玄武巖纖維增強AC-16C 改性瀝青混合料性能試驗分析

■張祥寧

（福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

隨著國民經濟的發展， 我國公路網快速發展。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、維護方便等優點，然而由于氣候惡劣，交通量不斷增加，傳統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，眾多專家學者在瀝青混合料中添加不同類型纖維，如羊毛、塑料、碳、木質素、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、抗壓縮強度、剪切強度高和綠色環保等優點[3-5]，在交通行業、汽車行業、船舶行業等多個領域被廣泛應用。 此外，我國玄武巖巖石儲量較為豐富，玄武巖纖維的生產工藝也日漸成熟，價格相比于其他類型纖維也更為低廉，路面工程應用前景廣闊。 為了促進玄武巖纖維在路面工程中的應用，本文對摻加0.3%玄武巖纖維的AC-16C 改性瀝青混合料進行試驗[6]，并對玄武巖纖維增強AC-16C 改性瀝青混合料性能進行綜合分析與評價。

1 原材料及礦料級配

1.1 礦料

本文的粗、細集料采用福建省龍巖市適中鎮豐田村南霞碎石場的輝綠巖，礦粉采用的是龍巖宇聯重鈣礦粉，礦料各項指標均滿足規范[7]要求。瀝青混合料礦料性能如表1 所示，各礦料篩分結果如表2 所示。

表1 瀝青混合料礦料性能檢測結果

表2 礦料篩分結果

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，其各項指標均滿足規范[7]要求，SBS 改性瀝青性能指標如表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量百分率計算。 玄武巖纖維表面光滑，一般為褐色[8]。 玄武巖纖維實物如圖1 所示，各項性能指標如下：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、拉伸強度3120 MPa、斷裂伸長率2.8%、熔點1500℃。

圖1 玄武巖纖維

1.4 設計級配

本文對AC-16C 改性瀝青混合料進行目標配合比設計，根據表2 各礦料的篩分結果，礦料組成比例如下： 礦料規格9.5～16 mm 時， 礦料比為34.0%；礦料規格4.75～9.5 mm 時，礦料比為20.0%；礦料規格2.36～4.75 mm 時，礦料比為9.0%；礦料規格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AC-16C 改性瀝青混合料室內性能

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行室內馬歇爾試驗，通過對比空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩定度、流值等指標，探討玄武巖纖維對瀝青混合料室內性能的影響，試驗結果如表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結果

表6 摻加0.3%玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗結果

由表5 和表6 結果可知，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各項指標橫道如圖2 和圖3 所示。 根據最佳瀝青用量OAC 取OAC1及OAC2的中值，因毛體積相對密度未出現峰值，OAC1取目標空隙率5.0%對應的瀝青用量，OAC2為毛體積。 相對密度、空隙率、瀝青飽和度、穩定度、流值指標均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求的瀝青用量共同區間的中值， 分析與計算得出： 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，達到目標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度。

圖2 未摻加玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗各項指標橫道圖

圖3 摻加0.3%玄武巖纖維的改性瀝青混合料馬歇爾試驗各項指標橫道圖

3 玄武巖纖維增強AC-16C 改性瀝青混合料路用性能

3.1 水穩定性

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行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗， 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。 通過結果評價摻加玄武巖纖維AC-16C 改性瀝青混合料的水穩定性，試驗結果如表7 所示。

表7 AC-16C 改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果

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 殘留穩定度提高了5.4%，殘留強度比提高了6.6%，表明摻加玄武巖纖維可以增強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性和強度更大，從而瀝青路面水穩定性能增強。

3.2 低溫抗裂性

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

表8 AC-16C 改性瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

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。 摻加玄武巖纖維可以提高混合料的界面強度和韌性，增強瀝青路面低溫抗裂性能。

3.3 高溫穩定性

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

表9 AC-16C 改性瀝青混合料車轍試驗結果

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性和彈性，增大內部之間摩擦力，高溫穩定性因而增強。

4 玄武巖改善瀝青混合料性能的作用機理

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構，若干單絲通過拌合可以與瀝青和集料形成緊密的網狀結構，有效減小瀝青混合料中瀝青的流動性，增加其穩定性；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，玄武巖纖維可增強瀝青混合料的綜合路用性能和耐久性。

5 結論

本文通過試驗分析了玄武巖纖維增強AC-16C改性瀝青混合料性能，得出以下結論：（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定性和韌性。 （2）摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料的水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性等路用性能明顯增強，可提高瀝青路面的耐久性。