玄武巖纖維改性瀝青混凝土性能研究

作者簡介：

梁懷?。?988—），主要從事公路橋梁工程項目管理方面的工作。

摘要：為了提升瀝青混凝土的路用性能，減少其在極端氣候條件下的開裂問題，文章通過采用不同長度和摻量的玄武巖纖維對瀝青混凝土進行改良后研究其性能。結果表明：摻入玄武巖纖維可以顯著提升瀝青混凝土的高、低溫性能和水穩定性，但是纖維長度和摻量不宜過大；當玄武巖摻量為0.3%、長度為6 mm時，瀝青混凝土的各項路用綜合性能最佳，在最佳改良方案下，動穩定度達到2 150.16次/mm，殘留穩定度達到83.3%，25 ℃、-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃下的最大彎拉應變分別達到10 008.6 με、8 652.8 με、8 220.4 με和6 895 με，均較未摻入玄武巖纖維時有較大幅度提升。

關鍵詞：玄武巖纖維；瀝青混凝土；動穩定度；殘留穩定度；最大彎拉應變

中圖分類號：U414 A 20 066 3

0 引言

在氣溫低、晝夜溫差大、輻射強、降雨多的地區，瀝青混凝土路面的耐久性會受到顯著影響，許多路段在運行不久后出現面層開裂的現象，不僅影響了正常使用功能，而且還增大了路面的維護費用。因此，有必要對極端氣候地區的瀝青混凝土耐久性展開專項研究［1-2］。

對瀝青混凝土耐久性進行改良最直接的方法就是摻入外摻料，其中利用纖維高強、高彈以及抗拔等特性對瀝青混凝土進行改良不失為一種有效的方法［3-4］。然而傳統的木質素纖維、聚酯纖維改良瀝青混凝土在上述特殊氣候條件下的耐久性表現并不理想，很多路面仍然出現了不同程度的溫度型裂縫，因此有必要尋找一種材料來替代原有的改性材料。玄武巖纖維作為一種天然纖維，具有斷裂強度高、吸濕性小、吸油性好、導熱系數低等諸多特性，對于瀝青混凝土的路用性能具有較好的改善作用，具備廣闊的應用前景［5-7］。

本文以90#基質瀝青、集料和礦粉作為原材料配制AC-13瀝青混凝土，然后利用不同長度和摻量的玄武巖纖維對瀝青混合料進行改良，以期能為特殊氣候地區瀝青混凝土路面耐久性方面的研究提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

瀝青基質：選用90#基質瀝青，針入度（25 ℃，0.1 mm）為83，軟化點為46 ℃，延度（15 ℃，cm）為150。玄武巖纖維：長度有3 mm、6 mm和9 mm三種，單絲直徑為11 μm，密度為2.65 g/cm3，斷裂強度為3 000 MPa，吸濕率為0.8%，受熱質量損失為2%，吸油率為57%，彈性模量為100 GPa，粘結溫度為1 050 ℃，導熱系數為0.034 W/（m·K）。礦料：粒徑范圍為0～15 mm，吸水率為1.1%，含泥量為1.3%，壓碎值為21.2%。礦粉：石灰石礦粉，表觀密度為2.69 g/cm3，粒徑＜0.6 mm，其中＜0.075 mm粒徑含量為82%。

1.2 配合比方案設計

利用上述原材料，配制AC-13型瀝青混合料，級配曲線見圖1。設計不同長度和不同摻量玄武巖纖維試驗組，玄武巖纖維長度分為3 mm、6 mm和9 mm三種，玄武巖纖維摻量分為0.1%、0.3%和0.5%三種，礦粉摻量均為5%。具體試驗方案配合比設計見表1。

1.3 試驗方法

高溫穩定性：采用車轍試驗，按照各組配合比將改性瀝青混凝土制成300 mm×300 mm×50 mm的試件，將成型的試件放至恒溫試驗箱（溫度為60 ℃）中進行保溫8 h，然后對試件進行反復碾壓，碾壓速率為42次/min，分別取45 min和60 min后的車轍變形量計算試件的動穩定度DS=（t60-t45）×N/（d60-d45）。

水穩定性：采用浸水馬歇爾試驗，將不同配合比下的改性瀝青混凝土分為兩組，一組置于60 ℃恒溫水中35 min，然后測其穩定度MS；另外一組置于60 ℃恒溫水中48 h，然后測其穩定度MS1。根據兩組試驗的穩定度計算殘留穩定度MS0=MS1/MS×100%。

低溫穩定性：采用三點彎曲試驗，按照各組配合比將改性瀝青混凝土制成250 mm×30 mm×35 mm的試件，然后將試件分別在25 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃四種溫度的恒溫中養護45 min，再進行三點彎曲試驗，測得彎拉強度、彎曲勁度模量和最大彎拉應變等參數。

玄武巖纖維改性瀝青混凝土性能研究/梁懷健

2 高溫穩定性

不同玄武巖纖維長度和摻量下的改性瀝青混凝土動穩定度試驗結果見圖2。由圖2可知：相同纖維長度下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混凝土的動穩定度逐漸減小，相同玄武巖纖維摻量下，長度越大，瀝青混凝土的動穩定度越小。除了試驗9組（長度9 mm，摻量0.5%）外，摻入玄武巖纖維后，瀝青混凝土的動穩定較不摻入時均有不同程度提高，說明玄武巖纖維可以在一定程度上增強瀝青混凝土的高溫穩定性，減小因車輪碾壓而產生的變形。這是因為玄武巖纖維作為一種惰性材料，在高溫下很難發生化學反應，其性能指標變化很小；同時玄武巖纖維的吸油性很強，可以與瀝青基質很好地粘結在一起，從而減小出現“拔絲”現象的概率。而玄武巖纖維在瀝青混凝土中錯綜復雜的排列與分布可以形成空間網狀結構，不僅具有吸附瀝青和填充的效果，還可以在瀝青混凝土中形成分界層，從而加強隔熱性能，提高高溫穩定性，而且玄武巖纖維具有較高的斷裂強度和彈性模量，在瀝青混凝土中可以起到加筋作用，從而增強抵抗剪切變形的能力。

但是，當玄武巖纖維長度太長或者摻量過多時，可能會導致纖維在瀝青混凝土中的分散性變差，出現局部團聚的現象，從而形成薄弱面，反而不利于穩定性。從試驗結果來看，當玄武巖纖維摻量為0.1%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的高溫穩定性最佳。

3 水穩定性

不同玄武巖纖維長度和摻量下的改性瀝青混凝土殘留穩定度試驗結果見圖3。由圖3可知：當玄武巖纖維長度一定時，隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混凝土的殘留穩定度呈先增大后減小的變化特征。當摻量為0.3%時，瀝青混凝土的殘留穩定度最大；當玄武巖纖維摻量一定時，隨著玄武巖纖維長度的增加，瀝青混凝土的殘留穩定度逐漸減??；摻入纖維的改良試驗組殘留穩定度相比未摻入試驗組均有不同程度的提高，說明玄武巖纖維對于瀝青混凝土的水穩定性有一定的增強作用。這是因為摻入玄武巖纖維后，會增大瀝青用量，從而增加了瀝青膜的厚度，瀝青膜與錯綜分布的纖維一起，組成結構穩定的網狀結構，減少因水力作用而出現的剝落現象，從而增強在水壓作用下的穩定性。但是纖維長度增加后，會導致纖維與瀝青結合體的空間結構增大，瀝青混凝土所能承受的極限水壓力就會隨之減小，因而殘留穩定度降低。

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象越來越多，而結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。從試驗結果來看，當玄武巖纖維摻量為0.3%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的水穩定性最佳。

4 低溫穩定性

不同玄武巖纖維長度和摻量下的改性瀝青混凝土三點彎曲試驗結果見下頁圖4。由圖4可知：彎拉強度和最大彎拉應變均呈先增大后減小的變化特征。試驗5組（玄武巖摻量為0.3%、長度為6 mm）的彎拉強度和最大彎拉應變最大，當溫度在25 ℃、-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃時，試驗5組的彎拉強度分別較未摻入玄武巖試驗組（10組）提升10.8%、11.1%、11.3%和11%，最大彎拉應變分別提升17.3%、20.5%、23.9%和26.9%；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變越小；當溫度為室溫25 ℃時，試驗5組的改性瀝青混凝土的彎曲勁度模量最大，當溫度為-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃時，試驗5組的彎曲勁度模量最小或者接近于最小，分別較未摻入時減小7.8%、10.2%和12.5%。玄武巖纖維對瀝青混凝土最大彎拉應變的影響最大，其次為彎拉強度，最小的為彎曲勁度模量。

摻入3 mm長度纖維的試件雖然在高溫穩定性和水穩定性方面表現較為優異，但是由于長度有限，導致在瀝青混凝土中粘結的瀝青顆粒數量有限，因而形成的網狀結構空間穩定性相對有限；而摻入9 mm長度纖維的試件則容易導致團聚現象，在受力作用下抵抗變形的能力也會降低。因此，6 mm長度纖維在瀝青混凝土中的分散效果更好，起到的加筋作用更明顯。從試驗結果來看，當玄武巖纖維摻量為0.3%、長度為6 mm時，改性瀝青混凝土的低溫穩定性最佳。

5 討論

從前文高溫性能、水穩定性、低溫性能試驗結果可知：玄武巖纖維對于瀝青混凝土的各項性能具有較好的提升作用，但長度不宜過長，摻量不宜過大。當纖維摻量為0.1%～0.3%，長度為3～6 mm時，綜合性能可以達到最佳。通過各項性能的綜合考量，最終決定采用摻量為0.3%、長度為6 mm的玄武巖纖維對瀝青混凝土進行改良，在此改良方案下改性瀝青混凝土的動穩定度、殘留穩定度和最大彎拉應變參數見表2。從表2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規范要求，特別是高低溫性能較未摻入玄武巖纖維時有較大幅度的提升。

6 結語

采用玄武巖纖維對AC-13瀝青混凝土進行改性試驗，得出如下結論：

（1）動穩定度隨著玄武巖纖維摻量和長度的增加，瀝青混凝土的動穩定度逐漸下降，但相比未摻入纖維試驗組，動穩定度均有不同程度提升，當纖維摻量為0.1%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的高溫穩定性最佳。

（2）隨著玄武巖纖維摻量增加，瀝青混凝土的殘留穩定度先增大后減小，隨著纖維長度的增加，殘留穩定度逐漸減小，纖維摻量為0.3%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的水穩定性最佳。

（3）當玄武巖纖維摻量為0.3%、長度為6 mm時，瀝青混凝土的彎拉強度和最大彎拉應變最大，瀝青混凝土的低溫穩定性最佳。

（4）綜合玄武巖纖維改性瀝青混凝土的各項路用性能，認為當玄武巖纖維摻量為0.3%、長度6 mm時，瀝青混凝土的綜合性能最佳。

參考文獻

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收稿日期：2022-10-10