夏超明, 蒋 康, 吴超凡, 吴庆定, 刘克非

(1. 中南林业科技大学 南方绿色道路研究所，湖南 长沙 410004；2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015；3.湖南省建筑固废资源化利用工程技术研究中心，湖南 长沙 410205)

0 引言

沥青路面是我国高等级路面的主要形式，因其柔性路面属性，受车轮荷载的反复作用后易产生疲劳破坏，表现为沿路面纵向产生裂缝，进而发展为网裂和龟裂、甚至坑槽。疲劳破坏不仅影响行车舒适度，提高运营与维护成本，还会降低路面使用寿命。已有的研究表明，纤维的加入对沥青混合料的疲劳性能有显著地改善[1-2]。当前，木质素纤维、矿物纤维、聚合物化学纤维三大类纤维被广泛应用于沥青混合料，其中木质素纤维因具有良好的化学稳定性、较强的吸油能力、低廉的价格等优势应用最为普及[3-4]。但是，大部分木质素纤维取自原木，其大规模使用不符合资源节约的发展理念，不适宜在快速增长的道路基础建设中大范围应用。因此，亟待寻找绿色环保可再生的植物纤维将其替代。

中国是竹资源最丰富的国家[5]。竹纤维是一种环保型有机纤维，具有价廉、可回收、可降解、可再生等特性，是替代路用(针叶木)木质素纤维的最佳材料之一。因此，利用具有速生特点的竹材替代制备路用木质素纤维的针叶木，有利于缓解木材供求矛盾。此外，竹纤维的强度和韧性较高[6]，作为沥青混合料的增强材料具有明显优势，若竹纤维可有效改善沥青路面疲劳性能，其实际应用对提高工程性能、降低造价、保护环境均具有重要意义。

已有众多国内外学者研究了不同植物纤维沥青混合料的使用性能。李振霞[7]、雷彤[8]等发现玉米秸秆纤维和棉秸秆纤维可有效改善沥青混合料路用性能，2种纤维在改善沥青混合料性能方面和木质素纤维效果相近。刘忠彦[9]等发现沙生灌木纤维可在低应力比条件下改善沥青混合料的疲劳耐久性。ABIOLA[10]等的研究证明天然植物纤维的加入对沥青混合料疲劳寿命和结构抗破坏能力均有明显改善。SHENG[11]等研究发现竹纤维的使用改善了沥青混合料的抗车辙能力和低温开裂性能，与聚合物改性纤维和木质素纤维相比，竹纤维的改善效果更优。MUNDA[12]等发现竹纤维可有效改善沥青玛蹄脂混合料(SMA)的稳定度和流值，且其路用性能可满足实际工程要求。可以看到，当前针对竹纤维沥青混合料的研究多集中于常规路用性能，对疲劳性能的研究尚属空白，缺乏从微观角度分析竹纤维增强沥青混合料疲劳性能机理的系统研究。

为分析竹纤维沥青混合料的疲劳耐久性与其作用机制，本文将从毛竹杆茎中提取的絮状竹纤维掺入沥青混合料中，采用四点小梁弯曲疲劳试验测试其疲劳寿命，并与木质素纤维沥青混合料进行比较分析，然后采用扫描电子显微镜(SEM)从微观角度揭示纤维与混合料之间的作用机理，研究成果可为竹纤维沥青混合料的实际应用奠定基础。

1 原材料和试验方案

1.1 原材料

1.1.1沥青

所用沥青为SBS改性沥青，产自岳阳长岭炼化公司，其基本技术指标见表1。

表1 SBS改性沥青基本技术指标Table 1 Basictechnical indexes of SBS modified asphalt对比内容软化点/℃针入度(25℃)/(0.1 mm)延度(5 ℃)/cm相对密度TFOT后(163 ℃,5 h)质量变化/%针入度比/%残留延度(5 ℃)/cm技术要求≥6040～60≥20实测≤1.0≥65≥15测试结果81.148.237.11.030-0.0179.024

1.1.2纤维

试验所用竹纤维为毛竹杆茎中提取的絮状纤维，实验室自制。木质素纤维为四川能高威科技有限公司生产的絮状纤维。各纤维外观图见图1，微观形貌见图2。

(a) 木质素纤维

(a) 木质素纤维 (×1 500)

各纤维基本技术指标见表2。

1.1.3矿料

本研究中，粗集料为玄武岩碎石，细集料为石灰石屑，矿粉为磨细石灰石粉，各集料具体技术指标见表3～表5。

1.2 配合比设计

本研究采用SMA-13型沥青混合料制备试样测定马歇尔稳定度和疲劳性能，其矿料级配曲线见图3。

图3 SMA-13 型沥青混合料级配曲线

根据已有研究基础和规范JTGF40—2004，采用马歇尔试验进行测试，确定木质素纤维沥青混合料和竹纤维沥青混合料的纤维最佳掺量均为混合料

表2 路用植物纤维基本技术指标Table 2 Basic technical indexes of road plant fiber对比内容纤维长度粒度组成灰分/%技术要求≤6—18±5木质素<6—13.30.85 mm筛通过率92%16 竹纤维<5.50.425 mm筛通过率63%19 0.106 mm筛通过率28%15 pH含水率/%耐热性(210 ℃、2 h,热失重率)/%吸油率/倍(不小于纤维质)相对密度实测7.5±1≤5≤67.24.87.30.897.74.75.37.14.55.79.20.9437.34.35.5

表3 粗集料技术指标Table 3 Technical indexes of coarse aggregate对比内容压碎值/%洛杉矶磨耗值 /%磨光值/%表观相对密度吸水率/%技术要求≤20≤24≥42≥2.6≤2.0测试结果9.510.8512.960.67

表4 细集料技术指标Table 4 Technical indexes of fine aggregate对比内容表观相对密度砂当量/%棱角性/s技术要求≥2.5≥60≥30测试结果2.857247

表5 矿粉技术指标Table 5 Technical indexes of mineral powder对比内容表观相对密度含水量/%塑性指数亲水系数技术要求≥2.5≤1<4<1测试结果2.690.43.80.6

质量的0.4%，最佳油石比分别为5.9%和6.5%。

1.3 试验方案

1.3.1疲劳试验方案

采用四点小梁弯曲疲劳试验测试纤维沥青混合料的疲劳寿命。首先采用轮碾法成型板式试块，然后切割成尺寸为380 mm×63 mm×50 mm的小梁试件(见图4)。将小梁试件置于15 ℃保温箱中养生4 h以上。试验采用MTS-810型万用材料试验机进行。测试条件为：测试温度15 ℃，加载频率10 Hz，加载波形为连续正弦波。

图4 四点弯曲小梁试件

测试中，先测得纤维沥青混合料试件弯拉破坏时的最大荷载，计算各混合料的抗弯拉强度；然后采用应力控制模式测试各混合料的疲劳寿命，应力水平分别为0.3、0.4和0.5(见图5)，各应力水平取3个平行试件进行测试，测试结果取平均值。

图5 四点小梁弯曲疲劳试验示意图

1.3.2SEM测试方案

采用QUANTA FEG 250型SEM观测纤维增强沥青混合料的微观形貌特征，从微观尺度分析纤维在沥青混合料中的增强机理[13]。取纤维沥青混合料弯拉破坏试件的断面进行SEM测试。取样时先沿破裂面将试件切割成2 cm(长)× 2 cm(宽)× 1 cm(高)的薄片，将带有纤维的样品用镊子取下，每个试件选取5个样品。将导电胶粘在试验台，用镊子将样品粘在导电胶上，然后对其进行喷金处理。电脑控制样品将其移动到观察点，确定放大倍数后截取SEM图像。

2 试验结果及分析

2.1 疲劳性能测试结果

应力控制模式下沥青混合料的疲劳特性应满足关系式[14]：

(1)

式中:Nf为疲劳寿命，次;σ0为初始弯拉应力,MPa;K、n为由测试确定的疲劳方程参数。

对公式两边取对数可得：

lgNf=-nlgσ0+lgK

(2)

式中:K表示疲劳测试曲线线位的高低,K值越大，沥青混合料抗疲劳性能越好;n表示疲劳测试曲线斜率的大小,n值越大，沥青混合料的疲劳寿命越易受到应力的影响。

木质素纤维与竹纤维沥青混合料的疲劳性能测试与分析结果见表6。

表6 纤维沥青混合料疲劳性能测试结果Table 6 Fatigue performance test results of fiber asphalt mixture纤维类型应力强度比应力水平/MPa疲劳寿命/次疲劳方程参数0.32.64233 920K=1.570×106木质素纤维0.43.5229 626n=3.983 20.54.4034 480R2=0.990 90.32.69332 907K=1.854×106竹纤维0.43.5909 291n=4.096 00.54.4884 093R2=0.995 0注: R2为相关指数。

为直观体现2种纤维混合料的疲劳性能，将2种混合料疲劳寿命与应力关系的双对数曲线放入同一坐标系进行比较，结果如图6所示。

图6 不同纤维沥青混合料疲劳寿命与应力水平间的关系

由表6和图6可知:① 在不同的应力水平条件下，2种纤维沥青混合料的疲劳寿命均与应力水平表现出良好的相关性，且相关指数均在0.99以上，表明2种纤维沥青混合料均能较好地表征材料的疲劳性能[15]。② 随着应力水平的增大，沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低。各混合料在0.3、0.4和0.5的应力水平下疲劳寿命降低呈现先急速下降再趋于缓和的趋势。③ 在相同的应力水平下，竹纤维沥青混合料的疲劳寿命与木质素纤维混合料相当。④ 与木质素纤维沥青混合料的疲劳参数K值和n值相比，竹纤维沥青混合料的K值和n值分别提高了18.1%和2.83%，表明竹纤维沥青混合料具有更好抵抗疲劳重复荷载的能力，但相对而言对应力变化较敏感。

2.2 SEM测试结果

根据SEM测试图片，下面从2个方面分析纤维增强沥青混合料疲劳性能的作用机理。

2.2.1纤维对沥青混合料疲劳损伤的阻滞作用

取木质素纤维和竹纤维沥青混合料中纤维与混合料的连接处观察，其SEM图像见图7。可以看到，大量沥青附着在了纤维的表面上，纤维根部与混合料连接紧密。虽然纤维的掺量较低，但2种纤维的直径都很小，因而比表面积较大，这使得数量众多、长短不一、在混合料中均匀分散的纤维彼此搭接[9]。疲劳测试过程中，试件在疲劳荷载作用下内部萌生裂纹，内部初始缺陷处会产生应力集中,且微裂缝以较快的速率扩展，荷载的重复作用使得裂缝更进一步扩大，最后导致结构破坏[16]。纤维的无规律分布可在裂纹周围产生约束作用，从而阻止裂纹的进一步扩散。此外，细长的丝状路用植物纤维将整个混合料连接起来，在沥青混合料内部集料出现分离时可起到一定拉伸作用来维持整个结构的完整[17]，从而实现纤维对沥青混合料的阻裂作用。

结合表2数据可知，与木质素纤维相比，竹纤维吸油效果更好，且由于竹纤维表面粗糙度更大，对沥青的吸附作用更强。由图7可以看出，纤维表面吸附有大量的结构沥青，其较强的裹覆力可有效改善沥青与混合料间的界面连接状态，从而延缓裂缝的发展[18]。观察混合料界面破坏处断裂的纤维(见图8)可以看到，纤维的断口呈现不规则状，说明结构破坏时纤维受到了力的作用，属于拉伸破坏。由于竹纤维表面更粗糙，竹纤维沥青混合料的油石比更大，其疲劳性能比木质素纤维沥青混合料更优。

(a) 木质素纤维(×3 000)

图8 竹纤维断口形貌(×3 000)

2.2.2纤维对沥青混合料自愈能力的增强作用

沥青本身具有一定的微裂缝自愈能力，这对沥青路面抗疲劳能力具有重要影响[19-20]。纤维的加入可增强沥青混合料的滞后恢复能力[21-22]。

从SEM图像可以看出，纤维与沥青结合面表现出良好的过渡，呈面接触而非点接触，表明纤维与沥青混合料之间具有较好的界面黏结性能。在外荷载作用下，纤维可有效分担混合料所受拉应力，进而阻碍其发生形变。由于纤维的抗拉强度比沥青基体高，当外部荷载消失后，纤维沥青胶浆的黏弹特性使其变形恢复，从而沥青混合料自愈[21-22]。从微观图像来看(图7)，竹纤维与木质素纤维的界面结合形式相似，因而均可增强沥青混合料的自愈合能力。

3 结论

本文采用四点小梁弯曲疲劳试验对比分析了木质素纤维与竹纤维沥青混合料的疲劳性能，采用SEM从微观角度揭示了纤维对沥青混合料疲劳性能的增强机理。主要得出以下结论：

a.竹纤维沥青混合料的疲劳寿命与木质素纤维相当；竹纤维沥青混合料具有更好的抗疲劳性能，但其对应力水平变化的敏感程度略高于木质素纤维沥青混合料。

b.竹纤维能够改善沥青混合料疲劳性能的主要原因在于其对初始疲劳损伤的阻滞作用和对自愈合能力的增强作用。

c.竹纤维沥青混合料具有良好的抗疲劳性能，是替代木质素纤维的可靠产品。在未来的实际应用中可考虑从2个方面增强竹纤维对沥青混合料抗疲劳性能的作用效果：一是提高其表面粗糙度，增强界面结合能力；二是改善其在混合料中的分散性，从而提高阻止初始裂纹扩散的能力。