高模量沥青混合料在法国、英国研究已经较为成熟^[1,2,3] ,其具有很好的抗车辙能力。但研究表明^[4] ,对于掺加高模量改性剂沥青混合料面层的路面结构,单一结构层材料模量的提高会使得道路结构的受力状况发生比较大的变化,尤其是结构层层底弯拉应力产生的波动较大,这会直接影响、降低道路结构的疲劳寿命。

玄武岩纤维作为一种新型矿物纤维,具有工作温度范围大、力学性能优异、化学稳定性好、抗老化与热绝缘性能优越等优点^[5,6,7] 。与普通沥青混合料相比,玄武岩纤维沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性有明显的改善,特别是与道路使用寿命密切相关的疲劳性能更是提升显著^[8,9,10] ,故本文将掺玄武岩纤维和高模量改性剂的沥青混合料与基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、玄武岩纤维沥青混合料、高模量沥青混合料进行疲劳性能对比研究,探讨玄武岩纤维和高模量改性剂在提高沥青混合料抗疲劳性能方面的适用性。

采用中海70号道路A级石油沥青和江阴宝利SBS改性沥青,各项性能指标如表1所示。

集料采用镇江茅迪石灰岩,填料为石灰岩磨细矿粉,性能指标分别如表2,3所示。

改性剂为某型直投式改性剂,技术指标如表4所示。

玄武岩纤维性能指标如表5所示。

基于对玄武岩纤维沥青混合料的前期研究基础,确定玄武岩纤维掺量为沥青混合料质量的0.3%^[11] ,确定高模量改性剂掺量为沥青混合料质量的0.5%。

矿料级配采用AC-20C,其组成材料如表6所示。

采用四点小梁弯曲疲劳试验测试沥青混合料的疲劳性能。通过QCZ-4型轮碾仪成型尺寸成型400mm×300mm×75mm沥青混合料板块试件,再将沥青混凝土试块切割成380mm×63.5mm×50mm梁式试件,然后将小梁试件放入15℃环境箱中养护,养护时间6h。

根据规范规定,为了得到较完整的疲劳特性,应至少选择3种应变水平,且疲劳寿命次数宜涵盖几千次至几十万次的范围。因此,本文选用了400,500,600,700,800με5个应变控制水平。

试验温度15℃,加载频率为10Hz,采用偏正弦波,应变控制模式加载,试验结束条件为沥青混合料试件的劲度模量下降到初始模量的50%。

试件安装到位后,先对试件在目标应变水平下预加载50个循环,测定初始劲度模量。在预加载后稳定到所需的目标应变水平开始试验。

对5种沥青混合料按照上述试验步骤进行疲劳试验,试验结果如表7所示。

在5种沥青混合料中,随着应变水平的逐步提高,尽管玄武岩纤维高模量沥青混合料的疲劳性能衰减速率变化较快,但是在各应变水平下的疲劳寿命次数明显优于其他4种沥青混合料。

在掺加高模量改性剂以后,高模量沥青混合料的疲劳寿命次数较普通沥青混合料有很大提升,在400με下约为普通沥青混合料的4.5倍,这主要是因为高模量沥青混合料初始劲度模量与普通沥青混合料相比提高了许多,达到破坏条件时荷载作用次数更多。但相比于SBS改性沥青混合料,高模量沥青混合料的疲劳寿命依然较差,400με时疲劳寿命次数为其47.1%,而在800με时疲劳寿命差距虽然减小,但也只达到SBS改性沥青混合料的77.8%。

在掺加玄武岩纤维后,无论是普通沥青混合料还是高模量沥青混合料,混合料疲劳寿命次数均有了大幅提升。在400με控制下,掺玄武岩纤维后普通沥青混合料疲劳寿命次数是不掺的1.6倍;在高模量沥青混合料中效果更加明显,掺加纤维后疲劳寿命次数是不掺纤维的2.9倍。

为更直观地分析玄武岩纤维对高模量沥青混合料抗疲劳性能的影响,采用SPSS软件对疲劳试验结果进行非线性拟合,结合国内外研究成果,本文采用三参数幂函数对试验结果进行回归分析:

该方法不但能更好地拟合各种材料的应变-寿命试验数据,简化-N曲线的测试工作,而且可以更加方便和精确地计算结构的损伤和寿命^[12] 。方程曲线如图1所示,回归方程参数如表8所示。

由疲劳方程相关系数R²可以看出,三参数幂函数模型有很好的适用性,并且更适合于高模量沥青混合料。

1)由方程曲线可以看出,玄武岩纤维高模量沥青混合料抗疲劳性能最好,SBS改性沥青混合料次之。

2)方程中A,C,m都是与沥青混合料成分与特性相关的参数,A越大,表示初始疲劳寿命次数越高,材料的抗疲劳性能越好。

3)m反映了沥青混合料对应变的敏感程度,初始劲度模量越高,对应变水平变化越敏感,m绝对值也越大;玄武岩纤维能够明显降低高模量沥青混合料中对应变水平的敏感程度,并且效果要优于在普通沥青混合料的效果。

4)C表征沥青混合料疲劳寿命在应变水平增大时的衰减速率,可以看出当沥青混合料初始疲劳寿命较高时,衰减也更快。

掺玄武岩纤维和高模量改性剂沥青混合料在800με下的疲劳寿命能够达到8 000多次,是基质沥青混合料的17倍,玄武岩沥青混合料的8倍,高模量改性沥青混合料的1.7倍,也是SBS改性沥青混合料疲劳寿命次数的1.3倍。可见,玄武岩纤维和高模量改性剂的加入能显著提高沥青混合料的抗疲劳性能,延长沥青路面的使用寿命。