復合改性玄武巖纖維PA-13排水瀝青混合料性能研究

收稿日期：2024-04-02

基金項目：玄武巖纖維瀝青混凝土路面成套技術在高速公路工程中的應用（2021T7）；玄武巖纖維及制品在公路工程中的應用關鍵技術研究（2021J5）。

作者簡介：王海洋（1987—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁試驗檢測。

通信作者：邵景干（1970—），男，碩士，教授級高級工程師，研究方向：新材料應用技術。

摘 要：【目的】為改善排水瀝青混合料的路用性能，選用SBS、橡膠粉及玄武巖纖維穩定劑對其進行復合改性。【方法】結合前期研究成果，在SBS及橡膠粉改性劑摻量分別為5%、10%，玄武巖纖維摻量為0.4%的基礎上開展PA-13瀝青混合料配合比設計；在不同橡膠粉摻量下對PA-13排水瀝青混合料開展高溫抗車轍、抗水損害及抗剝落等路用性能研究。【結果】從高溫性能及經濟性考慮，橡膠粉的合理摻量為12%；從水穩定性能角度考慮，橡膠粉摻量為10%；從抗剝落能力及經濟性考慮，橡膠粉的合理摻量為10%。【結論】SBS、橡膠粉及玄武巖纖維的摻入能夠改善排水瀝青混合料的路用性能。

關鍵詞：改性劑；玄武巖纖維；礦料級配；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U416.217 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）17-0065-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.17.014

Research on the Performance of Composite Modified Basalt

Fiber PA-13 Drainage Asphalt Mixture

WANG Haiyang1，2 WANG Jingbo1，2 SHAO Jinggan1，2 SHAO Xudong1，2 LI Wenkai1，2

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450046， China; 2.R & D Center of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] To improve the road performance of drainage asphalt mixture， SBS， rubber powder， and basalt fiber stabilizer were selected for composite modification. [Methods] Based on the previous research results of the research group， the mix design of PA-13 asphalt mixture was carried out on the basis of SBS and rubber powder modifiers with a dosage of 5% and 10%， respectively， and basalt fiber with a dosage of 0.4%; a study was conducted on the road performance of PA-13 drainage asphalt mixture under different rubber powder dosages， including high temperature resistance to rutting， water damage， and peeling. [Findings] From the perspective of high temperature performance and economy， the reasonable dosage of rubber powder is 12%; from the perspective of water stability performance， the rubber powder content is 10%; from the perspectives of anti peeling ability and economy， the reasonable dosage of rubber powder is 10%. [Conclusions] The addition of SBS， rubber powder， and basalt fibers can improve the road performance of drainage asphalt mixtures.

Keywords： modifier; basalt fiber; mineral aggregate grading; asphalt mixture; road performance

0 引言

近年來，隨著氣候的變化，極端惡劣天氣逐年增多，尤其夏季連續強降雨天氣會給城市排水系統帶來巨大壓力，路面積水無法排出路表，不僅會造成行車安全問題，也會對人們的人身安全造成威脅。排水瀝青路面作為“海綿城市”理念的重要組成部分，能夠將路面積水快速排出路表，同時具有降噪功能。但《排水瀝青路面設計與施工技術規范》（JTG/T 3350-03—2020）中規定排水瀝青路面設計空隙率多為18%～25%，結構層內部孔隙較大且多呈現相互貫通狀態，導致路面結構層整體穩定性較差，應對常規道路石油瀝青進行復合改性來增強瀝青與礦料之間的黏結能力，從而提高排水瀝青路面的承載能力，改善排水瀝青路面的高低溫、抗水損害及抗剝落等路用性能。本研究選用SBS、橡膠粉及玄武巖纖維穩定劑對昆侖及京博兩種品牌瀝青的PA-13排水瀝青混合料進行復合改性，并對混合料開展相關性能試驗，為復合改性排水瀝青路面的推廣應用提供依據。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

1.1.1 道路石油瀝青。排水瀝青路面設計空隙率一般為18%～25%，礦料之間的孔隙較大且相互貫通，為保證排水瀝青路面有足夠的承載能力及礦料之間的黏結能力，瀝青種類的選擇至關重要。本研究分別選用昆侖及京博兩種品牌的70#A級道路石油瀝青進行排水瀝青混合料配合比設計，兩種瀝青主要技術指標試驗結果見表1。

1.1.2 改性劑。參照《排水瀝青路面設計與施工技術規范》（JTG/T 3350-03—2020）的規定，排水瀝青混合料配合比設計應選用高黏改性瀝青，故本研究選用SBS及橡膠粉（CRM）兩種改性劑對昆侖及京博兩種品牌的瀝青開展復合改性，兩種改性劑主要技術指標試驗結果分別見表2、表3。

1.1.3 纖維穩定劑。參照《排水瀝青路面設計與施工技術規范》（JTG/T 3350-03—2020）的規定，為增強排水瀝青混合料礦料之間的黏結能力，提高排水瀝青路面的整體承載力，可選用纖維穩定劑對混合料進行改性。玄武巖纖維屬于礦物纖維，具有良好的物理、力學性能，且其本質是玄武巖物理狀態的另外一種存在形式，已被廣泛應用到瀝青混合料當中。本研究選用的玄武巖纖維型號為9 mm-17 με，主要技術指標試驗結果見表4。

1.2 配合比設計

本研究選用礦料級配為PA-13的排水瀝青混合料展開研究，為增強礦料與瀝青之間的黏結能力，選用偏弱堿性粒徑為10～15 mm、5～10 mm的石灰巖碎石為粗骨料，機制砂粒徑為0～5 mm，填料為礦粉，PA-13礦料級配設計結果見表5。結合前期研究成果，SBS及橡膠粉改性劑摻量分別為5%、10%（占瀝青質量），纖維摻量為0.4%（占瀝青混合料質量），馬歇爾配合比設計試驗結果見表6。

2 路用性能

結合前期研究成果，在SBS摻量為5%（占瀝青質量），玄武巖纖維摻量為0.4%（占瀝青混合料質量）的基礎上，對橡膠粉摻量分別為0%、6%、8%、10%、12%、14%的昆侖及京博兩種品牌的PA-13排水瀝青混合料進行高溫穩定性、水穩定性及飛散性能試驗，以評價橡膠粉摻量對瀝青混合料性能的影響。

2.1 高溫穩定性

瀝青路面的高溫性能受溫度、交通量及車輛軸載的影響較大，高溫、大交通量及重軸載作用下瀝青路面易出現車轍病害［1-2］。PA-13排水瀝青混合料屬于間斷級配，設計空隙率一般為18%～25%，礦料之間較大的孔隙會嚴重影響排水瀝青路面的高溫承載能力，本研究選用車轍試驗來評價PA-13排水復合改性瀝青混合料的高溫性能，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，昆侖及京博兩種品牌瀝青混合料中僅摻入5%SBS時，動穩定度試驗結果分別為874次/mm、1 023次/mm，均小于JTG/T 3350-03—2020中不小于5 000次/mm的技術要求；橡膠粉摻量相同時，京博牌瀝青混合料高溫性能優于昆山牌；隨著橡膠粉摻量的增大，兩種品牌混合料的高溫性能均逐漸增強，但增加幅度卻逐漸變小，從高溫性能及經濟性綜合考慮，推薦橡膠粉的摻量為12%。

2.2 水穩定性

快速將路面積水排出路表是排水瀝青路面最為重要的功能。排水瀝青路面設計空隙率多為18%～25%，且內部孔隙多為貫通，部分瀝青膠漿裸露在外面。瀝青長期受到外界綜合因素的作用逐漸老化，導致瀝青與礦料的黏附能力衰退，瀝青路面水穩定性能降低［3-5］。本研究選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗來評價PA-13排水復合改性瀝青混合料的水穩定性能，試驗結果分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，隨著橡膠粉摻量的增大，兩種品牌瀝青混合料的水穩定性能均呈現先增大后減小的趨勢，橡膠粉摻量為10%時，水穩定性能最優；橡膠粉摻量小于8%時，兩種品牌瀝青混合料的浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗結果不滿足JTG/T 3350-03-2020中不小于85%、80%的技術要求。從水穩定性能角度考慮，選取橡膠粉摻量為10%。

2.3 飛散性能

排水瀝青路面因其具有較大的空隙率，導致礦料之間的黏結能力不足，骨料容易從結構層內部剝落而出現路面病害。本研究選用標準飛散及浸水飛散試驗來評價PA-13排水復合改性瀝青混合料的抗飛散性能，試驗結果分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，隨著橡膠粉摻量的增大，兩種品牌瀝青混合料的抗飛散性能試驗結果均逐漸減小，摻量超過10%時，減小幅度均變緩；當橡膠粉摻量小于6%時，昆侖及京博兩種品牌瀝青混合料的標準飛散損失及浸水飛散損失試驗結果分別不滿足JTG/T 3350-03—2020中不小于20%、15%的技術要求。從抗剝落能力及經濟性考慮，橡膠粉的合理摻量為10%。

3 結論

本研究選用SBS、橡膠粉及玄武巖纖維對昆侖及京博兩種品牌瀝青的PA-13排水瀝青混合料進行復合改性，并開展配合比設計及路用性能研究，得出以下結論。

①隨著橡膠粉摻量的增加，昆侖及京博兩種品牌瀝青混合料的高溫抗車轍能力均逐漸增強，從高溫性能及經濟性綜合考慮，推薦橡膠粉的摻量為12%。

②隨著橡膠粉摻量的增大，昆侖及京博兩種品牌瀝青混合料的抗水損害能力均呈現先增大后減小的趨勢，從水穩定性能角度考慮，選取橡膠粉摻量為10%。

③隨著橡膠粉摻量的增加，昆侖及京博兩種品牌瀝青混合料的抗剝落能力均逐漸降低，從抗剝落能力及經濟性考慮，橡膠粉的合理摻量為10%。

參考文獻：

［1］高林麗，李文凱，邵景干，等.不同熱氧老化環境下SBS改性瀝青及其混合料性能研究［J］.長沙理工大學學報（自然科學版），2023，20（1）：48-57.

［2］李琨，卞俊威，韓鵬，等.聚乙烯對膠粉改性瀝青及其混合料性能的影響研究［J］.合成材料老化與應用，2023，52（6）：83-86.

［3］武宏鈺.干拌廢胎膠粉復配SBS改性瀝青與混合料性能研究［J］.路基工程，2023（5）：117-122.

［4］張娟.纖維改性橡膠瀝青混合料性能及應用研究［J］.山東交通科技，2023（3）：87-90.

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