硅藻土/玄武巖纖維復合改性瀝青混合料性能試驗研究

宋書彬

（鄭州路橋建設投資集團有限公司，河南鄭州450000）

玄武巖纖維是通過玄武巖礦石在1450℃～1500℃條件下呈熔融狀態時拉絲形成的一種無機環保型材料，它具有強度高、耐久性好、耐高溫、化學性能穩定等優點。實踐經驗證明，玄武巖纖維加入瀝青中可增強瀝青混合料的高溫、低溫和耐疲勞性能。Morova 通過試驗發現玄武巖纖維可以大幅度改善混合料的高溫抗車轍變形性能[1]；Liu 等研究了不同纖維對瀝青及其混合料的低溫性能變化規律，結果發現玄武巖纖維能夠使瀝青或瀝青混合料的低溫性能得到提升[2]；陳建榮等利用四點彎曲試驗分析驗證了玄武巖纖維瀝青混合料具備優良的耐疲勞特性[3]。但大量研究結果表明，玄武巖纖維對于瀝青混合料的抗水損害性能不佳[4-5]。

硅藻土本質上是一種含有較多微空隙的沉積巖，其有著比表面積大、熱穩定性好、吸附性強的特點。相關研究表明硅藻土用于瀝青路面材料中具有很好的路用性能，集中體現在低溫抗裂性和抗水損害性能[6-7]。關于硅藻土改性瀝青與玄武巖纖維改性瀝青，及其混合料的性能研究比較多，但是對于兩種摻加劑復合改性的研究很少，本文基于兩種材料的各自特點，擬通過硅藻土與玄武巖纖維復合改性瀝青，研究其對瀝青路面各方面路用性能的影響規律，以期這種復合材料能夠在瀝青路面的實際應用提供參考。

1 試驗原材料與配合比設計

1.1 原材料

試驗采用70#A 級石油瀝青，瀝青的技術性質都滿足規范要求，見表1。

表1 A-70# 基質瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of A-70# base asphalt

粗集料采用性能較好的石灰巖，表觀相對密度2.688，洛杉磯磨耗值為10.1%，壓碎值為12.4%，針片狀含量是4.9%。細集料采用石灰巖機制砂，其表觀相對密度為2.722，含泥量為1.15%。填料是石灰巖磨細后的礦粉，其表觀相對密度為2.783，含泥量是0.19%。經試驗，礦料的各項性質都滿足規范要求。硅藻土為臨江市某化工公司產，主要成分為SiO2，質量分數為83.34%，還含有Al2O3、Fe2O3和CaO 等成分，其用量為瀝青用量的11%～13%。玄武巖纖維選擇常州某公司產的短切纖維，纖維長6mm，廠家推薦用量范圍為0.2%～0.4%。

1.2 配合比設計

瀝青混合料級配采用AC-13 型級配中值，見表2。按照馬歇爾試驗確定最佳油石比的方法確定基質瀝青、硅藻土改性瀝青、玄武巖纖維改性瀝青及硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青等四種瀝青混合料的最佳油石比為4.7%、5.0%、5.1%、5.3%。其中硅藻土和玄武巖纖維已根據前期大量室內試驗確定，硅藻土最佳用量為12%，玄武巖纖維最佳用量為0.3%。

表2 AC-13 礦料級配Table 2 AC-13 Mineral aggregate gradation

2 混合料性能試驗研究

2.1 高溫性能

瀝青混合料作為一種粘塑性材料，在高溫及車輪荷載共同作用下會發生塑性變形，路面出現車轍、擁包等形式的破壞。為緩解或避免病害的發生，在鋪筑瀝青路面前應選用高溫性能好的瀝青混合料，對瀝青混合料進行大量試驗驗證。評價瀝青混合料高溫性能的方法比較多，本文采用國內廣泛使用的車轍試驗對硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的高溫性能進行室內試驗評價。試驗溫度選擇60℃，采用42min 至60min 之間產生的車轍變形量對應的動穩定度作為評價指標。試驗結果見表3 和圖1。

表3 車轍試驗結果Table 3 Results of rutting test

圖1 四種混合料的動穩定度Fig.1 Dynamic stability of four kinds of mixture

從圖1 和表3 可以發現，四種瀝青混合料的動穩定度從小到大分別是70# 基質瀝青＜玄武巖纖維＜硅藻土＜復合改性瀝青，單摻硅藻土或玄武巖纖維時，硅藻土改性瀝青混合料和玄武巖纖維瀝青混合料的動穩定度相對于70# 基質瀝青分別提高了102%、48%。硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的動穩定度最大，是70#基質瀝青的2.45 倍。說明硅藻土和玄武巖纖維都可以改善瀝青混合料的高溫性能，其中硅藻土的改善效果更明顯。一方面，由于硅藻土加入瀝青中依靠其自身的多孔結構特點能夠吸附瀝青中的輕質組分和自由瀝青，使結構瀝青的比重增加，從而增加了瀝青膠結料的粘度，提高了感溫性能。除此之外，硅藻土具有比表面積大的特點，摻入瀝青后，提高了瀝青膠結料與集料的界面粘結力[8]。另一方面，玄武巖纖維加入瀝青后可以與瀝青形成相互纏繞的三維密集網絡結構，一定程度上降低了瀝青的流動性，不但增加了瀝青的黏度，加強了瀝青與集料的界面力，而且可以起到加筋阻裂的效果。硅藻土與玄武巖纖維發揮各自的特點共同作用改善了瀝青混合料的高溫抗變形能力，使硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的高溫性能得到最顯著的提升。

2.2 低溫性能

在氣溫急劇變化時，路面會因為溫縮應力的積累而開裂，通常我們稱這種裂縫為溫縮裂縫。由于裂縫的存在，路表的水會浸入路面結構內部，水一旦浸入路面內部，就會在行車作用下形成動水壓力，對礦料間的瀝青薄膜進行切削和沖刷，導致路面結構產生水損害，嚴重時使路面出現局部凹陷，最終出現網裂和坑槽惡化道路的行使質量。

本文通過低溫劈裂試驗來評價硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的低溫抗裂特性，試驗溫度為-10℃，荷載施加速度為1mm/min， 直至試件破壞，得到荷載極值和豎向最大位移，從而計算出劈裂強度、破壞應變和勁度模量等技術參數。試驗結果見表4 和圖2。

表4 低溫劈裂試驗結果Table 4 Results of low temperature splitting test

圖2 四種混合料的低溫破壞應變和勁度模量Fig.2 Low temperature failure strain and stiffness modulus of four mixtures

從圖2 和表4 可知，加入硅藻土或者玄武巖纖維后瀝青混合料的低溫破壞應變增加，勁度模量減小，但顯然硅藻土對低溫性能的作用效果更加顯著，硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青的破壞應變最大，勁度模量最小。說明硅藻土或者玄武巖纖維對瀝青混合料的低溫抗裂性都有一定的改善作用，硅藻土和玄武巖纖維兩種改性劑共同作用時的效果更佳。一方面，由于玄武巖纖維加入到瀝青內部與瀝青結合在一起形成了網狀結構，在瀝青與集料之間起到了增韌加強和橋接錨固的作用，瀝青路面在低溫和荷載的作用下，玄武巖纖維能夠起到抑制裂紋繼續發展的作用。另一方面，硅藻土加入瀝青后增大了瀝青膠結料的薄膜厚度，提高了瀝青與集料的粘附性，而且硅藻土具備多孔性質，多余的自由瀝青會浸入孔隙內部形成結構瀝青，提高了瀝青膠結料與集料的機械咬合力，改善了混合料的低溫抗裂性。

2.3 水穩定性

在雨季或春融季節，不可避免地會有大量的雨水流經瀝青路面，由于車輛的沖擊荷載和自重荷載會使進入瀝青路面結構內部的空隙水產生很大的動水壓力或負壓抽吸作用，空隙水在動水圧力的作用下對瀝青與集料的接觸面產生切削和沖刷作用，使其粘附性減小，瀝青膜逐漸從集料表面脫落，最終使瀝青路面因掉粒、松散等形成水損害。特別是南方降雨量大和北方高寒積雪地區，路面水損害情況更為嚴重。

本文采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗對硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的抗水損害性能進行評價。試驗結果見表5 和圖3。

表5 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗結果Table 5 Test results of immersion Marshall and freeze-thaw splitting

圖3 四種混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比Fig.3 Residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio of four mixtures

從圖3 和表5 可以看出，四種瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗結果具有一致的趨勢。加入玄武巖纖維的瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比較70# 基質瀝青都有一定程度的降低，而加入硅藻土后得到了有效的改善和提高。說明玄武巖纖維對瀝青混合料的抗水損害性能起到相反的效果，硅藻土能顯著增強瀝青混合料的水穩定性，硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的抗水損害性能僅次于硅藻土改性瀝青混合料。由于加入玄武巖纖維后，部分纖維存在于瀝青和集料的結合面上，導致這部分結合面區域比較脆弱，水分會沿著纖維到達結合面，在低溫凍融的條件下，水分發生凍脹反應，瀝青結合料逐漸從集料表面散落，降低了其粘附性，最終使混合料的水穩定性變差。而硅藻土加入瀝青后吸附多余的自由瀝青形成較多的結構瀝青，增加了瀝青的粘附性，從而改善了混合料的水穩定性。

3 結論

通過對硅藻土/ 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的路用性能進行研究，主要得出以下結論：

（1）動穩定度大小依次為70# 基質瀝青＜玄武巖纖維＜硅藻土＜復合改性瀝青，硅藻土和玄武巖纖維均能改善瀝青混合料的高溫性能，其中硅藻土的改善效果更理想。

（2）硅藻土或玄武巖纖維均可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性，硅藻土的作用效果更顯著，復合改性瀝青混合料的低溫性能最好。

（3）玄武巖纖維不利于瀝青混合料的抗水損害性能，硅藻土能明顯改善瀝青混合料的水穩定性，摻硅藻土后的玄武巖纖維瀝青混合料水穩定性有所改善。