玄武巖纖維改性瀝青混合料的試驗及應用

王小杰

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030000）

瀝青路面已被廣泛應用于各等級道路路面的鋪裝中，但部分道路等級高、承載力要求高的路面結構，在使用過程中常在受到頻繁的重載交通荷載后出現嚴重的裂縫、推移及車轍等病害問題。如何解決上述病害問題，是科研工作者研究的重要方向。

一、引言

我國在20世紀末期開始研究在瀝青混合料中加入纖維，并把改性技術應用于國內典型的高速公路中。通過連續觀察運營期間的高速公路，驗證了加入纖維的瀝青路面的路用性能能保持穩定。目前，國內常用的纖維外加劑主要是聚合物纖維和天然纖維兩大類，根據混合料的配合比加入相適應的纖維能夠有效改善混合料的性能。本文把5種摻量的玄武巖纖維摻入混合料中，并通過相關工程經驗和試驗確定混合料的級配取值和最佳瀝青用量，再分別通過室內路用性能試驗驗證不同摻量的玄武巖纖維對混合料路用性能的改善效果。

二、室內試驗

（一）試驗材料

瀝青：AH-90瀝青；

纖維添加劑：玄武巖纖維，其形狀為短切無堿原絲；

集料：粗、細集料全部采用花崗巖碎石，礦粉選用磨細的石灰巖。

（二）配合比設計

礦料級配：結合相關工程經驗，該試驗選擇AC-13型級配；

最佳瀝青用量：根據相關工程經驗，按合成級配設計配合比。在瀝青混合料中分別加入0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.5%比例的玄武巖纖維，并按照馬歇爾試驗確定上述5種纖維摻量的混合料最佳瀝青用量。

結果顯示，隨著玄武巖纖維用量的增多，混合料的最佳瀝青用量也增多，纖維的摻入能夠與瀝青相結合，使混合料的強度和穩定性提高。

（三）試驗方案

按各個摻量的玄武巖纖維的合成級配和最佳瀝青用量成型馬歇爾試件。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程（JTG E20-2011）》，分別對0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%5種比例纖維摻量下的瀝青混合料實施車轍試驗、低溫試驗、水穩定性試驗。

三、室內試驗分析

（一）高溫穩定性

按玄武巖纖維摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%制備5組瀝青混合料車轍試件，并分別對5組車轍試件進行高溫車轍試驗。試驗條件設定為：溫度60℃，輪壓0.7MPa，碾壓速度42次/分鐘，碾壓方式為往返反復碾壓。試驗結果顯示，當玄武巖纖維用量為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%時，纖維瀝青混合料車轍試驗的動穩定度分別為891、1042、1198、1439、1490次·mm-1，均能夠滿足規范規定的不小于800次·mm-1的要求。同時，當玄武巖纖維用量從0%增加至0.5%，混合料的動穩定度也隨著增大。這是由于在瀝青混合料中加入纖維，能夠與瀝青很好地結合，從而增加了瀝青的高溫穩黏性；同時，纖維與瀝青形成一個連接的空間網格，相當于對混合料起到加筋作用，而提高了高溫抗車轍能力。但當纖維摻量超過一定量時，混合料的動穩定度增大的幅度將會變得很小。

（二）低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫性能一般采用小梁試驗測定，試驗儀器選擇MTS機，溫度設定為-10℃。低溫試驗結果顯示，纖維摻量為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%，混合料的小梁破壞應變均滿足規范所規定的不小于2500με。同時，增加纖維的摻入量，能夠增加混合料的彎曲強度。在混合料中摻加入纖維能夠增強其彎曲破壞的能力，從而具有更好的低溫性能。這是由于玄武巖纖維在高低溫條件下，同樣具有較好的彎拉強度，其與瀝青混合料形成的空間網格起到的加筋作用能提高混合料的韌性和抗裂性。

（三）水穩定性

該試驗采用凍融劈裂比作為摻入玄武巖纖維的瀝青混合料的水穩定性的評定指標。把制備好的馬歇爾試件分為兩組，一組水浴養生，把試件放入冰箱中，以-18℃的溫度保存16小時后再以60℃的水溫養護2小時；另一組試件室溫養護。所有試件試驗前均應以25℃的水溫養護2小時后方可試驗。試驗結果顯示，纖維摻量為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%時，混合料的凍融劈裂強度比分別為85.4%、87.6%、89.7%、93.0%、92.3%，均能夠滿足規范要求。當纖維用量為0.3%時，混合料的動容劈裂強度比達到最大值93.0%，繼續增加纖維用量達到0.5%時，混合料的凍融劈裂比反而下降到92.3%。這是由于當纖維用量過多時，纖維不能在瀝青混合料之間均勻分布，導致有些地方纖維起團，未能與瀝青形成整體，從而降低了混合料抵抗受水侵蝕的能力。

四、工程實例

（一）工程概況

把玄武巖纖維改性瀝青混合料應用于某高速公路K134+521～K136+441段，選擇玄武巖短切纖維摻入AC-13改性瀝青混合料中鋪筑試驗段。該試驗段長度為1.92km，最大縱坡為3%，處于上坡路段，夏季路表溫度可達70℃以上，交通量大，重載交通多。因此，該試驗段長期受到溫度和重交通荷載的作用，此前的路面結構在使用期內常發生車轍、裂紋等病害。該試驗段的目的是通過摻入玄武巖纖維增加路面的穩定性和使用性，減少出現上述病害問題。

（二）原材料及配合比的設計

該試驗路段選用SBS-I瀝青，混合料類型為AC-13，玄武巖纖維用量取0.3%。按照馬歇爾試驗設計混合料的配合比，級配取值如圖1所示，瀝青用量取4.8%。

（三）施工要點

在混合料的拌和過程中應準確計算纖維用量，纖維用量應與最佳瀝青用量相符；玄武巖纖維改性瀝青混合料的施工溫度應保持在170℃～180℃；玄武巖纖維應采用纖維投料機計算用量后與熱集料一并放入拌鍋中拌和，其拌和時間可以延長5s～25s。

（四）路用性能評價

選擇試驗路段摻加玄武巖纖維的混合料與非試驗路段未摻加纖維的路段，并對比高溫穩定性。對比結果顯示，對于試驗路段加入0.3%玄武巖纖維的混合料的動穩定度，要比非試驗路段未加入纖維的混合料提高25%左右。纖維的加入對于混合料改善抗車轍能力，減少車轍等病害的出現起到了重要作用。持續觀測試驗路段，發現試驗段路面整體性好，路表面無脫落、松散等現象；壓實度比較高，達到了98.9%。因其加入纖維增強了路面的整體性和抗車轍能力，在使用過程中初期路面基本未出現車轍病害，并具有良好的耐久性和抗老化性。因此，摻入玄武巖纖維的瀝青混合料能夠增加路面的使用壽命，并保證其使用性能。

五、結論

通過試驗發現，加入玄武巖纖維的瀝青混合料的抗車轍能力、低溫抗裂性及水穩定性均要比未加纖維的混合料好。混合料的抗車轍能力隨玄武巖纖維摻量的增加而加大，但0.5%摻量與0.3%摻量的纖維的動穩定度增加的幅度很小。混合料的小梁破壞應變同樣也隨著纖維摻量的增多而變大。對于混合料的水穩定性試驗，凍融劈裂比最大值出現在纖維用量為0.3%時，當用量為0.5%時，其凍融劈裂強度比反而下降。因此，推薦使用玄武巖摻量0.3%。評價試驗路段與非試驗路段的路用性能，發現摻入玄武巖纖維能夠有效改善路面的使用性能和延長使用壽命。