玄武巖纖維摻量和低溫環境對瀝青混合料影響研究

0 引言

我國北方寒冷地區的晝夜溫差大，瀝青路面因氣溫寒冷，其使用壽命也隨之受到影響[1]。因此，研究低溫條件等因素對瀝青混合料路用性能的影響具有重要意義。張抒幻[2]以鋼渣粉摻量、聚酯纖維摻量及凍融循環次數為變量，分析了鋼渣粉-聚酯纖維瀝青混合料的改性機理及鹽凍侵蝕機理。金情芬[3采用室內SCB（半圓彎抗）試驗，分析了裂紋類型及纖維摻量對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響。李曉玲[4]通過冷凍試驗，分析了抗冷凍劑摻量對瀝青混合料的影響，其結果表明添加抗冷凍劑能夠有效改善瀝青路面的行車效果。

考慮到適當添加玄武巖纖維能夠有效改善瀝青混合料的整體強度，本文擬通過室內低溫SCB試驗，以極限拉應力和極限拉應變來表征瀝青混合料的低溫抗裂性能，對不同玄武巖纖維摻量和低溫環境下瀝青混合料路用性能的劣化規律進行研究。

1試驗用瀝青混凝土原材料和摻料

1.1 原材料

試驗用瀝青采用黏性更高的SBS改性瀝青（1類D型），其軟化點為 82.50^°C ，黏度為 2.45Pa?s ，針入度指數為0.15，溶解度為 99.6% ，離析值為0.86，閃點為342^°C 。粗集料采用粒徑范圍為3.2～16mm的石英巖，細集料采用最大粒徑為 3.2mm 的河砂。填料采用礦粉，其化學成分如表1所示。

1.2摻料

試驗用改性瀝青混凝土摻料采用玄武巖纖維，其物理力學參數如表2所示。

表1礦粉化學成分

表2玄武巖纖維物理力學參數

2玄武巖纖維摻量和低溫環境試驗方案

有關研究表明，玄武巖纖維的適當摻量能夠有效改善瀝青混合料的力學性能。該試驗以玄武巖纖維摻量和低溫環境為變量，通過低溫SCB試驗，研究不同玄武巖纖維摻量在低溫環境下對改性瀝青混合料抗裂性能的影響。為此確定的玄武巖纖維摻量試驗方案如下：

按照玄武巖纖維摻量分為4組，各組玄武巖纖維摻量分別為 0% 、 0.2% 、0.4%、 0.6% ；每組的試驗溫度分為0^°C 、 -10^°C 、 -20^°C 三種。每個工況制備4個試件，每個試件使用改性瀝青混合料約 1.0kg 。試驗結果取平均值。玄武巖纖維摻量低溫環境試驗方案如表3所示。

表3玄武巖纖維摻量低溫環境試驗方案

3不同玄武巖纖維摻量時最佳瀝青含量試驗3.1試驗方法

根據相關研究，瀝青混合料的最佳瀝青含量可采用析漏損失-瀝青含量曲線拐點處對應的瀝青含量。在不同玄武巖纖維摻量條件下，通過謝倫堡瀝青析漏試驗確定瀝青混合料的最佳瀝青含量。以瀝青含量 5% 為基準、以 0.5% 為步距設置瀝青含量。瀝青含量試驗后，瀝青析漏損失的計算公式如下：

式中： Δm 為瀝青的析漏損失 （%） ， m₀ 為干燥后的燒杯質量 （g） ， m₂ 為燒杯和黏附在燒杯上試件瀝青混合料的總質量（g）； m₁ 為燒杯和試件瀝青混合料的總質量（g）。

3.2試驗步驟

按照JTJE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》標準中T0702—2011瀝青混合料試件制作方法（擊實法）規定，對不同玄武巖纖維摻量時的最佳瀝青含量的試驗步驟如下：首先，根據瀝青的不同含量和玄武巖纖維的不同摻量制作改性瀝青混合料試件[5]，每組配置4份試件，每份試件質量約 1.0kg ；其次，洗凈燒杯，稱量干燥后的燒杯質量，精確至0.1g；再次，將配置好的試件放置到燒杯中，稱量燒杯和瀝青混合料試件的總質量，精確至 0.1g 。然后，將燒杯蓋上玻璃蓋后，放置在 185^°C 的烘箱中，持續（ 60±1? ）min。最后，將燒杯取出倒扣在玻璃板上，對燒杯和粘附在燒杯上的瀝青混合料試件的總質量進行稱重，精確至 0.1g 。

3.3試驗結果

利用origin繪圖分析軟件，對不同玄武巖纖維摻量下的改性瀝青析漏損失數據進行擬合。改性瀝青含量-析漏損失曲線如圖1所示。

圖1改性瀝青含量-析漏損失曲線

由圖1可知，添加玄武巖纖維能夠提高改性瀝青混合料的最佳瀝青含量值，且隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混合料的最佳瀝青含量也增加。在玄武巖纖維摻量分別為 0% 、 0.2% 、 0.4% 、 0.6% 時，瀝青混合料的最佳瀝青含量分別為6. 14% 、6. 18% 、 6.28% 、 6.37% 。這是因為隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混合料中礦料比表面積進一步增大，能夠吸附更多的瀝青，因此最佳瀝青含量也隨之增加。

4低溫SCB試驗

4.1 試驗步驟

首先，按照T0702—2011瀝青混合料試件制作方法（擊實法）的規定制作不同玄武巖纖維摻量和不同瀝青含量的改性瀝青混合料試件，進行馬歇爾（最佳油石比）試驗。其次，

圖2低溫半圓彎拉SCB試驗

使用高精度切割機將制成的圓柱體試件分割成直徑為150mm 、高度為 75mm 、厚度為 75mm 的半圓形試件。再次，將制成的半圓形試件放入低溫試驗箱內，將低溫試驗箱內的溫度分別設定為 0^°C 、 -10^°C 、 -20^°C ，將試件在低溫試驗箱內冷凍5h。最后，將冷凍成不同溫度的SCB試件逐個取出，分別放置在加載儀器上，設置加載速率為5mm/min，由此得到試件的破壞荷載。低溫半圓彎拉SCB試驗如圖2所示。

4.2試驗指標及計算方法

選擇極限拉應力和極限拉應變作為改性瀝青混合料低溫抗裂性能指標，其計算公式如下：

式中： σ_t 為極限拉應力（MPa）， F 為破壞時單位寬度荷載（ ?kN? ， D 為試件直徑（mm）， L 為極限拉應變， ε 為支座間距（mm）， d 為試件中心部撓度（mm）。

4.3試驗結果與分析

4.3.1玄武巖纖維摻量的影響

改性瀝青混合料玄武巖纖維摻量-極限拉應力拉應變曲線如圖3所示。由圖3a可知，在不同試驗溫度條件下，改性瀝青混合料中玄武巖纖維摻量從 0% 增加到 0.4% 的過程中，瀝青混合料的極限拉應力逐漸增加，在玄武巖纖維摻量為 0.4% 時達到峰值；當玄武巖纖維摻量為0.6% 時，瀝青混合料的極限拉應力減少。也就是瀝青混合料的極限拉應力隨著玄武巖纖維摻量的增加，表現為先增加后減少的過程。

圖3玄武巖纖維摻量-極限拉應力、拉應變曲線

當試驗溫度從 0^°C 下降到 -10^°C 時，改性瀝青混合料的極限拉應力提升最明顯。此時玄武巖纖維摻量為 0.4% 瀝青混合料的最大極限拉應力值分別為 8.52MPa. ， 9.27MPa. 8.21MPa ，比未摻加玄武巖纖維的普通瀝青混合料的最大極限拉應力值分別提高了 22.6%. ， 25.3% ， 20.7% 。這說明摻加玄武巖纖維能夠有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。但是當玄武巖纖維摻量為 0.6% 時，瀝青混合料的極限拉應力反而下降。這是因為玄武巖纖維摻量過大，會在瀝青混合料內部形成空隙較大的纖維團結構，降低了瀝青覆蓋率，在外力作用下容易在其薄弱處形成應力集中，從而影響改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

由圖3b可知，在不同試驗溫度條件下，不同玄武巖纖維摻量的改性瀝青混合料極限拉應力與極限拉應變的變化規律相似，即隨著玄武巖纖維摻量的增加表現為先增加后減少的過程。當玄武巖纖維摻量為0.4時，瀝青混合料的極限拉應變達到峰值；當玄武巖纖維摻量為0.6% 時，瀝青混合料的極限拉應變值低于未摻加玄武巖纖維的瀝青混合料。綜上所述，改性瀝青混合料的最佳玄武巖纖維摻量為 0.4% 。

4.3.2溫度變化的影響

改性瀝青混合料的溫度-極限拉應力拉應變曲線如圖4所示。由圖4a可知，改性瀝青混合料的極限拉應力隨著試驗溫度的降低，先變大后變小。當試驗溫度為-10^°C 、玄武巖纖維摻量為 0.4% 時，極限拉應力達到峰值，其低溫抗裂性能最優。試驗溫度為 -20^°C 時，瀝青混合料的極限拉應力小于 0^°C 時的數值，說明過低的溫度會對瀝青混合料的低溫抗裂性能產生不利影響。

圖4溫度-極限拉應力、拉應變曲線

由圖4b可知，改性瀝青混合料的極限拉應變隨著溫度的降低表現出逐漸下降的規律，這是因為當溫度為 0^°C 時，瀝青處于黏彈性狀態，瀝青和混合料之間的裹附作用較好，抵抗變形的能力也較強，發生破壞的形式為黏彈性破壞。隨著溫度的降低，瀝青由軟變硬，呈現出脆性狀態，抵抗變形的能力降低，極限拉應變值變小。當試驗溫度為 10^°C 、玄武巖纖維摻量為 0.4% 時，雖然其抵抗變形能力降低，但其強度提升，發生脆性斷裂時的極限拉應變達到了最大值。因此玄武巖纖維摻量為0.4%條件下，改性瀝青混合料的試驗溫度為 -10^°C 時的低溫抗裂性能最優。

5結論

本文采用室內試驗方法，對不同玄武巖纖維摻量的改性瀝青混合料進行低溫SCB試驗，研究玄武巖纖維摻量和低溫環境對改性瀝青混合料抗裂性能的影響規律，得出以下主要結論：

1）改性瀝青混合料的最佳瀝青含量隨著玄武巖纖維摻量的增加而增加，當玄武巖纖維摻量分別為 0% ， 0.2% 0.4%、0.6%時，瀝青混合料的最佳瀝青含量分別為 6.14% 元6. 18% 、6. 28% 、 6.37% 0

2）適當添加玄武巖纖維能夠有效提高改性瀝青混合料的極限拉應力值和極限拉應變值。隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混合料的極限拉應力及極限拉應變表現為先增加后減少，當玄武巖纖維摻量為 0.4% 時，瀝青混合料的極限拉應力值和極限拉應變值達到峰值。

3）溫度是影響改性瀝青混合料低溫抗裂性能的重要因素，一定幅度的降溫有利于提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。隨著溫度的降低，不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料的極限拉應力和極限拉應變表現為先增大后減小，在 -10^°C 時，其低溫抗裂性能最優。

參考文獻

[1]李鋒.溫度差異對瀝青混合料路用性能影響研究[J].安徽建筑，2023，30（1）：176-178.

[2]張抒幻.鋼渣粉/聚酯纖維瀝青混合料低溫抗裂性和水穩定性研究[D].淮南：安徽理工大學，2023

[3]金情芬.低溫鹽蝕作用下聚酯纖維SMA瀝青混合料抗裂性能研究[D].淮南：安徽理工大學，2024.

[4]李曉玲.瀝青混合料抗冰凍劑機理分析及路用性能研究[J].公路交通科技（應用技術版），2018，14（6）：67-69.

[5]中華人民共和國交通運輸部.JTGE20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2011.