納米/玄武巖纖維改性SMA-13瀝青混合料耐久性能研究

摘 要：為改善瀝青路面路用耐久性能，延長其使用年限，選取納米SiO 2 、玄武巖纖維（BF）2種改性劑對SMA-13瀝青混合料進行復合改性并開展相關性能試驗。在瀝青、SiO 2 、玄武巖纖維等原材料的基礎上制備SiO 2 -BF復合改性瀝青，通過瀝青三大指標試驗評價SiO 2 、玄武巖纖維對道路石油瀝青性能的的影響；通過高低溫及水穩定性能試驗評價SMA-13、SMA-13（7%BF）、SMA-13（7%BF+2%SiO 2 ）3種瀝青混合料的路用性能。試驗結果表明，BF、SiO 2 的摻入會改善道路石油瀝青的高溫性能，但會降低其抗塑性變形能力；7%BF、7%BF+2%SiO 2 的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的高低溫及抗水損害能力。

關鍵詞：納米材料；玄武巖纖維；礦料級配；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：TQ522.65 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0063-04

Study on the properties of nano-SiO 2 /basalt fiber compositemodified SMA-13 asphalt mixtureHUANG Jianshe 1 ，LI Juntao 2 ，LI Wenkai 3 ，SHAO Jinggan 3

（1. Henan Hongsheng Engineering Supervision Co.，Ltd.，Ltd，Zhoukou 466299，China；

2. Henan Yutong Shengding Engineering Testing Co.，Ltd.，Zhoukou 466299，China；

3. Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：In order to improve the road performance of asphalt pavement and prolong its service life，two modifiers，nano SiO 2 and basalt fiber （BF），were selected to modify SMA-13 asphalt mixture and carry out related performancetests. On the basis of the research of asphalt，SiO 2 ，basalt fiber and other raw materials，SiO 2 -BF composite modifiedasphalt was prepared，and the effects of SiO 2 and basalt fiber on the properties of road petroleum asphalt were evalu?ated by three index tests of asphalt. The road performance of SMA-13，SMA-13（7%BF）and SMA-13（7%BF+2%SiO 2 ）was evaluated by high and low temperature and water stability tests. The test results showed that the addition of BF and SiO 2 could improve the high-temperature performance of road petroleum asphalt，but reduce its anti-plas?tic deformation ability. The addition of 7%BF，7%BF+2%SiO 2 could improve the high and low temperature and wa?ter damage resistance of SMA-13 asphalt mixture.

Key words：nano material；basalt fiber；aggregate gradation；asphalt mixture；pavement performance

瀝青路面作為道路工程中最常用的路面結構層，具有施工技術成熟、行車舒適性好、后期養護成本低等優點而被廣泛推廣 [1] 。但隨著交通量的增加，尤其重軸載車輛的增加及后期管養不到位，瀝青路面往往在通車運營5～8年就會陸續進入大中修階段 [2-3] 。相關學者進行了大量研究，如將Al 2 O 3 材料摻入到橡膠瀝青混合料當中并開展相關性能試驗發現，Al 2 O 3 材料的摻入能夠改善瀝青路面的高溫抗車轍及抗水損害能力 [4] 。選取不同類型的纖維并開展纖維瀝青混合料性能研究發現，合理的纖維摻量能夠改善瀝青路面的低溫抗開裂能力 [5] 。將玄武巖礦物纖維摻入到瀝青混合料當中并開展相關性能研究發現，當合理的纖維摻量下，瀝青混合料低溫及抗水損害性能得到顯著提升 [6] 。目前關于納米SiO 2 材料及玄武巖礦物纖維復合改性瀝青混合料的研究較少，選取SMA-13礦料級配類型開展SiO 2 -BF復合改性瀝青混合料性能研究，評價SiO 2 -BF復合改性劑對SMA-13瀝青混合料相關路用性能的改善效果，為SiO 2 -BF復合改性瀝青混合料的應用提供技術支撐。

1 原材料

1.1 瀝青

瀝青的品質對瀝青路面的路用性能及使用年限至關重要，試驗選用的70號A級道路石油瀝青由山東京博石油化工有限公司生產，其主要技術指標測定結果見表1。

1.2 玄武巖纖維

試驗選用的玄武巖纖維（BF）由炬石玄纖科技（安陽）有限公司生產，型號為6 mm-21 μm，主要技術指標測定結果見表2。

1.3 納米材料

試驗選用SiO 2 納米材料對瀝青混合料進行改性，由東莞福寧新材料有限公司生產，主要技術指標測定結果見表3。

2 復合改性瀝青

2.1 復合改性瀝青制備

為保證玄武巖纖維及SiO 2 能夠在70號A級道路石油瀝青中均勻分散，選用高速剪切攪拌方法分階段制備SiO 2 -BF復合改性瀝青。復合改性瀝青的制備過程如下：①稱取一定質量的 SiO 2 改性劑放入120 ℃的烘箱內備用；②將一定質量的70號瀝青放入150 ℃的烘箱內烘至流動狀態，然后將SiO 2 改性劑摻入瀝青當中，邊加入邊攪拌，待SiO 2 完全加入后再人工攪拌10 min，直至瀝青中無白色粉末狀顆粒存在，再用高速剪切機以5 000 r/min的轉速剪切20 min；③將瀝青質量7%的BF人工緩慢加入SiO 2 改性瀝青當中，并用玻璃棒攪拌均勻；④以1 500 r/min的轉速對 SiO 2 -BF 復 合 改 性 瀝 青 剪 切 10 min，最后將SiO 2 -BF復合改性瀝青放入150℃的烘箱內靜置30min制得復合改性瀝青。

2.2 瀝青三大指標試驗

結合課題組前期大量試驗結果，SiO 2 -BF復合改性瀝青中玄武巖纖維摻量為7%（占瀝青質量）、納米SiO 2 的摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%（占瀝青質量），參照 JTG E20—2011 試驗規程中的規定對SiO 2 -BF復合改性瀝青開展三大指標試驗，其中延度試驗溫度為15 ℃，試驗結果見圖1。

由圖1可知，BF摻量相同時，隨著SiO 2 摻量的增加針入度及延度試驗結果均降低，軟化點試驗結果升高，表明BF、SiO 2 的摻入會改善70號瀝青的高溫性摻量超過2%時，針入度及延度試驗結果降低幅度和軟化點試驗結果升高幅度均變緩，因此SiO 2 的摻量應控制在合理的范圍。

3 配合比設計及路用性能

3.1 配合比設計

選取SMA-13間斷級配對復合改性瀝青混合料進行性能研究，粗集料分別為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm玄武巖碎石，細集料為0～3 mm的機制砂，填料為石灰巖磨細的礦粉，SMA-13級配設計結果見表4。

結合課題組前期研究成果，選取玄武巖纖維摻量為7%（占瀝青質量），SiO 2 摻量為2%（占瀝青質量）對復合改性SMA-13瀝青混合料進行研究，其馬歇爾試驗結果見表5。

3.2 路用性能

3.2.1 高溫穩定性

在“溫室效應”作用下，近年來高溫天氣持續時間逐漸增加，尤其40 ℃以上的極炎熱天氣時有發生，車轍、泛油等路面病害的出現是瀝青路面高溫穩定性差的表現形式[7-10] 。選用車轍試驗進行SiO 2 -BF復合改性SMA-13瀝青混合料高溫抗車轍能力研究，試驗結果見圖2。

由圖2可知，7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入SMA-13瀝青混合料動穩定度試驗結果較普通SMA-13瀝青混合料分別提高52.9%、100.8%，表明BF、SiO 2 2種改性劑的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

3.2.2 低溫抗裂性

低溫環境下，瀝青抗塑性變形能力降低，表現出脆性增強，韌性降低，在車輛軸載及溫縮應力作用下，瀝青路面會因低溫性能不足而發生開裂 [11-15] 。選用低溫彎曲試驗進行SiO 2 -BF復合改性SMA-13瀝青混合料低溫性能研究，試驗結果見圖3。

由圖3可知，7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入SMA-13瀝青混合料彎曲破壞應變試驗結果較普通SMA-13瀝青混合料分別提高12.9%、20.7%，表明BF、SiO 2 2種改性劑的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的低溫抗開裂能力。

3.2.3 水穩定性

瀝青在氧化作用、雨水沖刷及紫外線等外界環境長期綜合作用下會逐漸老化，南方多雨地區，水損害是瀝青路面最常見的病害形式之一 [16-20] 。選取浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗進行SiO 2 -BF復合改性SMA-13瀝青混合料水穩定性研究，試驗結果分別見圖4、圖5。

由圖4、圖5可知，7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入，SMA-13瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度試驗結果較普通SMA-13瀝青混合料分別提高4.2%、9.8%，凍融劈裂殘留強度比試驗結果分別提高 11.0%、14.3%，表明 BF、SiO 2 2 種改性劑的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的水穩定性能。

4 結語

（1）7%纖維及SiO 2 的摻入，瀝青針入度及延度試驗結果均降低，軟化點試驗結果升高；SiO 2 的摻量超過2%時，瀝青三大指標試驗結果降低及增加幅度變緩，SiO 2 摻量應控制在合理范圍；

（2）7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入SMA-13瀝青混合料高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害的性能均得到改善，其中7%BF+2%SiO 2 復合改性SMA-13瀝青混合料性能最優。

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（責任編輯：平 海）