玄武巖纖維-水泥復合改性AC-13C礫石瀝青混合料性能研究

中圖分類號：U416.217；TQ522.65 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0043-04

摘要：為改善酸性礫石瀝青路面結構層內部嵌擠能力差及水穩定性不足的缺點，選用玄武巖纖維及水泥對AC-13C礫石瀝青混合料進行復合改性。通過對玄武巖纖維摻量為 0.4% ，水泥不同比例等質量替代礦粉的礫石瀝青混合料開展高低溫及水穩定性能試驗得出，未摻玄武巖纖維及水泥的礫石瀝青混合料高溫及水穩定性能試驗結果不滿足技術要求；玄武巖纖維的摻入對礫石瀝青混合料高低溫性能的改善效果顯著，水泥的摻入對礫石瀝青混合料水穩定性能的改善效果顯著；玄武巖纖維摻量為 0.4% ，水泥以 30% 的比例等質量替代礦粉時，礫石瀝青混合料整體路用性能最優。

Research on the performance ofbasalt fiber-cement composite modified AC-13C gravel asphalt mixture

ZHU Mingxuan'， LI Wenkai23， SHAO Jinggan23，， YANG Miao23， LIU Congkai'， LI Ming （1.Henan Third Geological Survey Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 45O046，China;2.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 45O046，China;3. Green High-performance Materials Application Technology Ramp;D Center of Transport Industry，Zhengzhou 45oO46，China）

Abstract：To improve the shortcomingsof poor interlocking abilityand insufficient water stabilityinthe structural layerof acid gravel asphalt pavement，basalt fiber and cement were used to modifyAC-13 C gravel asphalt mixture. Through the highand low temperature and water stability testof gravel asphalt mixture with basalt fiber content of （20 0.4% and different proportions of cement instead of mineral powder，it is concluded that the high temperature and water stability test results of gravel asphalt mixture without basalt fiber and cement do not metthe technical requirements.The incorporation of basaltfiber hasasignificant effect on improving the highandlow temperature performance of gravelasphalt mixture，and the incorporation of cement hasa significant efectonimproving the water stability of gravel asphalt mixture. When the basalt fiber content is 0.4% and the cement replaces the mineral powder with the same mass of 30% ，the overall road performance of the gravel asphalt mixture is optimal. Key words： basalt fiber;cement ; gravel; asphalt mixture;road performance

如何改善礫石瀝青混合料的承載能力及水穩定性能是自前道路科研工作者的研究重點，相關學者已開展了部分研究。郭寅川等1選用水泥、石灰及抗剝落劑作為改性劑對礫石瀝青混合料進行單一改性或復合改性，并對改性后的礫石瀝青混合料開展相關性能研究，結果表明， 0.4% AMRI型抗剝落劑和1% 水泥的摻人，混合料水穩定性能改善效果最優。李啟榮等2選用水泥和消石灰替代礦粉來研究瀝青膠漿的高低溫性能，結果表明，水泥和消石灰替代礦粉比例分別不超過 20%.50% 時，瀝青膠漿具有良好的高低溫性能及經濟性。王育興將玄武巖纖維摻入礫石瀝青混合料中并開展相關路用性能試驗，結果表明，合理的玄武巖纖維摻量下礫石瀝青混合料相關路用性能得到不同程度的顯著改善。孟秀元4研究發現，玄武巖纖維的摻人，能夠改善混合料的黏結能力，提高礫石混合料高低溫及水穩定性能。

玄武巖纖維屬于礦物纖維，與瀝青混合料具有良好的相融性，均勻分散到混合料當中能夠起到吸附、穩定瀝青的效果，同時在礦料之間起到橋接的作用。水泥屬于堿性材料，替代部分礦粉后能夠改善礫石瀝青混合料的酸性環境，增強礫石與瀝青之間的黏附能力，從而改善礫石瀝青混合料的水穩定性能。本研究選用玄武巖纖維及水泥對AC-13C礫石瀝青混合料進行復合改性，并開展相關路用性能研究，評價玄武巖纖維及水泥的摻入對礫石瀝青混合料性能的改善效果，為礫石瀝青混合料在工程中的應用提供理論基礎。

1材料與方法

1.1 瀝青

本研究選用高等級公路常用的SBSI-D聚合物改性瀝青開展瀝青混合料配合比設計，其主要參數試驗結果滿足相關技術要求。

1.2 玄武巖纖維

本研究瀝青混合料中摻有堿性水泥、酸性礫石，混合料酸堿環境復雜，選用玄武巖礦物纖維作為穩定材料，能夠改善瀝青路面在復雜酸堿環境下的使用年限。

玄武巖纖維是由玄武巖礦石經高溫熔融、高速拉絲和表面浸潤處理等關鍵工藝制備而成，其本質是玄武巖礦石物理形態存在的另外一種形式，具有良好的物理、力學性能，耐高溫及酸堿性能優異，且與瀝青混合料具有很好的相融性。本研究選用的玄武巖纖維由鄭州登電玄武石纖有限公司生產，型號為BF（ 6mm～17με） ，其主要參數試驗結果滿足相關技術要求。

1.3 水泥

選用省同力水泥有限公司生產的 P?042.5 普通硅酸鹽水泥等質量替代礦粉來改善礫石瀝青混合料的酸性環境。課題組前期研究成果表明，為保證瀝青混合料具有良好的路用性能，水泥等質量替代礦粉的比例不宜超過 50% ，水泥主要參數試驗結果滿足相關技術要求。

2配合比設計與馬歇爾試驗及結果

本研究選用工程上常用的AC-13C密級配混合料開展研究，礦料級配設計結果如表1所示。礫石具有無棱角、圓滑等特點，且屬于酸性礦料，在混合料中的嵌擠能力較差，外界荷載作用下礦料之間易產生滑移，同時礫石與瀝青之間的粘附能力較差，導致礫石瀝青混合料發生水損害的風險增加。為改善礫石混合料的嵌擠能力，選用玄武巖纖維作為穩定劑，玄武巖纖維的摻量為 0.4% （占混合料質量）；為改善酸性礫石與瀝青之間的粘附能力，分別選用 0% ！ 10% ！20%，30%，40% 比例的水泥等質量替代礦粉來改善混合料的酸堿環境。不同比例水泥等質量替代礦粉的AC-13C瀝青混合料馬歇爾試驗結果如表2所示。

表1礦料級配試驗結果 Tab.1 Oregrading test result

表2馬歇爾試驗結果 Tab.2 Marshalltestresult

3路用性能分析

3.1 高溫穩定性

車轍病害是瀝青路面的固有屬性，也是世界難題。瀝青性能受外界溫度影響較大，高溫環境下，黏韌性降低，塑性增強。瀝青路面作為柔性結構層，在車輛軸載及高溫共同耦合作用下塑性變形逐漸累積而出現車轍病害[5-6。本研究選用 60^°C 車轍試驗來評價玄武巖纖維摻量為 0.4% ，不同水泥等質量替代礦粉條件下AC-13C瀝青混合料高溫抗車轍能力，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，未摻玄武巖纖維及水泥的礫石混合料動穩定度試驗結果為2546次 /mm ，不滿足1-3區改性瀝青混合料動穩定度不小于2800次 /mm 的技術要求；僅玄武巖纖維的摻人，礫石混合料動穩定度試驗結果得到顯著改善，增幅為 81.9% ；隨著水泥等質量替代礦粉比例的增加，礫石混合料動穩定度試驗結果呈現先升高后降低的趨勢，但增加及降低的幅度較小，當水泥等質量替代礦粉的比例為 30% 時，試驗結果達到峰值4798次 /mm ，表明玄武巖纖維及適量水泥的摻人均能改善礫石混合料的高溫抗車轍能力，其中玄武巖纖維對礫石混合料高溫性能的改善效果更為顯著。究其原因，分散后的玄武巖纖維具有較強吸附、穩定瀝青的作用，在礫石之間起到橋接作用，高溫荷載作用下限制了礫石的滑移，使得瀝青路面整體穩定性大幅度增強；而水泥比表面積較礦粉更大，能夠增強吸附瀝青的能力，增加混合料內部結構瀝青含量，從而改善混合料的高溫性能。

3.2 低溫抗裂性

低溫環境下，瀝青脆性增強，塑性降低，當氣溫驟變或溫差較大時，瀝青路面結構層內部就會產生溫縮應力，當結構層內部礦料之間允許抗拉應力小于溫縮應力時，結構層內部就會發生細微開裂，隨著季節交替、溫度反復變化及外界車輛軸載綜合作用下，這些細微開裂逐漸惡化成宏觀意義上的裂縫病害。本研究選用 -10^°C 低溫小梁彎曲試驗來評價玄武巖纖維摻量為 0.4% ，不同水泥等質量替代礦粉條件下AC-13C瀝青混合料低溫抗開裂能力，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，未摻玄武巖纖維及水泥的礫石混合料彎曲應變試驗結果為 2524με ；僅玄武巖纖維的摻入，礫石混合料彎曲應變試驗結果得到顯著改善，增幅為 13.9% ；隨著水泥等質量替代礦粉比例的增加，礫石混合料彎曲應變試驗結果呈現先升高后降低的趨勢，但增加及降低的幅度較小，當水泥等質量替代礦粉的比例為 30% 時，試驗結果達到峰值 2979με ，表明玄武巖纖維及適量水泥的摻入均能改善礫石混合料的低溫抗開裂能力，其中玄武巖纖維對礫石混合料低溫性能的改善效果更為顯著。究其原因，玄武巖纖維屬于礦物纖維，具有良好的物理力學性能，密度與礫石相當，成束狀后能夠均勻分散在礫石混合料當中，吸附、穩定瀝青后嵌鎖在礫石之間，能夠增強混合料的韌性和強度，瀝青路面在荷載作用下表現出更強的抗變形能力，從而改善礫石混合料的低溫抗開裂能力。

3.3 水穩定性

季節性多雨地區，瀝青路面水損害是最常見的路面病害形式。在光照、雨水沖刷、輪胎揉搓及凍融循環等外界因素長期綜合作用下，瀝青逐漸老化，老化后的瀝青與礫石之間的黏附能力進一步降低，瀝青膠漿極易從礫石之間剝落而出現水損害病害[8-9]。本研究選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗來評價玄武巖纖維摻量為 0.4% ，不同水泥等質量替代礦粉條件下AC-13C瀝青混合料抗水損害能力，試驗結果分別如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，未摻玄武巖纖維及水泥的礫石混合料殘留穩定度及殘留強度比試驗結果分別為74.3%.69.1% ，遠低于1-3區改性瀝青混合料殘留穩定度及殘留強度比分別不小于 85% ） 80% 的技術要求；僅玄武巖纖維的摻入，礫石混合料殘留穩定度及殘留強度比試驗結果得到一定改善，增幅分別為5.8%.6.2% ；隨著水泥等質量替代礦粉比例的增加，礫石混合料殘留穩定度及殘留強度比試驗結果均呈現先升高后降低的趨勢，玄武巖纖維及 10% 水泥的摻人，礫石混合料試驗結果增幅顯著，分別為 14.5% /15.2% ，表明玄武巖纖維及適量水泥的摻人均能改善礫石混合料的抗水損害能力，其中水泥對礫石混合料水穩定性能的改善效果更為顯著。究其原因，水泥較礦粉堿性更強，能夠使礫石及玄武巖纖維表面產生堿化效應，改善礫石混合料內部的酸堿環境，從而增強礫石與瀝青之間的黏附能力，增大礫石與玄武巖纖維表面結構瀝青膜的厚度，改善礫石混合料的抗水損害能力。

4結語

本文將 0.4% 玄武巖纖維及不同比例的水泥摻人到AC-13C礫石瀝青混合料中進行研究得出以下結論：

（1）未摻玄武巖纖維及水泥的礫石瀝青混合料動穩定度試、殘留穩定度及殘留強度比試驗結果均不滿足1-3區改性瀝青混合料的技術要求；（2）玄武巖纖維及水泥的摻人，礫石瀝青混合料相關路用性能均得到不同程度的改善；玄武巖纖維對礫石瀝青混合料高低溫性能改善效果顯著，水泥對礫石瀝青混合料水穩定性能改善效果顯著，玄武巖纖維摻量為 0.4% ，水泥以 30% 的比例等質量替代礦粉時，礫石瀝青混合料整體路用性能最優。

【參考文獻】

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