玄武巖纖維瀝青混合料的設計及性能影響研究

陳曉明

摘要：文章為了研究玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能影響，選取AC-13、SMA-13兩種混合料進行配合比設計，確定合成級配、最佳油石比等關鍵參數，并分析不同摻量玄武巖纖維對瀝青混合料的高、低溫性能以及水穩(wěn)定性的影響。結果表明：玄武巖纖維可以改善兩種混合料的高、低溫性能以及水穩(wěn)定性;綜合考慮玄武巖纖維改善性能的有效性，建議AC-13、SMA-13兩種混合料玄武巖纖維最佳摻量分別為混合料質量的0.5%、0.3%。

關鍵詞：道路工程;玄武巖纖維;瀝青混合料;路用性能

0 引言

近20年來，隨著我國交通行業(yè)的飛速發(fā)展，各省公路建設里程呈指數級增長，瀝青路面的建設里程也急劇增長。但增長的公路里程也給公路建設者提出了新的挑戰(zhàn)，如何面對復雜多變的施工環(huán)境或工況建設品質優(yōu)良的瀝青路面，這也使得瀝青混合料改性技術成為廣泛關注的研究課題。

玄武巖纖維作為化工行業(yè)常用的改性材料，近年來由于其獨特的性能被廣泛運用于工程建設中。如徐麗娜等將玄武巖纖維運用于水泥混凝土中，表明玄武巖纖維可有效改善水泥土的強度損失，并可增強改性材料韌性與抗凍性能[1]。王慶軒等研究了玄武巖纖維的耐久性以及對混凝土增強效應的影響，表明其具有顯著的增強效果[2]。也有較多學者將玄武巖纖維運用于瀝青混合料中，以充分利用其可改善高、低溫穩(wěn)定性、抗凍性能等特點。如李震南等對玄武巖纖維瀝青膠漿低溫性能與瀝青混合料低溫穩(wěn)定性關聯性進行了研究，表明玄武巖纖維可以增強瀝青膠漿及混合的整體性，改善混合料的低溫抗裂能力。李志剛利用玄武巖纖維可增強瀝青粘結能力，對玄武巖纖維瀝青膠漿與酸性集料粘附性進行了研究。以上研究均表明玄武巖纖維可顯著改善被改善物性能，具有較好的經濟性與實用性[3-9]。

為充分了解玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的影響，本文首先選取AC-13、SMA-13兩種混合料進行配合比設計，確定合成級配、最佳油石比等關鍵參數，然后研究不同摻量玄武巖纖維對混合料高、低溫性能以及水穩(wěn)定性的影響，以確定玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的影響，為玄武巖纖維使用提供有效指導。

1 原材料

為簡化研究，本文先采用傳統設計方法進行配合比設計，然后通過對比摻加不同摻量玄武巖纖維對混合料路用性能的影響，以研究玄武巖纖維對瀝青混合料的適用性及改性特性。

分別選取70#基質瀝青、SBS改性瀝青進行AC-13、SMA-13兩種混合料配合比設計，其中細集料分為0～2.36mm、2.36～4.75mm兩檔，采用石灰?guī)r細集料;粗集料分為4.75～9.5mm、9.5～13.2mm兩檔，采用玄武巖粗集料;礦粉為石灰?guī)r研磨礦粉。瀝青和粗、細集料以及礦粉等各項指標均滿足規(guī)范要求。SMA-13配合比設計時選用木質素纖維，摻量為混合料質量的0.3%。

通過體積參數、最佳油石比等配合比設計，確定AC-13、SMA-13兩種混合料最優(yōu)油石比分別為5.0%、6.0%，其中二者合成級配如表1、表2所示。

選取混合料質量分別為0、0.3%、0.5%和0.7%的玄武巖纖維摻入混合料中進行路用性能測試，測試結果及分析如下。

2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能作為重要的路用性能指標，一般采用車轍試驗進行體現，具體表征指標有45min、60min變形量以及由此推算的動穩(wěn)定度（DS）等。良好的高溫穩(wěn)定性可以抵抗路面車轍以及預防推移、擁包等病害。本研究制備4組標準車轍試件，每組3塊車轍板，每組摻入混合料質量的0%、0.3%、0.5%和0.7%的玄武巖纖維，試驗結果如圖1、圖2所示。

由圖分析可知：

（1）隨著玄武巖纖維摻量的增加，AC-13、SMA-13兩種混合料動穩(wěn)定度均得到提高，且60min變形量顯著減小。表明在60℃高溫條件下承受相同荷載時，單位時間的變形量減小，高溫性能明顯改善。換言之，當產生相同變形量時，玄武巖纖維的摻入可以提高混合料抗荷載能力。這是由于摻入玄武巖纖維后，有效吸附了混合料中的自由瀝青量，減少了混合料中可移動的瀝青數量，降低了高溫下自由移動瀝青數量。同時由于纖維加筋作用也增加了結構瀝青數量，增強了瀝青膠漿與礦料的膠結性能，提高了混合料內部粘聚力，增加了抗剪性能。

（2）隨著玄武巖纖維摻量的增加，兩種混合料動穩(wěn)定度持續(xù)提高，表明高溫穩(wěn)定性持續(xù)改善，可推測繼續(xù)增加玄武巖纖維摻量混合料后動穩(wěn)定度仍將得到提高。但考慮玄武巖纖維的提高一定程度上會增加拌和均勻難度，特別是拌和樓摻入時會增加拌和時間，進而一定程度上影響拌和樓產能。同時拌和不均勻的玄武巖纖維也會對混合料性能產生影響，造成變相“離析”的發(fā)生，影響混合料整體路用性能。

（3）對比AC-13與SMA-13兩種混合料，SMA-13動穩(wěn)定度顯著高于AC-13混合料，不同摻量下SMA混合料動穩(wěn)定度均為AC混合料的兩倍多。當在對高溫性能有較高要求的地區(qū)或工況條件下，建議優(yōu)先選用SMA類混合料。

3 低溫穩(wěn)定性

瀝青混合料低溫穩(wěn)定性是瀝青路面低溫抗裂性能的主要反映指標，具有良好低溫穩(wěn)定性的混合料在低溫環(huán)境行車荷載下可有效緩解低溫-濕-荷載耦合作用下路面開裂破壞，提高瀝青路面耐久性，因而其指標優(yōu)劣對指導瀝青路面材料選取具有重要意義。以混合料質量0、0.3%、0.5%和0.7%的玄武巖纖維制備AC-13、SMA-13兩種混合料進行低溫彎曲試驗，試驗結果如圖3、圖4所示。

由圖分析可知：

（1）隨著玄武巖纖維摻量的增加，AC-13、SMA-13兩種混合料彎拉應變、勁度模量均得到提高，表明在低溫條件下兩種混合料抗裂性能均有所提高。這是由于纖維的摻入使得瀝青膠漿三維空間網狀結構更加牢固，“加筋”作用使得混合料在承受低溫循環(huán)荷載時，抗變形能力加強。

（2）AC-13混合料低溫性能隨著玄武巖纖維摻量的提高持續(xù)改善，但SMA-13在玄武巖纖維摻量達到0.3%之后提高并不明顯。AC-13混合料在當玄武巖摻量為0.7%時，勁度模量基本達到SMA-13混合料對比試樣（0摻量）勁度模量。因此僅就低溫穩(wěn)定性改善而言，玄武巖纖維對AC-13具有更好的改善作用。

（3）雖然隨著玄武巖纖維的摻入，AC-13混合料勁度模量逐漸提高，但通過彎拉強度可看出，二者仍存在較大差距，因此總體而言SMA-13仍具有遠優(yōu)于AC-13混合料的低溫穩(wěn)定性。

綜合上述分析，僅就低溫穩(wěn)定性而言，推薦AC-13、SMA-13兩種混合料的玄武巖纖維的最佳摻量分別為0.5%、0.3%。

4 水穩(wěn)定性

水損害作為瀝青路面的主要破壞形式，主要表現為在循環(huán)荷載-水耦合作用下混合料重復地收縮、膨脹，當達到一定限制時出現微裂縫，繼續(xù)循環(huán)作用導致瀝青膠漿與集料逐漸剝離進而引起路面損壞，產生網裂、掉粒以及坑槽等各種病害。目前室內試驗時主要采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗進行表征，二者相比前者增加了-16℃的低溫處理環(huán)節(jié)。根據實踐經驗表明，浸水馬歇爾試驗結果一般較為接近，且較易達到規(guī)范要求，部分試件浸水強度比甚至可能>100%。為此本文考慮采用低溫穩(wěn)定性的凍融劈裂試驗進行表征，將水穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性進行綜合考量。

以混合料質量0、0.3%、0.5%和0.7%的玄武巖纖維制備AC-13、SMA-13兩種混合料進行凍融劈裂試驗，試驗結果如下頁圖5、圖6所示。

由圖分析可知：

（1）SMA-13混合料劈裂強度遠高于AC-13混合料，這再一次印證了SMA-13混合料具有較AC-13混合料更加良好、全面的路用性能。

（2）就劈裂強度而言，玄武巖纖維摻入后顯著提高了兩種混合料的劈裂強度，其中AC-13在摻量達到0.5%后增長幅度減緩，SMA-13在摻量達到0.3%后增長幅度減緩。由于玄武巖纖維的摻入，兩種混合料瀝青膠漿均得到有效改善，粘聚性以及自身內聚力顯著提高，使得混合料劈裂強度增加。

（3）對比混合料劈裂強度比計算結果，總體而言玄武巖纖維改善了兩種混合料水穩(wěn)定性。這是由于玄武巖纖維的摻入使得凍融循環(huán)下混合料微裂縫形成減少，減緩了凍融循環(huán)對混合料理化性質的改變。當AC-13混合料在玄武巖纖維摻量<0.3%時，劈裂強度比幾乎無變化，當摻量≥0.5%時，水穩(wěn)定性顯著提高。SMA-13則是在玄武巖纖維達到0.3%時增長顯著，之后變化較小。主要是因為這兩種混合料當劈裂強度比改善后，水穩(wěn)定性均達到95%以上，改善幅度上限較小，過高的摻量并未能充分體現其改善效果。

綜合上述分析結果，就水穩(wěn)定性指標而言，推薦AC-13、SMA-13兩種混合料玄武巖纖維的最佳摻量分別為0.5%、0.3%。

5 結語

本文首先選取AC-13、SMA-13兩種混合料進行配合比設計，確定了合成級配、最佳油石比等關鍵參數，然后研究了不同摻量玄武巖纖維對混合料高、低溫性能以及水穩(wěn)定性的影響。形成結論如下：

（1）隨著玄武巖纖維摻量的增加，兩種混合料動穩(wěn)定度持續(xù)提高，表明高溫穩(wěn)定性持續(xù)改善。

（2）隨著玄武巖纖維摻量的增加，AC-13、SMA-13兩種混合料彎拉應變、勁度模量均得到提高：當摻量達到一定程度時改善效果減緩，推薦AC-13、SMA-13兩種混合料玄武巖纖維的最佳摻量分別為0.5%、0.3%。

（3）玄武巖纖維可以改善兩種混合料水穩(wěn)定性，當摻量達到一定程度時改善效果減緩，推薦AC-13、SMA-13兩種混合料玄武巖纖維的最佳摻量分別為0.5%、0.3%。

綜上分析：玄武巖纖維可以改善AC-13、SMA-13兩種混合料的高、低溫性能以及水穩(wěn)定性。但鑒于玄武巖纖維改善性能的有效性，建議AC-13、SMA-13兩種混合料玄武巖纖維的最佳摻量分別為混合料質量的0.5%、0.3%。另外，為簡化研究，本文玄武巖纖維混合料配合比研究未考慮玄武巖纖維對混合料體積參數的影響，建議有條件的研究者對該影響進行充分考慮，以進一步明確玄武巖纖維對瀝青混合料性能的全面影響，為玄武巖纖維的使用提供有效指導。

參考文獻：

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