.322 |
0.802 2 |
0.40 |
500 | |
|
60 |
4.62×10-5 |
-0.420 |
0.211 |
0.899 9 |
0.45 |
390 | |
|
水泥稳定碎石 |
— |
— |
— |
— |
— |
0.20 |
1 200 |
|
土基 |
— |
— |
— |
— |
— |
0.40 |
45 |
通过高温车辙试验测定各掺量下沥青混合料的动稳定度(DS),试验结果如图3所示。
由图3可以看出，玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度随纤维掺量增加而显著提升，表明玄武岩纤维可明显改善沥青混合料的高温稳定性。玄武岩纤维的掺量由0.1%变化至0.3%时，动稳定度由 6 266 次/mm提升至8 288次/mm, 增幅为32.3%;相较于掺量由0.3%变化至0.5%,增幅明显。这是由于低掺量时，玄武岩纤维充分吸附沥青，并稳定沥青中的油分，从而使沥青混合料的劲度显著提升；然而随着掺量的进一步增加，混合料动稳定度因受到玛蹄脂碎石混合料骨架密实结构的限制[15],故增幅缓慢。研究表明过多的玄武岩纤维对混合料的结构整体性影响较小，但其均匀性及分散性出现了较为明显的降低，因此仅从增幅角度来看，0.3%的玄武岩纤维掺量更具经济效益。
图3 SMA-13车辙试验动稳定度
对比同掺量下木质素纤维，玄武岩纤维沥青混合料的抗车辙性能更为显著。纤维改善效果依次为：0.5%玄武岩纤维>0.3%玄武岩纤维>0.3%木质素纤维>0.1%玄武岩纤维。这可能是由于低掺量下，木质素纤维主要通过其较大的比表面积来吸收沥青胶结料，进而形成稳定的网状胶结结构以增加其高温抗车辙能力；然而随着掺量增加，玄武岩纤维则因其较强的抗拉强度可形成具有高内聚力的“结构纤维沥青”,研究表明，相较于木质素纤维的网状胶结结构，矿物纤维组成的“纤维骨架”更具高温抗荷优势。
4.2低温抗裂性对不同掺量的木质素纤维和玄武岩纤维沥青混合料进行低温小梁弯曲试验，试验结果如图4所示。
由图4可以看出，各掺量玄武岩纤维混合料的破坏弯拉应变较0.3%木质素纤维沥青混合料分别提升了5.9%、17.3%和21.1%,其中0.1%玄武岩纤维沥青混合料破坏弯拉应变略高于0.3%木质素纤维，表明玄武岩纤维对沥青混合料的低温性能改善效果显著优于木质素纤维。这是由于加入玄武岩纤维后，纤维吸收沥青中的轻质组分并与集料一起形成较为稳定的三维网状结构，沥青劲度增大且混合料内部黏结力提升，使得弯拉应变伴随纤维掺量增大而提升；相较于木质素纤维，玄武岩纤维较强的抗拉强度及缠绕倾向也是致使其混合料具有较大弯拉应变的原因[16]。
图4 沥青混合料破坏应变
4.3水稳定性能对不同掺量的纤维沥青混合料进行冻融劈裂以及浸水马歇尔试验，以表征混合料试件在高温水浸泡和冷热水交替环境中的水稳定性，试验结果见图5。
图5 水稳定性试验
由图5可见，在SMA-13结构中，随着玄武岩纤维掺量的增加，冻融劈裂强度比(TSR)和残留稳定度均呈现显著提升的趋势。这是由于玄武岩纤维与沥青胶结料相互吸附，混合料密实性、饱和度提升，孔隙率随之减少，沥青与矿料之间不易被水分所渗入所致[15];玄武岩纤维的加筋作用也可减缓路面破坏变形的发生速率，进而提高了混合料对水循环和冻融循环的抵抗能力。
此外，0.3%和0.5%玄武岩纤维混合料的残留稳定度较木质素纤维分别提高5.9%和7.1%,而TSR提高了4.6%和5.9%。这说明随着掺量的增加，掺加玄武岩纤维的水稳性能相较木质素纤维提升明显。这是由于低掺量下，木质素由于其较大的比表面积可以充分吸收沥青中的轻质组分，减少混合料内部空隙，具有较好的水稳定性；然而，随着玄武岩掺量的增加，较为稳定的三维网状结构是致使其水稳性能迅速提升的另一原因。
4.4路面数值分析沥青路面车辙是由路面结构各层位的永久变形累积而成，基于时间硬化蠕变理论建立玄武岩纤维路面结构的有限元模型，路面结构经过172 811 s累积加载后的变形情况如图6所示。根据数值模拟结果，剪应力随路面深度变化趋势如图7所示。
图6 沥青路面变形云图
由图6可见，上面层的网格挤密程度最大，路面结构最大位移变化量为1.621 cm, 且呈现出“八”字型位移传递趋势。竖向变形最大值出现在上面层，而横向变形的峰值荷载分布于中面层附近。相较于普通沥青路面，纤维沥青路面较低的位移变化量及位移传递趋势可能是由于纤维的荷载传递方式所致。从微观角度来讲，纤维可实现预断裂面间荷载的传递，增加路面内部结构的平均受荷面积，致使位移由上面层的竖向传递转变为下面层的水平传递。此外，路面结构的竖向蠕变主要发生在轮迹中心的中面层处。这是由于在车辆荷载反复作用下，最大剪应力在中面层达到最大，进而导致材料沿着剪切面产生流动破坏，在轮迹中心产生隆起现象。
图7 剪应力随路面深度变化曲线
由图7可见，路表较小深度范围内，剪应力随路面深度增加而显著提升，并于6.5 cm左右达到峰值荷载。研究表明路面剪应力在5～10 cm厚度范围内较大，即车辙变形主要集中在中面层。这是由荷载作用下沥青混合料的迁移所致。
5 结语研究基于玄武岩纤维沥青混合料的路用性能试验及ABAQUS有限元模拟，对玄武岩纤维在重载路面中的路用性能及其路面结构的力学响应进行分析，得出结论如下。
(1)玄武岩纤维可明显改善沥青混合料的高温稳定性，玄武岩纤维掺量由0.1%变化至0.3%时，高温性能增长132.3%,相较于掺量由0.3%变化至0.5%,增幅明显，故0.3%掺量的沥青混合料更具经济效益。
(2)高掺量玄武岩纤维沥青混合料的低温和水稳性能优于木质素纤维沥青混合料，且随纤维掺量的增加，低温和水稳定性能逐渐提升。
(3)竖向压应力和剪应力为纤维沥青层混凝土所承受的较大应力，上面层的变形量最为显著，且纤维对集中于中面层的车辙变形改善效果尤为显著；在距路面5～10 cm处呈现平均剪应力的峰值，故车辙永久变形主要集中在中面层。
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