玄武巖纖維瀝青穩定碎石路用性能研究

呂令釗

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南鄭州450000）

目前，我國瀝青路面基層設計中主要以水泥穩定碎石等半剛性材料為主[1-2]，其具有強度與穩定性良好且工程造價較低；然而，半剛性材料屬于脆性材料，抗變形能力較低，受溫度影響大，在車輛荷載反復作用下容易形成反射裂縫[3-5]，從而造成瀝青路面出現裂縫、網裂等病害，使其路面結構發生破壞、使用性能降低。對此，國內外選用較厚的瀝青穩定碎石下面層替代部分半剛性基層來延緩反射裂縫貫穿面層時間[6-7]。張宜洛等[8]研究發現煤液化殘渣改善了瀝青混合料高溫穩定性影響，但低溫抗裂性較差。宋慶紅等[9]分別研究了硬質瀝青穩定碎石和常規瀝青穩定碎石，發現硬質瀝青穩定碎石路用性能較優。盧杰等[10]托實際工程對瀝青穩定碎石ATB-30 設計和攤鋪工藝進行了研究，發現路面裂縫顯著降低。張立華等[11]研究了膠粉改性瀝青穩定碎石低溫抗裂性。林豪等[12]分別研究了玄武巖、石灰巖、安山巖粗集料復摻法對瀝青穩定碎石使用性能的影響。郭伏國[13]研究表明瀝青穩定碎石ATPB-25 較AM-25、ATB-25 力學性能最優，且疲勞壽命最大。因此，如何設計合適的瀝青穩定碎石抗裂材料來延緩反射裂縫的擴展顯得十分重要。筆者通過研究玄武巖纖維（簡稱“BF”）和SBS 改性瀝青對瀝青穩定碎石路用性能的影響規律，為玄武巖纖維瀝青穩定碎石推廣提供理論基礎。

1 試驗材料與配合比設計

1.1 試驗材料

（1）瀝青

選用齊魯石化公司生產的A 級70#基質瀝青和Ⅰ-C型SBS 改性瀝青，技術性質見表1～表2。

表1 A 級70#瀝青技術指標Table 1 Grade A 70# asphalt technical index

表2 高模量瀝青和SBS 改性瀝青技術指標Table 2 Technical indexes of high modulus asphalt and SBS modified asphalt

由表1 和表2 可知，瀝青技術性質滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）要求。

（2）集料

集料分為粗集料和細集料。粗集料選用石灰巖，公稱粒徑為15～30mm、10～15mm、5～10mm；細集料選用機制砂。集料技術性質滿足JTG F40-2004 要求。

（3）填料

選用礦粉，技術性質見表3。

表3 礦粉技術性質Table 3 Technical properties of mineral powder

（4）玄武巖纖維

選用短切玄武巖纖維，纖維摻量為0.3%，長度為12mm。技術性質見表4。

表4 玄武巖纖維技術性質Table 4 Technical properties of basalt fiber

1.2 配合比設計

參照瀝青穩定碎石ATB-25 設計要求，采用馬歇爾試驗設計方法確定混合料配合比，見表5～表6。表6 中基質瀝青穩定碎石、玄武巖纖維基質瀝青穩定碎石、SBS 改性瀝青穩定碎石、玄武巖纖維SBS 改性瀝青穩定碎石分別表示為ATB-25、BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25。

表5 瀝青穩定碎石礦料級配Table 5 Grading of asphalt stabilized macadam

表6 瀝青穩定碎石最佳瀝青用量Table 6 Optimum asphalt content of asphalt stabilized macadam

2 研究方案

2.1 試驗方案

（1）高溫穩定性

采用車轍試驗評價瀝青穩定碎石高溫性能。試驗中，試輪接地壓強為0.7MPa。瀝青穩定碎石常用作路面結構下面層，外界環境溫度對其影響較上面層是較小的，擬車轍試驗溫度選用40℃和60℃。

（2）水穩定性

1.2 材料 選擇山東威海潔瑞醫用有限公司提供的24G×19 mm針管回縮式靜脈留置針，6 cm×7 cm 3M含碘敷貼。

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價瀝青穩定碎石水穩定性。試驗中，將馬歇爾試件分為四組，編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ組浸于60℃恒溫水槽中48h后進行馬歇爾試驗；Ⅱ組放置于（-18±2）℃環境中冷凍16h，冷凍結束后，先后將試件浸于60℃恒溫水槽中24h、25℃恒溫水槽中2h，浸水完畢后進行劈裂試驗；Ⅲ組與Ⅳ組在常規試驗條件下分別進行馬歇爾試驗和劈裂試驗。

（3）疲勞特性

采用間接抗拉試驗評價瀝青穩定碎石抗疲勞特性，試驗儀器選用MTS-810 材料疲勞試驗機。試驗中，加載波形為正弦波，應變控制模式加載，應變水平為550με，擬加載頻率為1Hz、5Hz、10Hz。當試件彎曲勁度模量低于初始勁度模量的50%時，結束試驗。

（4）低溫抗裂性

采用小梁彎曲試驗評價瀝青穩定碎石低溫抗裂性。試驗儀器選用UTM-25 伺服液壓材料試驗機，試驗溫度為-10℃、0℃、15℃，加載速率為50mm/min。

2.2 試件制備

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011） 制 備 試 件， 車 轍 試 驗 試 件 尺 寸為 300mm×300mm×50mm； 浸 水 馬 歇 爾 試 驗、凍融劈裂試驗和疲勞試驗采用馬歇爾試件，尺寸為Φ152.4mm×h101.6mm；小梁彎曲試驗試件尺寸為250mm×30mm×35mm，由車轍試件切割而成。試件制備完成后，室溫環境下養生48h。每組試驗采用3 個平行試件。

3 試驗結果及分析

3.1 高溫穩定性

圖1 瀝青穩定碎石車轍試驗結果Fig. 1 Rutting test results of asphalt stabilized macadam

由圖1 可知，同一試驗溫度下，瀝青穩定碎石摻入玄武巖纖維后動穩定度得到提高，且滿足規范設計要求，其中BF+SBS+ATB-25 動穩定度最大。溫度60 ℃條 件 下， 與 ATB-25 動 穩 定 度 相 比，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 動穩定度分別提高了15%、259%、363%；溫度40℃條件下，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 動穩定度分別提高了14%、117%、188%，說明SBS+ATB-25 高溫性能顯著優于ATB-25、BF+ATB-25 高溫性能。這是因為SBS 改性瀝青較高的軟化點保證了集料之間具有良好的粘結力，而玄武巖纖維分散在瀝青穩定碎石結構中，起到了加筋作用，抑制了瀝青穩定碎石在高溫軸載作用下產生的變形。另外，改性瀝青穩定碎石摻入玄武巖纖維后，動穩定度約提高了31%，說明玄武巖纖維對瀝青穩定碎石高溫性能的改善作用較采用改性瀝青對穩定碎石的作用較小。

3.2 水穩定性

4 種瀝青穩定碎石浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果如圖2 所示。

圖2 瀝青穩定碎石水穩定性試驗結果Fig. 2 Water stability test results of asphalt stabilized macadam

由圖2 可知，ATB-25 水穩定性滿足規范設計要求，且摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青均對瀝青穩定碎石水穩定性有一定改善作用。與ATB-25 相比，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 浸 水 穩定度分別提高了14%、38%、67%，殘留穩定度分別提高了1.2%、6.1%、8.1%；BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 凍融劈裂強度分別提高了12%、39%、65%，凍融劈裂強度比分別提高了1.0%、6.5%、8.0%。這是因為纖維的摻入致使穩定碎石瀝青用量增加，集料之間粘結力增強且纖維膠漿填充了結構內部空隙，從而減小了水對瀝青穩定碎石的破壞作用。

3.3 疲勞特性

疲勞試驗中，瀝青穩定碎石疲勞壽命離散性大，為準確反映其抗疲勞性能，采用雙參數威布爾模型對試驗數據進行處理。95% 保證率下瀝青穩定碎石疲勞壽命如圖3 所示。

圖3 瀝青穩定碎石疲勞試驗結果Fig. 3 Fatigue test results of asphalt stabilized macadam

由圖3 可知，同一加載頻率下，BF+SBS+ATB-25 疲勞壽命最高，SBS+ATB-25 次之，ATB-25 疲勞壽命最低。其中，加載頻率1Hz、5Hz、10Hz 下，BF+SBS+ATB-25疲勞壽命分別是ATB-25 疲勞壽命的13.5 倍、8.8 倍、7.6倍，SBS+ATB-25 疲勞壽命分別是ATB-25 疲勞壽命的5.7倍、4.3 倍、2.1 倍，BF+ATB-25 疲勞壽命分別是ATB-25 疲勞壽命的1.1 倍、1.2 倍、1.1 倍。說明采用SBS 改性瀝青可有效提高瀝青穩定碎石抗疲勞開裂性，且玄武巖纖維對改性瀝青穩定碎石抗疲勞性改善作用較基質瀝青穩定碎石顯著，這是因為SBS 改性瀝青彈性與韌性優于基質瀝青，在循環荷載作用下延緩了裂縫的發展。

3.4 低溫抗裂性

4 種瀝青穩定碎石小梁彎曲試驗結果如圖4 所示。

圖4 瀝青穩定碎石小梁彎曲試驗結果Fig. 4 Bending test results of asphalt stabilized macadam beam

由圖4 可知：

（1）當試驗溫度逐漸提高，同一類型的瀝青穩定碎石彎拉強度先增大后減小，彎拉應變逐漸增大。當溫度從-10℃提高至0℃，瀝青穩定碎石彎拉強度平均提高了22%；當溫度從0℃提高至15℃，瀝青穩定碎石彎拉強度平均降低了30%；當溫度從-10℃提高至15℃時，瀝青穩定碎石彎拉應變平均提高了174%。這是因為瀝青粘度隨溫度升高而降低，瀝青穩定碎石具有良好的延展性，從而不容易產生裂縫。

（2）同一試驗溫度下，BF+SBS+ATB-25 低溫抗裂性能最優，較ATB-25、BF+ATB-25 和SBS+ATB-25 彎拉強度分別提高了1.6 倍、1.5 倍和1.1 倍，彎拉應變分別提高了1.9 倍、1.7 倍和1.2 倍。說明瀝青穩定碎石中摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青均能改善其低溫抗裂性，且采用SBS 改性瀝青的穩定碎石改善效果較顯著。

4 結論

通過對四種瀝青穩定碎石路用性能進行試驗研究，得到以下結論：

（1）摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青均改善了瀝青穩定碎石路用性能，且玄武巖纖維改性瀝青穩定碎石高溫穩定性、水穩定性、抗疲勞性及低溫抗裂性最優。

（2）玄武巖纖維對瀝青穩定碎石路用性能的改善作用較采用改性瀝青對穩定碎石的作用要小。瀝青穩定碎石摻入玄武巖纖維后，動穩定度、殘留穩定度及凍融劈裂強度比分別平均提高了15%、1.4%、1.1%；較基質瀝青穩定碎石，采用改性瀝青的穩定碎石動穩定度、殘留穩定度及凍融劈裂強度比分別平均提高了23%、6.8%、6.0%。

（3）摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青有效地抑制了瀝青穩定碎石裂縫的發展。同一加載頻率下，BF+SBS+ATB-25 疲勞壽命最高，SBS+ATB-25 疲勞壽命次之；同一試驗溫度下，BF+SBS+ATB-25 低溫抗裂性能最優，較ATB-25 彎拉強度和彎拉應變分別提高了1.6倍和1.9 倍。