玄武巖纖維/玻璃纖維瀝青混合料路用性能研究

摘要：為研究玄武巖纖維/玻璃纖維瀝青混合料的路用性能，文章在纖維總摻量為3%的情況下，采用兩種纖維單摻和物理共混復(fù)摻的方式，制備了三種纖維瀝青混合料，并對(duì)三種纖維瀝青混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：相較于纖維單摻，玄武巖纖維與玻璃纖維1∶1復(fù)摻，可有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損壞性能，能較好適用于南方高溫多雨的濕熱環(huán)境；對(duì)于瀝青混合料低溫性能，兩種纖維復(fù)摻對(duì)其低溫抗裂性能沒(méi)有較為明顯的提升與改善。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；玄武巖纖維；玻璃纖維；路用性能

0引言

瀝青混合料中纖維的使用較為廣泛，其主要作為穩(wěn)定劑和分散劑，對(duì)瀝青混合料的路用性能有一定的改善［1-2］。纖維在瀝青混合料中的主要有吸附、穩(wěn)定、加筋、阻裂、增韌等作用，因此較適用于重載交通以及夏季氣溫較高地區(qū)［3-5］。

在工程實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在瀝青混合料中，以合適的比例摻入兩種及兩種以上不同類型或不同尺寸的纖維，可以發(fā)揮不同纖維的優(yōu)勢(shì)，不同纖維協(xié)同作用，對(duì)瀝青混合料結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定、加固和增韌，從而提高瀝青混合料的力學(xué)性能和耐久性能［6-10］，因此混雜纖維瀝青混合料逐漸成為了研究的熱點(diǎn)。

蔣雷鳴［11］發(fā)現(xiàn)相較于纖維單摻，纖維混摻后瀝青混合料的路用性能會(huì)更勝一籌，且在纖維總摻量一定的情況下，[JP]不同纖維混摻比例也會(huì)對(duì)瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)有一定的影響。李楠［12］發(fā)現(xiàn)纖維復(fù)合改性瀝青混合料具有較好的抗老化性能，其中玄武巖纖維、玻璃纖維和木質(zhì)纖維在瀝青混合料老化后仍具有不錯(cuò)的高溫性能和抗水損壞性能。蔣夢(mèng)雅等［13］通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)、半圓彎拉試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維與瀝青具有較好的粘結(jié)性，其粘結(jié)強(qiáng)度高于玄武巖纖維，當(dāng)玻璃纖維摻量為0.3%時(shí)，其改性瀝青混合料具有最佳的路用性能。李建合等［14］通過(guò)研究不同摻量玄武巖纖維對(duì)SBS改性瀝青混合料的路用性能影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻量為0.3%時(shí)，其瀝青混合料路用性能提升最顯著。

綜上所述，本文將結(jié)合玄武巖纖維和玻璃纖維材料的特點(diǎn)，充分發(fā)揮兩種纖維材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在纖維總摻量為3%的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析兩種纖維單摻和兩種纖維等比例復(fù)摻后瀝青混合料的路用性能。

1 原材料性能檢測(cè)

1.1 瀝青

為凸顯纖維改性瀝青混合料路用性能，本文選用較為常用的SBS改性瀝青，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行主要性能檢測(cè)［15］，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

1.2 礦料

本文選用的兩檔粗集料均為玄武巖，粗集料表面粗糙、干燥且潔凈，細(xì)集料和礦粉均為石灰?guī)r。依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）［16］中的試驗(yàn)方法進(jìn)行主要性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下頁(yè)表2～4所示。

1.3 纖維

本文選取的纖維分別為玄武巖纖維和玻璃纖維，兩種纖維在瀝青路面中應(yīng)用較為廣泛。其中，玻璃纖維具有較好的耐熱性、抗腐蝕性和較高的強(qiáng)度，玻璃纖維與瀝青結(jié)合后具有較好的粘結(jié)性，在瀝青混合料中具有較好的分散性，容易形成網(wǎng)狀搭接的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)［17-18］；玄武巖纖維是一種綠色環(huán)保材料，同樣具有較好的耐熱性、抗腐蝕性和強(qiáng)度，在瀝青路面中應(yīng)用較為廣泛［19-20］。玄武巖纖維和玻璃纖維的各項(xiàng)指標(biāo)如表5所示。

2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)SMA-13級(jí)配范圍（表6），通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)最終確定了一條在級(jí)配中值附近的級(jí)配曲線作為合成級(jí)配，具體級(jí)配曲線如圖1所示。由于兩種纖維的體積參數(shù)相差較小，在纖維總質(zhì)量一定的情況下，不同纖維對(duì)瀝青混合料的體積指標(biāo)影響較小。對(duì)兩個(gè)纖維單摻組和質(zhì)量比例為1∶1的纖維復(fù)摻組進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)合各項(xiàng)瀝青混合料的體積指標(biāo)，得出三組瀝青混合料最佳油石比均為5.1%。

3 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

3.1 高溫性能試驗(yàn)研究

對(duì)于高溫且濕熱的南方地區(qū)，重載交通下更容易發(fā)生車轍等病害，因此，對(duì)瀝青路面的高溫性能要求更高。三種纖維瀝青混合料高溫性能采用常規(guī)車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)比動(dòng)穩(wěn)定度（DS）來(lái)分析各組瀝青混合料的高溫性能，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可知，三種纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，其中兩種纖維復(fù)摻的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最高，相較于玄武巖纖維瀝青混合料和玻璃纖維瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別增加了20%和28%，說(shuō)明其抗車轍性能較好。這可能是因?yàn)樾鋷r纖維具有較大的比表面積，與瀝青粘結(jié)后具有較好的整體性和穩(wěn)定性；加上玻璃纖維不易結(jié)團(tuán)的特性，使得纖維間相互搭接，形成了均勻且穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，從而改善了混合料的高溫性能。

3.2 低溫抗裂性能試驗(yàn)研究

瀝青路面在低溫狀態(tài)下受力容易發(fā)生脆斷，從而產(chǎn)生溫縮裂縫。本文采用低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，通過(guò)測(cè)試三種纖維改性瀝青混合料小梁試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變（μ）和抗彎拉強(qiáng)度（RB），通過(guò)比較μ和RB的大小來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，三種纖維瀝青混合料均滿足規(guī)范要求，其中玄武巖纖維瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變最高，纖維復(fù)摻介于單摻玄武巖纖維和單摻玻璃纖維之間，說(shuō)明1∶1纖維復(fù)摻對(duì)于瀝青混合料低溫性能提升不明顯；對(duì)于彎拉強(qiáng)度，三種纖維瀝青混合料從大到小依次為纖維復(fù)摻＞玻璃纖維＞玄武巖纖維，纖維復(fù)摻相較于玻璃纖維和玄武巖纖維彎拉強(qiáng)度分別增加了7%和10%。這是因?yàn)槔w維會(huì)吸收一定的瀝青中輕質(zhì)組分，使得彎拉應(yīng)變整體變化不明顯；而復(fù)摻纖維對(duì)瀝青的約束更強(qiáng)，限制了混合料的相對(duì)位移，使整體抗彎拉強(qiáng)度得到提升。

3.3 凍融劈裂試驗(yàn)研究

本文通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)三種瀝青混合料的水穩(wěn)性能。通過(guò)測(cè)試不同試件的劈裂抗拉強(qiáng)度后，可得到劈裂抗拉強(qiáng)度比（TSR）。一般來(lái)說(shuō)，TSR越大則表明混合料受凍融循環(huán)后其強(qiáng)度保留越大，說(shuō)明其水穩(wěn)性越好。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，三種纖維瀝青混合料在經(jīng)歷凍融循環(huán)后劈裂強(qiáng)度均受到一定影響，其中復(fù)摻纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度最高。這是由于玻璃纖維材料的疏水性和親油性導(dǎo)致的，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小，加之玄武巖纖維可以強(qiáng)化玻璃纖維的抗水損害性能，從而提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.4 抗飛散試驗(yàn)研究

飛散試驗(yàn)不但可以確定SMA瀝青混合料的瀝青用量，也可以評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損害性能，能較好地反映路面抗松散和抗剝落等病害的能力。按照瀝青規(guī)范［15］進(jìn)行浸水飛散試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5瀝青混合料飛散試驗(yàn)結(jié)果可知，三種纖維瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，其中玻璃纖維瀝青混合料飛散損失率最高，其次是玄武巖纖維組和纖維復(fù)摻組，說(shuō)明纖維復(fù)摻提高了瀝青、纖維和礦料間的粘結(jié)性，使瀝青混合料的整體性和抗飛散性能得到提高，較好地預(yù)防了瀝青混合料路面的松散和剝落等病害的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）相較于纖維單摻，玄武巖纖維與玻璃纖維1∶1復(fù)摻，可有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損壞性能，能較好適用于南方高溫多雨的濕熱環(huán)境。

（2）對(duì)于瀝青混合料低溫性能，玄武巖纖維與玻璃纖維1∶1復(fù)摻，對(duì)其低溫抗裂性能沒(méi)有較為明顯的提升與改善。

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作者簡(jiǎn)介：韋才超（1986—），工程師，主要從事公路工程項(xiàng)目建設(shè)管理工作。