玄武巖纖維增強(qiáng)AC-16C 改性瀝青混合料性能試驗(yàn)分析

■張祥寧

（福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 我國公路網(wǎng)快速發(fā)展。瀝青路面作為各級公路路面工程的常見形式，具有行車舒適、安全抗滑、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，然而由于氣候惡劣，交通量不斷增加，傳統(tǒng)的瀝青混合料難以滿足耐久性的要求。 為了提高瀝青路面的耐久性，眾多專家學(xué)者在瀝青混合料中添加不同類型纖維，如羊毛、塑料、碳、木質(zhì)素、礦物、聚酯、聚合物、橡膠、巖石等[1-2]。 玄武巖纖維是以玄武巖為原料經(jīng)過多種施工工藝而形成的高性能礦物纖維材料，具有耐高溫、抗氧化、抗輻射、電絕緣、耐久性好、抗壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度高和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，在交通行業(yè)、汽車行業(yè)、船舶行業(yè)等多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。 此外，我國玄武巖巖石儲量較為豐富，玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝也日漸成熟，價格相比于其他類型纖維也更為低廉，路面工程應(yīng)用前景廣闊。 為了促進(jìn)玄武巖纖維在路面工程中的應(yīng)用，本文對摻加0.3%玄武巖纖維的AC-16C 改性瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)[6]，并對玄武巖纖維增強(qiáng)AC-16C 改性瀝青混合料性能進(jìn)行綜合分析與評價。

1 原材料及礦料級配

1.1 礦料

本文的粗、細(xì)集料采用福建省龍巖市適中鎮(zhèn)豐田村南霞碎石場的輝綠巖，礦粉采用的是龍巖宇聯(lián)重鈣礦粉，礦料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范[7]要求。瀝青混合料礦料性能如表1 所示，各礦料篩分結(jié)果如表2 所示。

表1 瀝青混合料礦料性能檢測結(jié)果

表2 礦料篩分結(jié)果

1.2 改性瀝青

本文采用的瀝青為福建省廈門華特股份有限公司的SBS 改性瀝青，型號為I-D，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范[7]要求，SBS 改性瀝青性能指標(biāo)如表3所示。

表3 SBS 改性瀝青性能

1.3 玄武巖纖維

本文采用玄武巖纖維摻量為0.3%， 摻加比例以瀝青混合料總量的質(zhì)量百分率計(jì)算。 玄武巖纖維表面光滑，一般為褐色[8]。 玄武巖纖維實(shí)物如圖1 所示，各項(xiàng)性能指標(biāo)如下：密度2.898 g/cm3、纖維直徑12 μm、纖維長度6～8 mm、耐熱性（180±5）℃時體積無變化、彈性模量102 GPa、拉伸強(qiáng)度3120 MPa、斷裂伸長率2.8%、熔點(diǎn)1500℃。

圖1 玄武巖纖維

1.4 設(shè)計(jì)級配

本文對AC-16C 改性瀝青混合料進(jìn)行目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，根據(jù)表2 各礦料的篩分結(jié)果，礦料組成比例如下： 礦料規(guī)格9.5～16 mm 時， 礦料比為34.0%；礦料規(guī)格4.75～9.5 mm 時，礦料比為20.0%；礦料規(guī)格2.36～4.75 mm 時，礦料比為9.0%；礦料規(guī)格0～2.36 mm 時，礦料比為34.5%；礦粉的礦料比為2.5%。 礦料合成級配如表4 所示。

表4 混合料合成級配

2 玄武巖纖維增強(qiáng)AC-16C 改性瀝青混合料室內(nèi)性能

將未摻加玄武巖纖維的改性瀝青混合料和摻加0.3%玄武巖纖維的改性瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)，通過對比空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值等指標(biāo)，探討玄武巖纖維對瀝青混合料室內(nèi)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5 和表6 所示。

表5 未摻加玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 摻加0.3%玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表5 和表6 結(jié)果可知，未摻加玄武巖纖維和摻加0.3%玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)橫道如圖2 和圖3 所示。 根據(jù)最佳瀝青用量OAC 取OAC1及OAC2的中值，因毛體積相對密度未出現(xiàn)峰值，OAC1取目標(biāo)空隙率5.0%對應(yīng)的瀝青用量，OAC2為毛體積。 相對密度、空隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值指標(biāo)均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求的瀝青用量共同區(qū)間的中值， 分析與計(jì)算得出： 未摻加玄武巖纖維AC-16C 改性瀝青混合料最佳瀝青用量為4.6%，摻加0.3%玄武巖纖維的AC-16C 改性瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.9%， 說明玄武巖纖維具有一定的吸附瀝青的能力，達(dá)到目標(biāo)空隙率會增加瀝青混合料的瀝青用量。 同時，通過表5 和表6 對比分析得出， 同一瀝青用量下， 摻加0.3%玄武巖纖維的AC-16C 改性瀝青混合料比未摻加玄武巖纖維AC-16C 改性瀝青混合料的穩(wěn)定度有一定的提高，說明摻加玄武巖纖維可以提高瀝青混合料的強(qiáng)度。

圖2 未摻加玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)橫道圖

圖3 摻加0.3%玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)橫道圖

3 玄武巖纖維增強(qiáng)AC-16C 改性瀝青混合料路用性能

3.1 水穩(wěn)定性

將未摻加玄武巖纖維的改性瀝青混合料和摻加0.3%玄武巖纖維的改性瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)， 試件的瀝青用量均為4.6%，混合料各礦料組成比例如表2 所示。 通過結(jié)果評價摻加玄武巖纖維AC-16C 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 AC-16C 改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7 分析可得， 摻加0.3%玄武巖纖維使得AC-16C 改性瀝青混合料的48 h 殘留穩(wěn)定度提高了5.4%，殘留強(qiáng)度比提高了6.6%，表明摻加玄武巖纖維可以增強(qiáng)改性瀝青混合料的抗水損害性能。 玄武巖纖維被瀝青吸附后， 不僅會使瀝青飽和度變大，空隙率會減小，而且玄武巖纖維與集料和瀝青的組成使密實(shí)性和強(qiáng)度更大，從而瀝青路面水穩(wěn)定性能增強(qiáng)。

3.2 低溫抗裂性

通過低溫彎曲試驗(yàn)評價摻加玄武巖纖維AC-16C 改性瀝青混合料的低溫抗裂性， 試驗(yàn)溫度為（－10±0.5）℃，試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示。

表8 AC-16C 改性瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表8 分析可知， 摻加0.3%玄武巖纖維使得AC-16C 改性瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變提高了22.5%，表明摻加玄武巖纖維的改性瀝青混合料的低溫抗裂性得到加強(qiáng)。 摻加玄武巖纖維可以提高混合料的界面強(qiáng)度和韌性，增強(qiáng)瀝青路面低溫抗裂性能。

3.3 高溫穩(wěn)定性

通過車轍試驗(yàn)評價摻加玄武巖纖維AC-16C改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性， 試驗(yàn)恒溫室溫度為（60±1）℃，試件及試模保溫不少于5 h，不得超過12 h，試件內(nèi)部溫度為（60±0.5）℃，試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。

表9 AC-16C 改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表9 分析可知， 摻加0.3%玄武巖纖維使得AC-16C 改性瀝青混合料的永久變形減少0.72 mm，動穩(wěn)定度增加2734 次/mm，表明摻加玄武巖纖維可以使改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到改善。 玄武巖纖維可以有效吸附瀝青， 降低瀝青的流動性，增加瀝青混合料自身的粘結(jié)性和彈性，增大內(nèi)部之間摩擦力，高溫穩(wěn)定性因而增強(qiáng)。

4 玄武巖改善瀝青混合料性能的作用機(jī)理

玄武巖纖維長度6～8 mm，直徑為12 μm 左右，長度和直徑都較小，加入瀝青混合料中的纖維比表面積會增大，能較好地吸附瀝青，使得增加瀝青用量；玄武巖纖維是單絲結(jié)構(gòu)，若干單絲通過拌合可以與瀝青和集料形成緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效減小瀝青混合料中瀝青的流動性，增加其穩(wěn)定性；玄武巖纖維具有高彈模量，不容易斷裂，增加瀝青混合料的韌性，與瀝青和集料包裹，可提高瀝青混合料的整體性。 因此，玄武巖纖維可增強(qiáng)瀝青混合料的綜合路用性能和耐久性。

5 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)分析了玄武巖纖維增強(qiáng)AC-16C改性瀝青混合料性能，得出以下結(jié)論：（1）玄武巖纖維具有一定的吸附瀝青能力， 摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料的最佳瀝青用量有所提高，并能提高瀝青混合料的穩(wěn)定性和韌性。 （2）摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等路用性能明顯增強(qiáng)，可提高瀝青路面的耐久性。