玄武巖纖維摻量對熱再生瀝青混合料性能的影響研究

郭琦

（張家口路橋建設集團有限公司，河北 張家口 075000）

1 引言

研究表明，纖維在瀝青混合料當中的加筋作用能有效改善瀝青混合料的路用性能[1-2]。 近年來，各種纖維在瀝青混合料中的應用研究日益廣泛，其中，玄武巖纖維作為一種優質的礦物纖維，具有改善瀝青路面性能的特點，已被廣泛用于瀝青路面的改造工程。 然而，目前對玄武巖纖維在再生瀝青混合料中的應用研究還很少。 基于此，本文對同摻量玄武巖纖維的再生瀝青混合料進行馬歇爾試驗，并研究玄武巖纖維的摻量對再生瀝青混合料相關指標的影響，包括高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性，并研究玄武巖纖維的摻量與再生瀝青混合料馬歇爾試驗各項指標間的對應關系，從而確定玄武巖纖維的最佳摻量。

2 工程概況

某高速公路全線按雙向四車道高速公路標準進行設計，設計時速為100 km/h。 瀝青面層結構較薄，承載能力較一般路面低，經過了12 年的通車運營，路面技術狀況正逐年下降， 現擬將主干道翻挖、 銑刨下來的瀝青上面層材料AC-13 為RAP 材料，采用玄武巖纖維熱再生技術制備路面材料，并研究玄武巖摻量對混合料性能的影響。

3 工程實踐

3.1 原材料

3.1.1 再生瀝青混合料（RAP）

瀝青材料的類型是基質瀝青， 選用0.075~16 mm 的一組標準方孔套篩進行篩分試驗， 并對其原始狀態的表觀級配組成進行分析。

3.1.2 新集料

根據JTG F 40—2004 《公路瀝青路面施工技術規范》，新集料選用當地優質的石灰巖破碎而成的碎石， 集料尺寸分為0~2 mm、2~8 mm、8~16 mm、16~22 mm，并使用填料。

3.1.3 再生劑

從再生劑性能檢測試驗結果來看， 再生劑的各項技術指標符合規范中RA-1 型再生劑的技術要求， 說明所選再生劑性能較高[3]。 其中，60 ℃時的運動黏度為5.347 mm2/s，閃點不宜低于220 ℃，薄膜烘箱試驗前后質量變化在-3%~3%，老化前后60 ℃運動黏度比不宜大于30%。

3.2 混合料配合比設計

（1）只摻入新瀝青，不摻入玄武巖纖維；再生瀝青混合料的可參考經驗瀝青用量為3%、3.5%、4%、4.5%、5%， 依次進行各項指標的馬歇爾試驗， 分析得到最佳新瀝青摻量為4%；（2）摻入新瀝青和玄武巖纖維，以（1）得出的最佳瀝青用量為參考指標， 在再生瀝青混合料中分別加入不同摻量的玄武巖纖維（0.2%、0.3%、0.4%）進行馬歇爾試驗，每種纖維摻量下參考5 個新瀝青摻量分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%設定，根據試驗數據分析確定最佳的玄武巖纖維摻量及其相應的新瀝青摻量。不同摻量玄武巖纖維時再生混合料馬歇爾試驗結果見表1。

表1 再生瀝青混合料馬歇爾指標

可以分析得出：根據空隙率、瀝青飽和度、穩定度所確定的最佳油石比范圍在4.4~5.0，且毛體積密度及穩定度最大值、空隙率中值及瀝青飽和度中值分別為：α1＝5.4%、α2＝5.1%、α3＝4.5%、α4＝4.6%，則最佳瀝青用量初始值OAC1=（α1+α2+α3+α4）／4＝4.9%， 而滿足各項技術指標要求的油石比范圍為4.4%~5.0%，中值為4.7%，因此，目標瀝青混合料最佳油石比取OAC =4.8。

3.3 混合料路用性能

3.3.1 高溫穩定性

瀝青路面車轍是瀝青混合料在高溫和荷載的共同作用下因抗剪能力不足而引發的橫側向流動變形。 依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的漢堡車轍試驗評價AC-20 再生瀝青混合料的高溫性能， 制備5 種纖維摻量的AC-20 標準馬歇爾成型試件，控制指標見表2、圖1。

圖1 不同纖維摻量時瀝青混合料的動穩定度

表2 再生劑性能測試試驗結果

根據圖1 分析，玄武巖纖維的摻量增加對混合料的高溫穩定性有較好的提升作用， 混合料的動穩定度隨著玄武巖摻量的增加而增加。 在玄武巖纖維摻量為0.2%時混合料的動穩定度提升最顯著，對混合料高溫穩定性能影響最大，但隨著纖維摻量的逐漸增加， 混合料動穩定度的提升幅度趨于平緩。

總結： 摻入玄武巖纖維對混合料的髙溫穩定性有一定的提高， 并且隨著纖維含量的增加， 混合料的動穩定度逐漸增大，但是增幅較為緩和。

3.3.2 水穩定性能

在再生混合料的性能試驗中，需要結合浸水試驗和凍融劈裂試驗來評價混合料的水穩定性，并利用殘留穩定度和凍融劈裂強度比來確定混合料的水穩定性。 試驗結果如圖2 所示。

從圖2 可以看出，隨著玄武巖摻量的增加，混合料殘留穩定度先快速增加后緩慢降低，在玄武巖摻量為4%時達到峰值，為92.7%。 而混合料的凍融劈裂強度比也隨著玄武纖維摻量的增加呈現先增大后減小的變化規律，增加幅度較為緩和，凍融劈裂強度比達到最大值時，對應的玄武巖纖維摻量為6%。

綜合這兩個指標考慮，玄武巖摻量在4%~6%時，熱再生瀝青混合料具有較好的水穩定性。 這是因為纖維的摻入使混合料內部的界面強度增大， 同時纖維摻量的增多導致油石比的提高，瀝青膜的厚度和比表面積隨之增大，從而提高了混合料水穩定性，綜上所述，玄武巖纖維的摻入使混合料具有更好的水穩定性。

3.3.3 低溫性能

根據規范， 熱再生混合料評價低溫性能常用的方法為小梁彎曲試驗，制備5 種纖維摻量的AC-20 標準馬歇爾成型試件，試驗結果如圖3 所示。

圖3 不同再生劑摻量的最大彎拉應變

根據圖3 可以看出，隨著纖維摻量的增加，最大彎拉應變整體的上升趨勢， 這是由于玄武巖纖維的摻入使瀝青用量增加，瀝青與集料之間的界面強度隨之增大。 同時，纖維的加筋作用可以使混合料中產生的裂縫得到緩沖， 阻礙裂縫的進一步擴大并擴散應力。 但纖維摻量增加到0.4%之后，再生瀝青混合料的低溫性能的提升效果稍有降低，在纖維摻量0%~4%時最大彎拉應變增加了210 με，而從6%~8%只增加了14 με。

在熱再生瀝青混合料摻入纖維后， 纖維摻量在0.4%~0.8%時混合料均有較好的路用性能，但過低摻量（0.2%）對再生瀝青混合料的低溫性能改善效果不足，過高摻量（0.8%）又會一定程度上劣化水穩定性能，因此，熱再生瀝青混合料中玄武巖纖維的最佳摻量為0.6%[4]。

4 結語

本文依托某高速公路項目， 從廠拌熱再生瀝青混合料配合比設計，施工工藝和質量控制3 個方面進行分析，可以得出摻玄武巖纖維在公路工程瀝青路面養護中的具有良好廣闊的應用前景，得出結論如下：

1）在玄武巖纖維摻量為0.2%~0.4%時混合料的動穩定度提升最顯著，對混合料高溫穩定性能影響最大，但隨著纖維摻量的逐漸增加，混合料動穩定度的提升幅度趨于平緩；

2）適當摻入玄武巖纖維能全面提高再生混合料的路用性能，玄武巖摻量在0.4%~0.6%時，熱再生瀝青混合料具有較好的水穩定性；

3）在熱再生瀝青混合料中纖維摻量過低（0.2%）對再生瀝青混合料的低溫性能改善效果不足， 纖維摻量過高摻量（0.8%）又會在一定程度上劣化水穩定性能，因此，熱再生瀝青混合料中玄武巖纖維的最佳摻量為0.6%。