玄武巖纖維對瀝青混合料的路用性能影響研究

張 杰，張玉柱，黃任文，李海峰

(廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來，纖維已經在道路工程中大量使用，如植物纖維(木質素)、礦物纖維(石棉)及聚合物纖維(聚乙烯和聚丙烯)。在應用過程中，這些纖維均具有各自特點：木質素纖維不適用于瀝青混合料的再生工程[1]；聚合物纖維與瀝青的相容性較差[2]，有時會發生融化卷曲[3]；礦物纖維并不存在上述兩種纖維的問題，工程中使用最多的是石棉纖維，但其是一種有毒物質[4]，對人體具有較大危害，且污染環境，現在國際上對其使用越來越少。

玄武巖纖維被稱為“21世紀的新材料”，其性能優異，替代性強，如力學性能、化學穩定性、抗老化性能、水穩定性、電熱絕緣性能均優于傳統纖維[5]。玄武巖纖維的這種性能優勢可避免傳統纖維應用過程中的問題，同時玄武巖纖維的生產過程并不產生工業垃圾，符合環保需求。因此，玄武巖纖維在瀝青混合料中具有很大應用潛力，且能達到較好的社會、經濟和環境等效益。

目前大量道路工作中已對玄武巖纖維在瀝青混合料中的應用進行了深入研究。如Geol 和Das[6]研究了纖維改性瀝青的抗老化、抗疲勞、抗水損害等方面的性能。彭廣銀等[7]提出了玄武巖纖維對車轍性能的改善優于聚酯纖維。與木質素纖維相比，Fan等[8]得到玄武巖纖維可更好地改善瀝青混合料的抗車轍、耐疲勞及抗水損害能力的結論。許婷婷等[9]研究了玄武巖纖維增強瀝青混合料的試驗與性能，得出玄武巖纖維對瀝青混凝土有很好的增強效果的結論。趙麗華和徐剛[10]研究了礦物纖維對瀝青混合料路用性能的影響。趙玉肖[11]通過沖擊韌性試驗研究了玄武巖纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性能。

綜上所述，玄武巖纖維對瀝青混合料各項路用性能具有一定的增強作用，且這些影響與多種因素有關，如玄武巖的摻入方式、級配類型、瀝青類型等，而目前缺乏對玄武巖瀝青混合料的系統研究，因此，本文以兩種不同骨架結構的瀝青混合料(AC-13和SMA-13)為基礎，來進行玄武巖纖維瀝青混合料配合比設計及路用性能分析。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究采用的SBS改性瀝青為成品瀝青。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[12]，其基本性能結果如表1所示。

表1 瀝青技術指標表

集料選用石灰巖和玄武巖，礦粉選用石灰巖，根據《公路工程集料試驗規程》(JTG E40-2005)[13]，測定了集料的相關性質，均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG E40-2004)的要求[14]。本文所用纖維包括玄武巖纖維和木質素纖維。木質素纖維僅用于SMA-13，玄武巖纖維用于AC-13C和SMA-13。玄武巖和木質素纖維的性能試驗結果如表2所示。

表2 纖維的主要性能試驗結果表

1.2 混合料制備

本文采用馬歇爾試驗制備AC-13C和SMA-13兩種混合料，兩種混合料的設計級配如圖1和2所示。對于AC-13C，制備兩類混合料：一種不加纖維，一種加混合料總質量0.3%的玄武巖纖維。對于SMA-13混合料，用水泥替代礦料總質量2%的礦粉，普通SMA-13中木質素含量為混合料總質量的3%。玄武巖纖維SMA-13中玄武巖纖維的含量為瀝青混合料總質量的0.4%。根據析漏和飛散損失試驗，各瀝青混合料的油石比如下：AC-13C為5.0%，玄武巖纖維AC-13C為5.2%，木質素纖維SMA-13為6.2%，玄武巖纖維SMA-13為6.1%。

圖1 AC-13瀝青混合料的設計級配曲線圖

圖2 SMA-13瀝青混合料的設計級配曲線圖

根據馬歇爾試驗結果可知：對于AC-13，纖維的加入增加了最佳油石比，即增大了瀝青用量，同時導致混合料密實度降低，空隙率增大。混合料的穩定度增大，主要是玄武巖纖維可以在混合料內部形成網絡，可以分散和傳遞荷載。對于SMA-13，玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比低于木質素纖維的，其他參數結果相差不大。另外，從析漏和飛散損失試驗看出，玄武巖纖維起到吸附瀝青、穩定馬蹄脂和加筋作用。

2 玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能研究

2.1 高溫穩定性分析

瀝青混合料的高溫穩定性通常用車轍試驗來評價。首先制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，試驗溫度為60 ℃和70 ℃，試驗輪壓為0.7 MPa，碾壓速度為42次/min，對車轍板進行碾壓。車轍試驗結果如下頁圖3所示。

(a)試驗溫度60 ℃

由圖3可知，整體來看，所有瀝青混合料的動穩定度均滿足規范要求。玄武巖纖維的加入均增加了瀝青混合料的抗車轍能力。由于瀝青黏度會隨溫度上升而減小，因此動穩定度隨溫度升高而降低。對比圖3(a)和圖3(b)，溫度升高，瀝青混合料的動穩定度降低較多。由圖3(b)可知，摻加玄武巖纖維后，高溫性能降低幅度變緩。溫度越高，玄武巖纖維的抗車轍性能越有優勢。因此，玄武巖纖維對瀝青具有加筋作用。

2.2 低溫抗裂性能分析

本文的瀝青混合料低溫性能以低溫彎曲試驗來評價。首先制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，然后將車轍試件切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件。將其放置在-10 ℃的溫度下保溫5 h以上，采用UTM-15進行彎曲試驗。如圖4所示為不同瀝青混合料的低溫彎曲試驗結果圖。

由圖4可知SMA-13的破壞應變最大，主要是SMA的油石比較高。另外，瀝青混合料的勁度模量隨玄武巖纖維的摻入有所降低。綜上，瀝青混合料的低溫抗裂性能隨玄武巖纖維的摻入有所提高。這可能是由于玄武巖纖維具有一定的吸油能力，從而增大了最佳油石比，而瀝青用量越多，瀝青混合料低溫性能越好。在瀝青混合料中，玄武巖纖維可分散成三維空間網絡，承載和分散溫度應力，從而提高了瀝青混合料的低溫性能。

(a)最大彎拉應變

2.3 水穩定性分析

本文采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗來評價水穩定性。對于凍融劈裂試驗，首先成型6個馬歇爾試件，分成兩組，每組3個平行試件。第一組進行常規劈裂試驗；第二組真空飽水狀態，放入恒溫水箱中，再在-18 ℃±2 ℃的冷凍箱中放置16 h，然后在60 ℃的恒溫水槽中放置24 h，取出試件在25 ℃的恒溫水槽中放置2 h，之后根據規范進行劈裂試驗，并計算劈裂抗拉強度比(TSR)，即第一組與第二組獲得的劈裂強度的比值，結果如圖5(a)所示。

浸水馬歇爾試驗根據JTG E20-2011中的試驗方法進行。同樣成型6個馬歇爾試件，分成兩組，每組3個平行試件。第一組試件進行常規馬歇爾試驗；第二組試件需先放置在60 ℃恒溫水槽中保溫48 h，然后進行馬歇爾試驗，最后計算浸水殘留穩定度，即常規馬歇爾穩定度(第一組試驗值)和浸水馬歇爾穩定度(第二組試驗值)的比值，結果如圖5(b)所示。

如圖5所示，所有瀝青混合料的水穩定性均滿足規范要求，并且水穩定性呈現有升有降的現象。對于AC級配，玄武巖纖維使得瀝青混合料的水穩定性出現了下降，SBS改性瀝青的AC下降幅度更小。對于SMA級配，玄武巖纖維可提高其水穩定性，但改善幅度不大，這主要是因為纖維分散于瀝青混合料中，與瀝青形成空間網狀的纖維膠漿，膠漿包裹粗集料形成整體，導致水很難把瀝青從集料表面剝落。

(a)凍融劈裂試驗

2.4 疲勞性能分析

對于疲勞性能的評價，本文選用常規的小梁彎曲疲勞試驗。根據JTG E20-2011，制備300 mm×300 mm×50 mm的試件。不同應力水平時每種混合料4個平行試件。試驗結束以勁度模量降至初始模量的50%為準[15]。試驗溫度為15 ℃±0.5 ℃，測定結果如表3所示。

表3 不同瀝青混合料的疲勞壽命測試結果表(萬次)

由表3可知，隨著應變水平的增加，瀝青混合料的疲勞壽命減小，從而其抗疲勞能力減小。在各種應力水平下，玄武巖纖維的摻入使所有混合料的疲勞壽命均增加了，可見玄武巖纖維可有效提高瀝青混合料的抗疲勞性能，其中對SMA-13的增強更顯著。這可能是由于在瀝青混合料中，玄武巖纖維相互連接構成了一種空間三維結構，從而阻礙了疲勞裂紋的發生及擴展。另外纖維可減少應力集中，消散掉應變能的累積，改善瀝青混合料的韌性。因此，玄武巖纖維可使瀝青混合料的抗疲勞性能隨應變水平的增加而減小。

3 結語

(1)瀝青混合料的高溫性能受玄武巖纖維影響很大，玄武巖纖維的摻入對其有增強作用，同時可減緩其隨溫度升高的衰減趨勢。

(2)玄武巖纖維改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。SMA-13的破壞應變最大，主要是SMA的油石比較高。另外，玄武巖纖維瀝青混合料的勁度模量較低。

(3)玄武巖纖維降低了AC瀝青混合料的水穩定性，提高了SMA瀝青混合料的水穩定性。

(4)瀝青混合料的抗疲勞性能隨控制應變水平的增加而減小。玄武巖纖維可大幅改善瀝青混合料的抗疲勞性能，SMA級配的增大幅度最大。

(5)雖然玄武巖纖維瀝青混合料的各項指標均滿足使用要求，但目前仍有一些問題有待進一步研究，如纖維與瀝青作用的微觀機理、各路用指標改善的主要原因等。