摻加玄武巖纖維的AR-SMA設計及路用性能研究

作者簡介：

李文帥 （1987—），工程師，主要從事道路與橋梁技術研究和施工管理工作。

相較常規骨架密實型SMA瀝青混合料，摻加玄武巖纖維會改變混合料的最優級配設計結果、體積參數指標以及路用性能表現。文章在摻加玄武巖纖維的基礎上，利用橡膠瀝青作為粘結料，制備摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料，并結合工程實例，對摻加玄武巖纖維的AR-SMA的配合比進行優化設計，驗證纖維加入對混合料穩定性及路用性能的影響。

玄武巖纖維;吸油率;油石比;配合比設計

U416.21A020063

0 引言

SMA是一種典型的骨架密實型瀝青混合料，可選用橡膠瀝青作為粘結料制備得到AR-SMA瀝青混合料，在提升其路用性能表現的同時，循環利用廢舊膠粉也能實現節能環保，因此得到了越來越廣泛的應用。

玄武巖纖維是利用高溫將天然玄武巖加熱至熔融狀態后經拉絲制備所得的巖質纖維，其自身強度高，在車船制造、石油化工和建筑材料領域均有廣泛的應用，國內外學者對其應用展開了諸多研究。何東坡[1]等人在OGFC排水瀝青混合料中摻加了玄武巖纖維，選用4種不同長度的纖維分別確定最佳油石比并制備了試件，通過飛散試驗、滲水試驗等指標，確定出6 mm的最佳纖維長度選擇;楊程程[2]等人通過ABAQUS有限元軟件搭建數字模型，模擬了隨機分布狀態下，玄武巖纖維摻加比例、纖維模量以及纖維不同長徑比選擇對混合料小梁有限元模型的抗彎拉模擬結果的影響，認為玄武巖纖維摻量影響程度最明顯，纖維模量影響最小;羅倩[3]研究了玄武巖纖維摻配對高粘瀝青制備的大孔隙混合料路用性能的影響規律，認為玄武巖纖維的摻加能夠提升其水穩定性和低溫抗裂性，但在一定程度上會影響其透水能力，并確定了0.25%的最佳摻配比例;郭慶林[4]等人在密實型瀝青混合料中摻入了短切玄武巖纖維，通過半圓彎拉試驗檢測混合料斷裂性能變化規律，認為該纖維的摻加能夠提升混合料的破壞延性和強度;盧祎苗[5]等人設計了水浴和高溫兩種模擬條件的耦合作用，摻加玄武巖纖維前后混合料路用性能變化規律，認為玄武巖纖維的摻加能夠提升該耦合作用下混合料的抗車轍能力。

綜上所述，現有針對玄武巖纖維在瀝青混合料中的摻配研究已有一定的研究基礎，但研究成果主要體現在AC以及大孔隙瀝青混合料結構中，且選用的粘結材料鮮有涉及橡膠瀝青。為拓展玄武巖纖維在AR-SMA瀝青混合料中的應用場景，本文在摻加玄武巖纖維的基礎上，利用橡膠瀝青作為粘結料，制備摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料，對比束型、絮型以及分散型狀態纖維分布狀態條件的玄武巖纖維吸油特性，分析其加入對配合比設計中油石比變化的影響，并結合實體工程建設，對摻加玄武巖纖維的AR-SMA的配合比進行優化設計，驗證其穩定性及路用性能指標。

1 纖維吸油特性分析

為準確把控后續瀝青混合料配合比設計過程中的瀝青用量，須先對不同纖維分布狀態的玄武巖纖維吸油特性進行檢測，以選取適用纖維類別。現有規范中對玄武巖纖維吸油率的規定要求應在50%以上，針對絮型狀態的玄武巖纖維則要求>200%。本文分別選取了束型、絮型以及分散型狀態3種纖維分布狀態的玄武巖纖維，如圖1所示。

針對上述三類玄武巖纖維分別進行吸油率檢測試驗，試驗結果如表1所示。

由表1可以發現，束型玄武巖纖維的吸油率最小，平均為89%，而絮型和分散型玄武巖纖維的吸油率均在300%以上。在常見的懸浮密實型瀝青混合料配合比設計過程中，選用的纖維摻配比例通常為0.3%，以上文所述的纖維吸油率為89%進行計算，混合料中需增加0.267%的瀝青，并不會對瀝青用量或油石比產生明顯的影響。束型玄武巖纖維摻配比例通常為0.4%，即需要增加0.356%的瀝青用量。對比0.3%摻量且吸油率為600%的木質素纖維，吸附1.8%質量的瀝青，0.4%束型玄武巖纖維的摻加須減少一定的瀝青用量，這將可能會導致骨架密實結構SMA的空隙無法得到完全填充，導致空隙率過大而無法保證瀝青混合料的水穩定性。因此在摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料配合比設計過程中應對級配進行適應性調整，以縮小礦料間隙率。

2 玄武巖纖維AR-SMA技術指標

結合上文的玄武巖纖維吸油率測試結果，對常規的SMA瀝青混合料級配選擇進行調整，確保4.75 mm等關鍵篩孔通過率在中值以上。結合工程經驗以及大量室內試驗提出適合玄武巖纖維AR-SMA的各項技術指標，如表2所示。

3 工程概況

文章試驗依托某高等級公路改擴建工程展開研究，其中采用摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料面層的試驗段長度為11.54 km，原路面上面層結構為SMA-13瀝青混合料材料，試驗段僅將上面層材料替換為等厚度的摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料，其余各層保持不變。

4 配合比設計

4.1 級配設計

對摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料進行配合比設計。在擬定級配組成時，共擬定三組級配進行對比試驗。而摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料級配須確保4.75 mm等關鍵篩孔通過率在中值以上，因此最終確定的級配設計結果如圖2所示。

4.2 最佳油石比確定

在確定最佳油石比試驗中，選用橡膠瀝青作為粘結材料，初擬油石比為6.4%，并以此為中值共擬定三組油石比，分別為6.1%、6.4%以及6.7%，按照三組油石比分別制備對應的馬歇爾試件，檢測結果如表3所示。確定最佳油石比確定為6.4%。

4.3 穩定性檢驗

4.3.1 謝倫堡析漏試驗

考慮到粘結材料選用的是橡膠瀝青，確定謝倫堡析漏試驗的加熱保溫溫度為180 ℃，保溫時間確定為60 min，保溫完成后立刻進行析漏檢測，檢測結果如表4所示。

4.3.2 肯塔堡飛散試驗

將按上文配合比設計結果制備的馬歇爾試件置于20 ℃水浴中保溫24 h，利用洛杉磯磨耗試驗機對其展開飛散試驗檢測，檢測結果如表5所示。

4.4 路用性能檢驗

在車輛荷載的反復作用以及自然環境的不斷侵蝕下，為確保摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料具備良好的路用性能表現，文章針對高溫穩定性和水穩定性重點進行檢測。

4.4.1 高溫穩定性試驗

按照上文設計的級配和最佳油石比，制備車轍試件并進行車轍試驗檢測，以驗證其高溫穩定性。同時，按照同樣的級配，重新通過試驗獲得對應最佳油石比，制備一組常規AR-SMA-13瀝青混合料試件作為對照組，檢驗結果如表6所示。

由表6可以發現，二者均能滿足規范的要求。相較于未摻加玄武巖纖維的AR-SMA-13瀝青混合料，玄武巖纖維的摻加可顯著提升混合料的動穩定度，提升量達15%，增強了高溫穩定性。

4.4.2 水穩定性試驗

水穩定性檢驗結果如表7～8所示。

摻加玄武巖纖維前后的AR-SMA-13瀝青混合料的殘留穩定度和TSR值均可滿足規范要求。玄武巖纖維的加入能在一定程度上提升其殘留穩定度和TSR值，增強混合料的水穩定性。

5 施工拌和要點

因玄武巖纖維的加入，在現場施工過程中須著重

關注混合料的拌和過程控制。摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料應采用間歇式拌和設備進行均勻拌和，為確保纖維能夠均勻分布于混合料中，應確保生產周期在60 s以上，且應先將粗細集料和玄武巖纖維干拌15 s。

6 結語

本文依托某高等級公路改擴建工程，設計了玄武巖纖維AR-SMA-13上面層。首先對比不同纖維分布狀態條件的玄武巖纖維吸油特性，進而分析玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料油石比變化特征，對摻加玄武巖纖維的AR-SMA的配合比進行優化設計，并驗證了混合料穩定性及路用性能指標，得出如下主要結論：

（1）摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料應對級配進行適應性調整，以縮小礦料間隙率。

（2）摻加玄武巖纖維的AR-SMA-13最佳油石比為6.4%。

（3）玄武巖纖維的摻加能增強AR-SMA-13瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性。

（4）應確保混合料拌和生產周期在60 s以上，且應先將粗細集料和玄武巖纖維干拌15 s。

[1]何東坡，左惠宇.玄武巖纖維長度對排水瀝青路面性能影響研究[J].公路，2021，66（1）：13-18.

[2]楊程程，劉朝暉，柳 力，等.玄武巖纖維增強瀝青混合料彎拉性能多參數敏感性分析[J].公路交通科技，2020，37（11）：1-7.

[3]羅 倩.玄武巖纖維對大空隙高黏瀝青混合料路用性能的影響[J].公路，2020，65（10）：286-292.

[4]郭慶林，王紅雨，高 穎，等.短切柔性纖維對密實型瀝青混凝土斷裂特性的影響[J].科學技術與工程，2020，20（13）：5 377-5 382.

[5]盧祎苗，肖 鵬，夏 炎，等.玄武巖纖維瀝青混合料水損傷衰變規律分析[J].公路工程，2020，45（2）：55-60，85.