基于凍融損傷的玄武巖纖維瀝青混合料性能試驗研究

王春陽

（鄭州市公路工程公司，河南鄭州450009）

玄武巖纖維是玄武巖礦石經高溫拉絲工藝制備的新型材料，具有強度高、韌性強的特點，玄武巖纖維瀝青混合料作為一種新型道路復合材料近年來被廣泛應用于道路建設工程中，能夠提升瀝青混合料的抗疲勞性能，緩解路面病害問題，延長道路使用壽命[1-3]。根據路面結構和材料的設計不同，玄武巖纖維還可以應用于再生瀝青混凝土路面、超薄磨耗層路面等，都具有較好的路用性能表現[4]。我國北方地區冬季寒冷，路表溫度常低于零下10℃，在雨雪交替天氣環境下，路表會經受往復的凍融損傷[5-6]。余地[7]將摻不同纖維的瀝青混合料進行凍融損傷試驗研究，結果表明SMA-13 級配的玄武巖瀝青混合料經多次循環凍融損傷后具有較好的抗開裂性能；王子拓等[8]結合凍融循環試驗研究了瀝青混合料抵抗水損傷的性能，建立了凍融損傷次數與混合料內部孔隙發展趨勢的關聯。譚憶秋等[9-10]采用抗壓回彈模量作為評價使用壽命的指標，建立了凍融損傷條件下瀝青混合料壽命模型。研究玄武巖纖維瀝青路面在凍融環境下的路用性能表現，能夠揭示玄武巖纖維瀝青混合料性能演變規律，對于延長道路綜合使用質量具有重要意義。

1 原材料及配合比設計

1.1 集料與填料

研究采用的粗細集料均為山西運城產的石灰巖，集料表面潔凈無雜質，大小顆粒分布較均勻，集料與填料的相關技術指標均符合規范要求。

1.2 瀝青

研究采用的瀝青為SBS 改性瀝青，對其進行技術指標測定，結果見表1 所示，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中各項技術指標要求。

1.3 玄武巖纖維

研究采用的玄武巖纖維為吉林產的短切玄武巖纖維，長度為9mm，產品質量滿足公路工程玄武巖纖維及其制品要求。

表1 SBS 改性瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of SBS modified asphalt

1.4 配合比設計

瀝青混合料的配合比設計主要內容包括原材料的選擇、級配設計和最佳油石比的確定，關于原材料的選擇，一般根據施工項目拌和樓設定要求進行集料的分倉管理，集料根據粒徑大小進行分類存儲。SMA-13 級配也叫瀝青馬蹄脂碎石材料，是高等級公路長使用的面層級配，具有較好的抗車轍變形能力。SMA-13 瀝青混合料級配的設計組成結果如圖1 所示。

圖1 SMA-13 級配曲線圖Fig. 1 SMA-13 grading curve

當礦料間隙率及瀝青飽和度等技術指標均達到設計要求時，選取較高空隙率水平的3.71% 所對應的油石比6.2%為最佳設計油石比，其馬歇爾試驗結果見表2 所示。

表2 SMA-13 瀝青混合料馬歇爾試驗結果Table 2 Marshall test results of SMA-13 asphalt mixture

2 玄武巖纖維瀝青混合料凍融損傷試驗研究

對玄武巖纖維瀝青混合料進行凍融損傷試驗研究，該凍融損傷主要是將不同性能測試的試件經15min 真空壓縮后，在常溫水浴池中進行半個小時的飽水，然后將飽水后的試件放入-10℃的恒溫箱中冷凍24h，達到規定的冷凍時間后將試件放入60℃的水浴箱中進行30min 的解凍，此為1 個凍融損傷循環過程。研究分別對不同凍融損傷次數下（1 次～10 次）的玄武巖纖維瀝青混合料進行試驗研究，并與普通瀝青混合料凍融損傷后的性能進行對比，探究凍融損傷條件下玄武巖纖維瀝青混合料的衰變規律。

2.1 穩定度試驗

馬歇爾穩定度是瀝青混合料質量檢測的關鍵指標，馬歇爾穩定度值與混合料的抗水損傷性能有關，研究對不同凍融循環次數下的玄武巖纖維瀝青混合料和普通瀝青混合料穩定度進行試驗，試驗根據規范JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的具體要求進行，穩定度加載速率為50mm/min，試驗結果如圖2～圖3 所示。

圖2 穩定度值衰變曲線Fig. 2 Decay curve of stability value

圖3 穩定度值損失率曲線Fig. 3 Loss rate curve of stability value

由圖2～圖3 可知，隨著凍融循環次數的增加，混合料內部經受了水損傷和凍融損傷等復雜多變環境，瀝青混合料的穩定度也在逐漸減小，凍融循環4 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的穩定度值達到10.12kN，普通瀝青混合料的穩定度值達到8.31kN，相差1.81kN；當凍融循環次數達到10 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的穩定度值相比普通瀝青混合料高出2.11kN，兩者的下降速率相接近。而從穩定度值的損失率來看，普通瀝青混合料的穩定度值損失率要明顯高于普通瀝青混合料，當凍融循環次數達到10 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的穩定度值損失率為52.78%，普通瀝青混合料的穩定度值損失率為64.96%。玄武巖纖維是礦石經高溫拉絲工藝成型的纖維制品材料，與瀝青混合料混合攪拌過程中纖維不斷的分散和填充，在混合料內部形成空間網絡結構，提升了瀝青混合料的整體性。

2.2 單軸壓縮試驗

單軸壓縮試驗是將瀝青混合料試件經萬能試驗機進行測定的力學表征試驗，測試得到的指標為抗壓強度，可以反應路面材料抵抗高溫環境下車轍變形的能力。研究對不同凍融循環次數下的馬歇爾試件進行單軸壓縮試驗，試驗控制溫度為50℃±0.5℃，加載速率為 2mm/min，試驗研究結果如圖4～圖5 所示。

圖4 單軸壓縮強度衰變曲線Fig. 4 Decay curve of uniaxial compression strength

圖5 單軸壓縮強度損失率曲線Fig. 5 Loss rate curve of uniaxial compression strength

由圖4～圖5 可知，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料的單軸壓縮強度也在不斷減小，凍融循環4 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的單軸壓縮強度達到1.61MPa，普通瀝青混合料的單軸壓縮強度達到1.44MPa，相差0.17MPa；當凍融循環次數達到10 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的單軸壓縮強度相比普通瀝青混合料高出0.34MPa，是凍融循環4 次時兩種瀝青混合料單軸壓縮強度差值的兩倍。而單軸壓縮強度損失率方面，在凍融循環次數4 次以內時，兩種瀝青混合料的強度損失率較為接近，在凍融循環次數達到4 次以上時，普通瀝青混合料的強度損失率急劇增長，而玄武巖纖維瀝青混合料的強度損失率緩慢增長。當凍融循環次數達到10 次時，普通瀝青混合料的強度損失率為65.81%，玄武巖纖維瀝青混合料的強度損失率為51.86%，這與混合料穩定度值的損失率變化趨勢相一致。

2.3 低溫抗裂試驗

瀝青混合料的低溫性能是抵抗低溫收縮裂縫的能力，研究采用低溫小梁彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。試件尺寸為250mm×30mm×35mm，對小梁在低溫環境下開裂破壞時的荷載進行分析，試驗控制溫度為-10℃±0.5℃，加載速率為50mm/min，試驗研究結果如圖6～圖7 所示。

圖6 開裂荷載衰變曲線Fig. 6 Cracking load decay curve

圖7 開裂荷載損失率曲線Fig. 7 Curve of cracking load loss rate

如圖6～圖7 所示，隨著凍融循環次數的不斷增加，瀝青混合料的在開裂破壞時達到的荷載也在不斷減小，凍融循環4 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載達到1.94kN，普通瀝青混合料的開裂荷載達到1.79kN，相差0.15kN；當凍融循環次數達到10 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載相比普通瀝青混合料高出0.45kN，是凍融循環4 次時兩種瀝青混合料開裂荷載差值的3 倍。而瀝青混合料在開裂對應荷載的損傷率來看，在凍融循環次數4 次以內時，兩種瀝青混合料開裂荷載的損失率變化情況較為接近，在凍融循環次數達到4 次以上時，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載損失率遠小于普通瀝青混合料。當凍融循環次數達到10 次時，普通瀝青混合料的開裂荷載損失率為68.35%，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂荷載損失率為53.43%。玄武巖纖維均勻分散在瀝青混合料中，在起到加筋裹附的作用時，還發揮了增韌阻裂的功效，試驗結果表明，玄武巖纖維瀝青混合料在凍融循環環境下的低溫抗開裂性能要優于普通瀝青混合料。

2.4 疲勞性能

抗疲勞性能是表征瀝青混合料抵抗路面力學響應的關鍵指標之一，路面材料的抗疲勞性能好可以體現路面材料的服役時間較長，對瀝青混合料的抗疲勞性能進行研究，采用萬能試驗機進行四點彎曲小梁試驗，選擇650 微應變為控制參數進行加載測試，試驗條件為溫度15℃±0.5℃，加載頻率為10Hz±0.1Hz。試驗結果如圖8～ 圖 9 所示。

圖8 疲勞壽命衰變曲線Fig. 8 Fatigue life decay curve

圖9 疲勞壽命損失率曲線Fig. 9 Fatigue life loss rate curve

由圖8～圖9 可知，隨著瀝青混合料凍融循環次數的增加，瀝青混合料的疲勞壽命也在逐漸降低，但玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞壽命要遠高于普通瀝青混合料，在凍融循環次數達到4 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞壽命達到11.86 萬次，而普通瀝青混合料僅有7.52萬次，而凍融循環達到10 次時，玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞壽命為7.67 萬次，而普通瀝青混合料的疲勞壽命僅為4.59 萬次，玄武巖纖維在起到增韌阻裂作用的同時，不斷提升瀝青混合料其使用質量、延長其疲勞壽命。在疲勞壽命損失率結果來看，隨著凍融循環次數的增加，混合料疲勞壽命損失率也在不斷增加，損失率增長速度呈現逐漸減緩的趨勢。瀝青混合料在經受凍融損傷的作用時，疲勞壽命下降速率較快，待混合料的疲勞壽命達到臨界點后，凍融損傷對其劣化影響較小，混合料的疲勞壽命處于緩慢下降階段。

3 玄武巖纖維瀝青混合料凍融損傷演變規律

上述研究表明，玄武巖纖維瀝青混合料與普通瀝青混合料相比具有較大的優越性，尤其在低溫抗開裂和疲勞性能等方面發揮較大作用。研究對不同凍融循環次數下玄武巖纖維瀝青混合料的穩定度、單軸抗壓強度、開裂荷載和疲勞壽命進行統計分析，研究認為不同表征參數在性能損失率方面具有較強的一致性，能夠說明混合料在凍融環境下隨凍融次數增加性能衰變的規律過程。本文對上述四種試驗獲取的性能損失率結果進行散點分布及曲線擬合如圖10～圖12 所示。

圖10 玄武巖纖維瀝青混合料性能衰變擬合曲線Fig. 10 Performance decay curve of basalt fiber asphalt mixture

圖11 普通瀝青混合料性能衰變擬合曲線Fig. 11 Performance decay curve of common asphalt mixture

圖12 兩種瀝青混合料性能衰變擬合曲線Fig. 12 Performance decay curve of two asphalt mixtures

如圖10～圖12 所示，玄武巖纖維瀝青混合料的性能損失率散點分布較為分散，對其進行曲線擬合后，R2為0.9741，二元一次擬合方程擬合結果較為良好。而普通瀝青混合料性能損失率散點分布較為集中，主要沿擬合曲線兩側分布。二者均能較好反應瀝青混合料隨凍融次數增加的性能衰退演變過程，而兩條擬合曲線相比較，普通瀝青混合料的性能衰變擬合曲線位于玄武巖纖維瀝青混合料擬合曲線上方，兩條曲線隨凍融損傷次數的增加，曲線間的離差也逐漸增大。而標記陰影圖層的面積大小則表征玄武巖纖維混合料較普通瀝青混合料性能提升的多少，研究表明玄武巖纖維摻入瀝青混合料中能夠提升材料的綜合使用性能，尤其在凍融循環作用下也能減低性能衰退的速率。

4 結語

以玄武巖纖維瀝青混合料和普通瀝青混合料為研究對象，探究了不同凍融循環次數下瀝青混合料在穩定度、單軸抗壓強度、低溫抗裂及疲勞壽命的性能衰變規律。研究表明，玄武巖纖維以三維空間網絡結構分散在瀝青混合料中，能夠全面提升混合料的整體性和均勻性，隨著凍融循壞次數的增加，玄武巖纖維瀝青混合料仍然能夠延緩混合料性能的下降速率，適用于高海拔和存在凍融循環損傷嚴寒地區，具有較大的應用推廣價值。