玄武巖纖維改善礫石瀝青混合料路用性能研究

孟秀元

（山西路橋集團 陽蟒高速公路有限公司，山西 陽城 048100）

0 引言

隨著我國高速公路的發展，原材料消耗巨大，礦質石料的使用逐年增加。以往的工程之中大多將礫石用于鋪筑基層或低等級公路的面層，因此如何將礫石用于路面鋪筑研究具有十分重要的意義。在瀝青混合料中添加纖維，纖維在其間可以起到加筋、吸附、穩定等作用，有效提高瀝青混合料的抗拉性能、低溫開裂性能；另外，纖維具有比表面積大的特點，其可以有效地減小瀝青路面泛油，提高瀝青路面的高溫穩定性。目前，我國在工程中大量使用的纖維包括聚合物纖維、木質素纖維、玄武巖纖維和石棉纖維。鑒于玄武巖纖維具有使用溫度范圍較廣，物理、化學性能較好的特點[1]，本文擬采用在礫石瀝青混合料中加入玄武巖纖維，以研究其配合比設計方法及路用性能。

1 配合比設計

1.1 玄武巖纖維礫石瀝青混合料配合比設計方法研究

礫石是一種酸性集料，礫石與瀝青的黏附性不好，應用于瀝青面層時極易發生水損害，從而導致道路損害[2]。而玄武巖纖維的摻量和施工工藝對礫石瀝青混合料的路用性能又有很大的影響[3]。因此，在進行玄武巖纖維礫石瀝青混合料配合比設計時，應該著重考慮以下幾點：

a）鑒于礫石在瀝青路面面層中的應用還很少，且礫石與瀝青的黏附性較差，易造成水損害。本文只考慮玄武巖纖維礫石瀝青混合料下面層混合料的配合比設計，并對玄武巖纖維礫石瀝青混合料的路用性能進行評價，提出玄武巖纖維礫石瀝青混合料瀝青路面面層的設計指標[4]；具體將玄武巖纖維礫石瀝青混合料應用于其他面層時，應該綜合考慮瀝青路面的交通量和氣候、地質條件，根據面層所要求的設計指標進行配合比設計。

b）考慮到礫石的特殊集料性質，在進行瀝青混合料級配設計時，應該選擇合適的級配類型，并考慮到礦粉的用量以及是否需要添加堿性集料以改善混合料的性能。

c）在通過玄武巖纖維尺寸和摻量的優選后，應該以最佳摻量為中心，通過馬歇爾試驗確定不同玄武巖纖維摻量下的瀝青用量，并分析玄武巖纖維摻量與馬歇爾指標之間的關系。

d）確定原材料類型、礦料級配、最佳瀝青用量后，應該進行玄武巖纖維礫石瀝青混合料路用性能的研究，研究玄武巖纖維摻量與礫石瀝青混合料路用性能之間的關系。

1.2 原材料

本試驗采用的玄武巖纖維是陜西奧卡抗裂纖維廠生產的，通過對玄武巖纖維尺寸和摻量的優選，本試驗采用的玄武巖纖維的規格均為直徑17 um，長度6 mm；鑒于礫石是酸性集料，不能簡單地用瀝青膠漿試驗結果所得的玄武巖纖維最佳摻量作為配合比設計的最佳玄武巖纖維摻量，因此取玄武巖纖維的摻量為0.3%、0.35%、0.4%、0.45、0.5%。

本試驗所用的礦粉是夏河安多建材制品有限公司生產的石灰石礦粉，通過檢測結果得知，玄武巖纖維礫石瀝青混合料設計所用礦粉各項技術指標均滿足規范《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）中（T 0352—2005）相關規定要求，可將其用于玄武巖纖維礫石瀝青混合料設計當中。

本試驗采用的瀝青為中海油生產的70號重交通瀝青，經檢驗，瀝青的技術規格符合規范要求。

用于瀝青混合料設計的集料主要由天然礫石破碎而成，首先通過篩分試驗對破碎礫石的級配進行檢測，檢測結果如表1所示。

表1 破碎礫石集料篩分數據 %

經檢測，破碎礫石的級配符合《公路工程集料試驗規程》（JTG E42－2005）中對瀝青混合料級配的要求，可以滿足玄武巖纖維礫石瀝青混合料設計的要求。

1.3 玄武巖纖維礫石瀝青混合料級配設計

鑒于礫石的特殊性能，在以往的道路建設中，礫石幾乎不用于瀝青路面的面層之中，本試驗將只對應用于瀝青路面下面層的AC-25礫石瀝青混合料進行設計。結合表1中對破碎礫石的篩分情況，采用貝雷法對AC-25礫石瀝青混合料的級配進行推薦設計，設計結果如表2、圖1所示，其中：1號20～30 mm，2號 10～20 mm，3號 5～10 mm，4 號 3～5 mm，5號0～3 mm。

圖1 礫石瀝青混合料AC-25推薦級配曲線圖

在貝雷法級配設計方法中，對于公稱最大粒徑為25 mm的混合料，其四級控制篩孔分別為9.5 mm、4.75 mm、1.18 mm以及0.3 mm。結合實體工程下面層混合料類型以及設計范圍，推薦貝雷三參數CA、FAC和 FAf的取值范圍分別為 0.60～0.80、0.50～0.55、0.55～0.65。由推薦級配在各級控制篩孔的通過率可以計算出貝雷三參數取值如表3所示。

表2 礫石瀝青混合料AC-25級配擬選 %

表3 AC-25級配貝雷三參數取值

1.4 最佳瀝青用量的確定

在確定玄武巖纖維礫石瀝青混合料的礦料級配后，還需要分別對不同玄武巖纖維摻量下的最佳油石比進行馬歇爾試驗確定[5]。

以優選出的玄武巖纖維最佳摻量為中心，分別取玄武巖纖維的摻量為0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照擬定的級配曲線成型試件，進行馬歇爾試驗。每組玄武巖纖維摻量分別以3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%五個油石比進行試件成型，并計算瀝青混合料的最佳油石比，如表4所示。

表4 玄武巖纖維摻量對應的最佳油石比 %

玄武巖纖維不同摻量下的最佳油石比確定后，按照最佳油石比進行馬歇爾試驗，在最佳瀝青用量下進行馬歇爾指標的檢測，試驗過程如下。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011中對馬歇爾試驗的要求，首先通過擊實試驗得到馬歇爾試件的高度，并確定其總質量。再通過貝雷法所得到的礦料級配，分別計算每檔料的總質量，均勻混合后，將其放入烘箱內部，在175℃的溫度條件下恒溫6 h以上；同時，將瀝青也加熱至175℃。然后，先將礦質混合料倒進拌鍋，再倒入玄武巖纖維，干拌30 s，再倒進瀝青濕拌60 s；然后把玄武巖纖維礫石瀝青混合料倒入試模并碾壓成型，將試件冷卻并在24 h后脫模，然后測定并計算其毛體積密度，空隙率VV，瀝青飽和度VFA，礦料間隙率VMA，并用穩定度儀測量試件的穩定度和流值。

馬歇爾試驗結果如表5所示。

表5 不同玄武巖纖維摻量下的馬歇爾指標

由表5可知，隨著纖維摻量的不斷增加，最佳瀝青用量、流值、空隙率、礦料間隙率均逐漸增大，同時也發現了，隨著玄武巖纖維摻量的繼續增加，最佳瀝青用量增長的幅度減緩。另外，隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料的毛體積密度減小，馬歇爾穩定度先增大后減小，在玄武巖纖維摻量為0.4%時，馬歇爾穩定度達到最大值，同時其他的馬歇爾指標均滿足要求。

2 玄武巖纖維礫石瀝青混合料路用性能研究

2.1 高溫穩定性

車轍試驗是一種簡單便捷的高溫性能試驗方法，本試驗采用車轍試驗對玄武巖纖維礫石瀝青混合料的高溫性能進行評價[6]。

取玄武巖纖維的摻量為0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011中的車轍試驗方法分別成型試件，并對試件進行標準養生24 h。

車轍試驗的試驗結果如表6所示。

表6 不同玄武巖纖維摻量的礫石瀝青混合料動穩定度

圖2 玄武巖纖維摻量與動穩定度的關系折線圖

通過以上試驗結果可知，摻加玄武巖纖維可以大幅度地提升礫石瀝青混合料的動穩定度；并且隨著玄武巖纖維摻量的增大，礫石瀝青混合料的動穩定度逐漸增大，在玄武巖纖維的摻量為0.4%時達到峰值，這表明：玄武巖纖維可以有效地提升礫石瀝青混合料的高溫性能，且當玄武巖纖維的摻量為0.4%時，礫石瀝青混合料的高溫性能最佳。

2.2 低溫穩定性

玄武巖纖維礫石瀝青混合料的低溫抗裂性是非常重要的路用性能，本文簡便便捷且試驗價值較大的小梁彎曲試驗進行玄武巖纖維礫石瀝青混合料低溫性能的檢測。

取玄武巖纖維的摻量為0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011中的小梁彎曲試驗的試驗方法分別成型試件。小梁彎曲試驗由輪子碾壓成型的車轍板切割而制成，試件成型后，在恒溫箱中保持溫度約6 h，試驗時的低溫溫度為零下10℃，所使用的加載機器為MTS-810試驗機。

小梁彎曲試驗的試驗結果如表7所示。

表7 不同玄武巖纖維摻量下的小梁彎曲試驗結果

圖3 玄武巖纖維摻量與最大彎拉應變的關系

圖4 玄武巖纖維摻量與抗彎拉強度的關系

根據表7、圖3、圖4的小梁彎曲試驗的試驗結果，分析可知隨著玄武巖纖維摻量的增加，玄武巖纖維礫石瀝青混合料的最大彎拉應變逐漸增大，在玄武巖纖維的摻量達到0.45%時到達峰值，比不摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料的最大彎拉應變提升了約27.1%；但當玄武巖纖維的摻量大于0.45%后，玄武巖纖維礫石瀝青混合料的最大彎拉應變又逐漸下降，但仍然遠大于不摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料。

小梁彎曲試驗結果表明：玄武巖纖維可以有效地改善礫石瀝青混合料的低溫性能，玄武巖纖維礫石瀝青混合料的低溫性能可以滿足規范要求，而被應用于瀝青路面的下面層中。

2.3 水穩定性

本文采用凍融劈裂試驗對玄武巖纖維瀝青混合料的水穩定性進行檢驗，取玄武巖纖維的摻量為0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011中的凍融劈裂試驗方法分別成型兩組試件，每組試件各3個，試件的擊實次數是兩面各50次，試驗時的溫度保持在25℃，加載的速率保持在50 mm/min，用MTS-810萬能試驗機進行試驗。

不同玄武巖纖維摻量下的礫石瀝青混合料的凍融劈裂強度試驗結果如表8、圖5所示。

表8 纖維礫石瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

圖5 纖維礫石瀝青混合料凍融劈裂強度比

由表8、圖5得知，摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料的凍融劈裂強度和凍融劈裂強度比均高于沒有摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料，這表明在礫石瀝青混合料中摻加玄武巖纖維不但可以提高礫石瀝青混合料的疲勞強度，還可以提高礫石瀝青混合料抵抗凍融水損害的能力。

3 結論

通過上述試驗可知，玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%，當玄武巖纖維的摻量為0.4%時，礫石混合料的動穩定度達到最大，且比不摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料其動穩定度提升了約50%。而且通過小梁彎曲試驗可知，當玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%時，其低溫抗裂性最好，且其凍融劈裂強度和凍融劈裂強度比也高于沒有摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料，達到峰值89.4%。