玄武巖纖維改善心墻瀝青混凝土性能的最佳摻量研究

楊曼直

(安徽省阜陽市水利規劃設計院，安徽 阜陽 236000)

設計規范中規定，配制心墻瀝青混凝土的骨料宜采用堿性破碎巖石，不宜采用酸性骨料[1]。當采用酸性骨料配制心墻瀝青混凝土時，應進行相關研究，采取改善酸性骨料與瀝青黏附性能的措施并經試驗論證。玄武巖纖維具有強度高、耐久性好等優點，被廣泛應用于改善道路瀝青混凝土的高低溫性能[2]，玄武巖纖維作為提高瀝青混凝土性能的有效措施在公路瀝青混凝土中已開展了較多研究。陸貴銀等[3]針對普通PAN纖維、高強PAN纖維和玄武巖纖維3中不同纖維對瀝青混凝土性能的增強和改善作用進行了研究，試驗結果表明高強PAN纖維的改善作用效果最好；袁玉卿等[4]研究了透水瀝青混凝土的玄武巖纖維最佳摻量，指出玄武巖纖維摻量應控制在0.3%～0.4%，并提出了最佳瀝青用量區間；魏志峰[5]開展了類似研究，提出玄武巖纖維最佳摻量在0.4%～0.6%；呂耀華[6]、王子楓等[7]通過研究提出玄武巖纖維最佳摻量在0.3%左右。已有研究中，玄武巖纖維改善瀝青混凝土性能的研究均為道路瀝青混凝土，針對心墻瀝青混凝土的研究較少。也有學者針對路面特殊要求，開展了不用纖維對瀝青混凝土性能的改善作用，如石墨鋼碳纖維[8]、醋酸纖維[9]、玻璃纖維[10]、木質素纖維[11]、聚丙烯纖維[12]、聚乙烯醇纖維[13]等，考慮到普適性和心墻瀝青混凝土的工作性能，本文選取摻加玄武巖纖維作為改善花崗巖骨料配制心墻瀝青混凝土的措施，基于瀝青混凝土單軸壓縮、小梁彎曲、拉伸和水穩定性試驗，開展了玄武巖纖維改善心墻瀝青混凝土性能的最佳摻量研究，試驗結果將為玄武巖纖維在心墻瀝青混凝土中的應用提供一定的理論指導和技術支撐。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗所用的原材料包括粗骨料、細骨料、填料、瀝青、玄武巖纖維。粗骨料與細骨料均為自行加工破碎的花崗巖石料，填料為礦粉，瀝青為A級70號道路石油瀝青，玄武巖纖維為購買的成品。原材料基本技術指標分別見表1—4，粗細骨料級配曲線見圖1。技術指標要求參照水工瀝青混凝土施工規范[14]。

表2 填料基本技術指標

表3 瀝青基本技術指標

表4 玄武巖纖維基本技術指標

圖1 粗細骨料級配曲線

1.2 試驗方法

試驗方法均參照水工瀝青混凝土試驗規程[15]要求操作，具體試驗方法如下。

a)單軸壓縮試驗方法。制備瀝青混凝土單軸壓縮試件(高100 mm±3 mm，直徑100 mm±2 mm)，將試件在常溫下靜置24 h以后，再將試件置于10 ℃水中恒溫不少于4 h，恒溫后的試件安裝到試驗機恒溫室中進行試驗，加載速率控制在1 mm/min，采集試驗數據。每組試驗測定3個試件，取3個試件結果的平均值作為試驗結果，當3個試件測值中最大值或最小值之一與中間值之差超過中間值的15%時，取中間值作為試驗結果，當3個試件測值中最大值和最小值與中間值之差均超過中間值的15%時，應重做試驗。

b)小梁彎曲試驗方法。制備瀝青混凝土小梁彎曲試件(250±2) mm×(40±1) mm×(35±1) mm，將試件置于10 ℃的恒溫水槽中恒溫不少于4 h，將試件置于試驗機支座上，開動試驗機，以1%/min應變速率加載。每組試驗制備3個試件，試驗結果取值規則與單軸壓縮試驗相同。

c)拉伸試驗方法。制備瀝青混凝土拉伸試件(220±2) mm×(40±1) mm×(40±1) mm，將試件置于10 ℃的恒溫水槽中恒溫不少于4 h，將試件裝置于夾具中，安放到拉力試驗機上進行拉伸，按照1%/min應變速率加載。每組試驗制備3個試件，試驗結果取值規則與單軸壓縮試驗相同。

d)水穩定性試驗方法。制備瀝青混凝土水穩定性試驗試件(同單軸壓縮試驗試件)，每組試驗需制備6個試件，分為2組，每組3個，第一組試件放入20 ℃±1 ℃空氣中至少48 h，第二組先放入60 ℃±1 ℃的恒溫水箱中浸水48 h后，再放入20 ℃±1 ℃的恒溫水箱中浸水不少于2 h，將試件安裝到試驗機恒溫室中進行試驗，加載速率控制在1 mm/min，采集試驗數據。試驗結果取值規則與單軸壓縮試驗相同。

1.3 配合比優選

按照均勻正交試驗設計方案，通過正交試驗進行配合比優選，依據級配指數、填料用量、瀝青用量3個配合比設計參數，每個設計參數設置3個水平，共9組試驗，以馬歇爾穩定度和流值為優選的參考指標，確定配合比。經均勻正交試驗優選后得到的瀝青混凝土設計配合比見表5。2組不同礦料設計配合比的合成級配曲線與設計級配曲線見圖2。玄武巖纖維摻量從0%～0.8%共進行9組不同摻量的試驗研究。

表5 瀝青混凝土設計配合比

圖2 合成級配與理論級配曲線

2 試驗結果與分析

2.1 單軸壓縮試驗結果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的壓縮強度試驗結果見圖3。由圖3結果可以看出，當玄武巖纖維摻量由0%增加至0.1%時，試件壓縮強度提高效果明顯，由2.52 MPa提高到2.98 MPa，提高約18.25%，當玄武巖纖維摻量為0.6%時，以花崗巖骨料配制的瀝青混凝土壓縮強度達到最大值，為3.79 MPa，較玄武巖纖維摻量為0%時提高50.39%。當玄武巖纖維摻量超過0.6%時，壓縮強度數值開始減小。

2.2 小梁彎曲試驗結果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的抗彎強度試驗結果見圖4。由圖4試驗結果看出，玄武巖纖維對花崗巖心墻瀝青混凝土抗彎強度的影響趨勢與壓縮強度結果近似，玄武巖纖維摻量由0%增加至0.1%時，試件抗彎強度提高效果明顯，提高約20.41%，當玄武巖纖維摻量為0.6%時，抗彎強度提高約44.22%。當玄武巖纖維摻量超過0.6%時，摻加玄武巖纖維后對瀝青混凝土抗彎強度的增強效果開始減弱，抗彎強度數值開始減小。

圖3 不同纖維摻量壓縮強度試驗結果

圖4 不同纖維摻量抗彎強度試驗結果

2.3 拉伸試驗結果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的拉伸強度試驗結果見圖5。摻加玄武巖纖維后配制的花崗巖心墻瀝青混凝土拉伸強度提高最顯著，當玄武巖纖維摻量在0.6%時，拉伸強度達到最大值，相較未添加玄武巖纖維的花崗巖心墻瀝青混凝土拉伸強度提高1.5倍以上，由未添加玄武巖纖維時的0.53 MPa提高至1.35 MPa。

圖5 不同纖維摻量拉伸強度試驗結果

2.4 水穩定性試驗結果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的水穩定系數試驗結果見圖6。當玄武巖纖維摻量為0%時，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的水穩定系數為0.82，不能滿足規范的要求。當玄武巖纖維摻量為0.1%時，水穩定系數提高至0.92，與前述力學性能結果一致，當玄武巖纖維摻量為0.6%時，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的水穩定系數達到最大值1.03，較未摻加玄武巖纖維時提高25.61%，相較力學性能指標改善效果較小。

圖6 不同纖維摻量水穩定性試驗結果

2.5 結果分析

通過對單軸壓縮、小梁彎曲、拉伸及水穩定性試驗結果進行分析，玄武巖纖維對以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土各項性能均有不同程度的改善效果。其中，對抗拉強度的改善效果最好，對水穩定性能的改善效果最小。玄武巖纖維與瀝青混凝土中的骨料形成更為密實的三維網狀結構，提高了瀝青混凝土的整體性。同時，玄武巖纖維的抗拉強度高，起到了一定的受力作用。玄武巖纖維屬于堿性材料，瀝青屬于酸性材料，在花崗巖心墻瀝青混凝土中摻加玄武巖纖維后增強了骨料與瀝青之間的化學吸附作用。李志剛等[16]對玄武巖纖維改善酸性集料瀝青混凝土性能開展了一定的研究，提出玄武巖纖維摻量在0.3%～0.4%時，對道路瀝青混凝土的高低溫性能改善作用最明顯，效果最優。與本文的玄武巖纖維最佳摻量為0.6%的研究結果存在一定差異，主要是因為心墻瀝青混凝土的瀝青用量通常在6%～7%，道路瀝青混凝土的瀝青用量一般在4%～5%，造成心墻瀝青混凝土的玄武巖纖維最佳摻量偏高。

3 結語

a)改善花崗巖心墻瀝青混凝土的玄武巖纖維最佳摻量在0.6%左右。

b)玄武巖纖維由0%增加至0.1%時，對花崗巖心墻瀝青混凝土的各項物理力學性能有明顯的改善作用，在滿足工程建設需要的前提下，工程實踐中玄武巖纖維摻量達到0.1%即可。

c)玄武巖纖維對花崗巖心墻瀝青混凝土的各項力學性能有不同程度的改善作用，對抗拉強度的改善效果最好，對水穩定性的改善效果最小，分別提高了154.72%和25.61%。