天然纖維改性瀝青混凝土性能研究

潘國志

（喀左縣交通運輸事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 朝陽 122300）

0 引言

高溫、多雨、凍融循環(huán)、紫外線照射等極端天氣會對傳統(tǒng)瀝青混凝土路面的耐久性產(chǎn)生重要影響，尤其是在晝夜溫差大的地區(qū)，很容易在瀝青混凝土路面產(chǎn)生溫度型裂縫，從而影響行車舒適性和安全性，因此有必要對極端氣候地區(qū)的瀝青混凝土耐久性展開專項研究[1]。為降低溫度型裂縫產(chǎn)生的概率，許多轉(zhuǎn)接學者提出利用高強、高彈、高抗拔纖維對瀝青混凝土進行改良[2]。但是，一些研究表明，傳統(tǒng)常用的一些纖維（如木質(zhì)素纖維、聚酯纖維等）在面對極端氣候時，其耐久性仍然表現(xiàn)較差，對于瀝青混凝土的改良效果很一般，溫度型裂縫出現(xiàn)的頻率仍然較高，因此尋找一種替代纖維來對瀝青混凝土進行改良勢在必行。玄武巖纖維是一種經(jīng)過人工加工的具有優(yōu)良性能的天然纖維。大量研究表明，由于玄武巖纖維是惰性材料，故而具有很強的抗裂、抗凍、抗腐蝕和增強增韌的效果，如果將其應(yīng)用到瀝青混凝土的改良中，可以對路面耐久性和使用壽命起到顯著的提升作用[3-5]。

該文利用玄武巖纖維對瀝青混凝土進行改良試驗，重點探討玄武巖纖維摻量和玄武巖長度對路用性能的影響，通過正交試驗確定玄武巖纖維的最佳摻入方案，以期能為提升瀝青混凝土在極端氣候條件下的耐久性能提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

該文所配制的纖維改性瀝青混凝土主要原材料包括：90#基質(zhì)瀝青、礦料、石灰石礦粉和玄武巖纖維。90#基8.3 mm、46 ℃和150 cm。礦料的粒徑范圍為0~15 mm，壓碎值為21.3%。石灰石礦粉粒徑為0~0.6 mm，主要粒徑范圍集中在0~0.075 mm。玄武巖纖維的單絲直徑均為11 μm，但單絲長度分為3 mm、6 mm和9 mm三種，具體物理力學性能指標見表1。

表1 玄武巖纖維物理力學指標

1.2 配合比方案設(shè)計

首先利用90#基質(zhì)瀝青、礦料、石灰石礦粉（礦粉摻量均為5%）等為主要原材料配制AC-13型瀝青混合料，AC-13型瀝青混合料的級配曲線見圖1。然后利用長度為3 mm、6 mm和9 mm的三種類型纖維對瀝青混合料進行改性，每種長度玄武巖纖維摻量分別為0.1%、0.3%和0.5%三種，采用正交方式進行試驗，分別得到每種纖維摻入方式下對應(yīng)的最佳瀝青摻量，具體試驗方案配合比設(shè)計見表2。

圖1 AC-13型瀝青混合料級配曲線

表2 試驗配合比方案

1.3 試驗方法

該文試驗內(nèi)容包括高溫穩(wěn)定性試驗、水穩(wěn)定性試驗和低溫文地形試驗，分別采用車轍試驗法、馬歇爾試驗法和三點彎曲試驗法進行測試。

2 高溫穩(wěn)定性

玄武巖纖維改性瀝青混凝土動穩(wěn)定度測試結(jié)果見圖2。從圖2可知：玄武巖纖維改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度隨著纖維摻量和纖維長度的增加而逐漸減??；摻入適量長度的玄武巖纖維可以提升瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，減小因車輪碾壓而產(chǎn)生的變形，這主要是因為玄武巖纖維作為一種惰性材料，自身很難發(fā)生化學反應(yīng)，而且吸油性強，能夠與大量瀝青基質(zhì)吸附在一起，達到很好的加筋效果。纖維在混凝土中所形成的錯綜復雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以起到填充和分層隔熱作用，從而提升瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。但是如果摻入過量過長（長度9 mm，摻量0.5%）的玄武巖纖維時，可能導致纖維在瀝青混凝土中的分散性變差，出現(xiàn)局部團聚的現(xiàn)象，反而在瀝青混凝土中形成薄弱界面，不利于高溫穩(wěn)定性。因此，從高溫穩(wěn)定性來講，宜摻入低摻量、短纖維玄武巖。

圖2 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

3 水穩(wěn)定性

玄武巖纖維改性瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度測試結(jié)果見圖3。從圖3可知：相同玄武巖長度下，殘留穩(wěn)定度隨摻量增加呈先增大后減小變化特征，當玄武巖纖維摻量為0.3%時，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度最大；相同玄武巖纖維摻量下，殘留穩(wěn)定度隨著玄武巖長度增加而逐漸減小。改性試驗組的殘留穩(wěn)定度相比未改性試驗組均有不同程度的提高，表明摻入玄武巖纖維可以提升瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能，這是因為摻入玄武巖纖維后，瀝青混凝土中的瀝青用量增加，混凝土中的瀝青膜厚度也隨之增大，瀝青膜與錯綜分布的纖維交織在一起，組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而減小水力侵蝕現(xiàn)象，增強在水力作用下的穩(wěn)定性。但是玄武巖纖維的摻量并不是越高越好，當摻量過高時，玄武巖纖維在瀝青混凝土中團聚的現(xiàn)象越來越多，而結(jié)團中的瀝青主要以自由瀝青為主，從而會使瀝青混凝土的用油量增大，反而不利于瀝青混凝土整體的力學性質(zhì)。纖維長度增加后，會導致纖維與瀝青結(jié)合體的空間結(jié)構(gòu)增大，瀝青混凝土所能承受的極限水壓力就會隨之減小，因而殘留穩(wěn)定度降低。從水穩(wěn)定性來講，玄武巖纖維的摻量應(yīng)適中，但長度宜取小值。

圖3 殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

4 低溫穩(wěn)定性

玄武巖纖維改性瀝青混凝土三點彎曲試驗結(jié)果見圖4。從圖4可知：改性瀝青混凝土的彎拉強度和最大彎拉應(yīng)變均是在試驗5組（玄武巖摻量為0.3%，長度為6 mm）摻入方式下達到最大值，相比未摻入玄武巖纖維試驗組，試驗5組在不同溫度下的彎拉強度平均提升了11.05%，最大彎拉應(yīng)變平均提升22.15%。相同玄武巖摻量下，溫度越低，瀝青混凝土的彎拉強度和最大彎拉應(yīng)變隨著溫度升高而逐漸增大，而彎曲勁度模量在不同溫度下表現(xiàn)出不同的變化特征。在低溫時，試驗5組的彎曲勁度模量最小或者接近于最小，但是在25 ℃下后，試驗5組的彎曲勁度模量又是最大。從整體上來講，玄武巖纖維對瀝青混凝土低溫穩(wěn)定性的影響排序為最大彎拉應(yīng)變>彎拉強度>彎曲勁度模量。

圖4 三點彎曲試驗結(jié)果

雖然摻入短的玄武巖纖維能夠使瀝青混凝土表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，但受短纖維長度的限制，短玄武巖纖維可以黏結(jié)的瀝青顆粒數(shù)量是有限的，因此所能形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性相對有限。如果摻入的玄武巖纖維長度過長，則容易導致瀝青混凝土拌和過程中出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，纖維分布不均，因此纖維的長度宜適中，才能起到良好的加筋效果。因此，認為玄武巖纖維長度為6 mm，且摻量為0.3%時，改性瀝青混凝土的低溫穩(wěn)定性可以達到最佳。

5 討論

從上述試驗結(jié)果可知：玄武巖纖維對瀝青混凝土的各項性能具有較好的提升作用，但總體來講摻量和長度均不宜過大，通過各項性能的綜合考量，最終決定采用玄武巖摻量0.3%、長度6 mm對瀝青混凝土進行改良，在此改良方案下的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變參數(shù)見表3。從表3可知：在該改良方案下，瀝青混凝土的各項路用性能均滿足技術(shù)規(guī)范要求，特別是高低溫性能較未摻入玄武巖纖維時有較大的幅度的提升。

表3 試驗配合比方案

6 結(jié)論

（1）瀝青混合料的動穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度隨玄武巖纖維長度的增加而逐漸減小，動穩(wěn)定度隨著纖維摻量增加而降低，殘留穩(wěn)定度隨著纖維摻量增加呈先增大后降低變化特征。

（2）玄武巖改性瀝青混凝土的彎拉強度和最大彎拉應(yīng)變隨著纖維長度和摻量增加呈先增大后減小的變化特征。

（3）玄武巖纖維長度和摻量不宜過長和過大，當摻量為0.1%~0.3%、長度為3~6 mm時，改性瀝青混合料的路用性能相對比較優(yōu)越。

（4）綜合對比改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，選取長度為6 mm的玄武巖纖維，摻入0.3%對瀝青混合料進行改性，改性后的瀝青混合料性能相比未改性前高低溫性能有較大幅度提升，且均滿足規(guī)范要求。