SBS改性瀝青混合料中玄武巖纖維最佳摻量的研究

李建合，吳冬蘭

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

為顯著改善瀝青混合料的路用性能，常在瀝青混合料中摻入SBS改性劑，然而SBS改性劑存在一定的弊端，無法全面提升瀝青混合料的綜合性能，因此大量學者為有效提高瀝青混合料的路用性能，通常主張在SBS改性瀝青混合料中摻加其他材料對其進行化學或物理的共同改性。目前有不少研究表明，纖維材料可以提升瀝青混合料的韌性與強度[1-3]，因此在瀝青混合料中摻入纖維的做法較為普遍，目前研究者們常用的纖維材料有木質素纖維、礦物纖維等，而玄武巖纖維不僅具有穩定的化學性質、較高的強度，且其吸水率和價格較低，更符合綠色交通的發展理念。

秦格斐等[4]利用IDEAL對不同級配的瀝青混合料展開了溫開裂試驗，并以開裂指標對摻加了玄武巖纖維的瀝青混合料進行了開裂性能分析。王本帥等[5]利用斷層掃描圖像技術研究了玄武巖纖維在瀝青混合料中的結構參數，并討論了不同纖維長度對AC-13的性能影響。樊興華等[6]通過DSR和BBR試驗測試了玄武巖纖維對兩種基質瀝青的性能影響，結果表明，瀝青標號越低，玄武巖纖維的改善效果越明顯。盧祎苗等[7]采用漢堡車轍試驗研究了高溫水浴耦合作用下玄武巖纖維對瀝青混凝土的變形能力和抗水損害的影響。楊程程等[8]利用Matlab軟件結合有限元模型模擬了玄武巖纖維在瀝青混合料中的空間分布模型，并分析了纖維長度與摻量對瀝青混合料的影響。楊盼盼[9]在不同級配的瀝青混凝土中摻加了玄武巖纖維材料，結果表明，玄武巖纖維可顯著提高其各項路用指標。

目前在瀝青混合料中摻加玄武巖纖維已成為提高瀝青混合料性能的一種重要手段，然而對SBS改性瀝青混合料中玄武巖纖維的最佳摻配比例以及性能提升能力的研究還很少，因此本文對摻入了玄武巖纖維材料的SBS改性瀝青混合料進行了針對性研究，對比分析了玄武巖纖維材料的性能提升能力與最佳摻配率。

1 原材料性能與試驗

1.1 瀝青材料

本試驗采用埃索成品SBS(I-D)改性瀝青，其來源于東莞泰和瀝青產品有限公司，各項瀝青參數性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青的性能參數表

1.2 玄武巖纖維

玄武巖纖維材料的原料為天然玄武巖礦石，即將天然玄武巖礦石放置在1 500 ℃高溫下熔融，經過提煉抽絲與相應處理而制成的無機非金屬新型高性能纖維。由于其具有吸水性小、強度高、易加工、耐腐蝕等優點，因此被廣泛用于道路建設。本研究選取長沙檸祥建材有限公司生產的玄武巖短切纖維(長度為6 mm)，其玄武巖纖維參數如下頁表2所示。

表2 玄武巖纖維的主要性能指標表

1.3 礦料及級配

本研究所采用的瀝青面層的礦料為石灰巖機制砂與石灰巖碎石，按照規范要求對其進行檢測，其性能均符合試驗規范，此外本文選用AC-13瀝青混合料，其級配如表3所示。

表3 瀝青混合料級配組成表

為確定瀝青混合料的相關參數及最佳油石比，根據相關試驗規范，對其進行馬歇爾試驗，其各指標如表4所示。

表4 AC-13C摻玄武巖纖維瀝青混合料馬歇爾試驗數值表

2 玄武巖纖維對瀝青混合料性能的影響

2.1 高溫穩定性

瀝青混合料中評價高溫性能的試驗眾多，其中車轍試驗因其更接近實際情況被廣泛應用于試驗研究，而動穩定度作為車轍試驗的評價指標，其值越大，瀝青混合料的高溫抗車轍能力就越好。因此本研究對含有不同摻量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)的玄武巖纖維瀝青混合料試件進行車轍試驗，動穩定度(DS)結果如圖1所示。

圖1 玄武巖纖維瀝青混合料的動穩定度值曲線圖

由圖1可知，摻入玄武巖纖維后的瀝青混合料動穩定度較未添加玄武巖纖維的大幅度增加，而動穩定度越大，高溫抗變形能力越強，因此當加入0.3%的玄武巖纖維時，瀝青混合料的高溫抗變形能力最佳。添加玄武巖纖維的SBS改性瀝青混合料按動穩定度由小到大排序為：0%<0.2%<0.4%<0.3%。此外，當玄武巖纖維摻量從0%增至0.3%時，AC-13C SBS改性瀝青混合料的DS值逐漸提升，而摻量從0.3%增至0.4%時，DS值逐漸降低，可知玄武巖纖維的摻量與DS值并不是呈單一正相關關系，即在瀝青混合料中摻加玄武巖纖維需要控制在合理的摻配區間，否則會影響瀝青混合料的DS值，而合適的摻量區間為0.3%左右。

這是因為在最佳用量范圍內，玄武巖纖維材料能夠在瀝青混合料中均勻分布，對瀝青混合料起到“加筋”作用，因此動穩定度會逐漸增大；而當纖維摻量超過最佳用量(0.3%)時，纖維在施工拌和過程中不能均勻分散在混合料中，交錯搭接的纖維使得“加筋”作用明顯減弱，所以出現動穩定度與纖維摻量呈負相關趨勢。

2.2 低溫抗裂性

為探究瀝青混合料在低溫條件下，不同摻量的玄武巖纖維對其低溫抗裂性能提升能力，本試驗將低溫溫度設為-10 ℃，然后對不同玄武巖纖維摻量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)下的瀝青混合料進行三點彎曲室內試驗，其最大彎拉應變如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維瀝青混合料的最大彎拉應變曲線圖

由圖2可知：相較于未添加玄武巖纖維的瀝青混凝土，摻量為0.2%、0.3%、0.4%的玄武巖纖維瀝青混合料的最大彎拉應變分別提升了22.9%、23.9%、21.8%。由此可見最大彎拉應變并不是隨玄武巖纖維摻量呈單一線性變化，當玄武巖纖維的摻量增至一定水平時，最大彎拉應變增幅平緩，因此玄武巖纖維存在一個最佳摻量，即當玄武巖纖維摻量為0.3%時，最大彎拉應變值最大，為8 220.7με。其主要原因是6 mm的纖維長度能在瀝青混凝土中均勻分散，相互搭接形成隱形的空間結構，而0.3%的玄武巖纖維摻量與0.2%摻量相比，不至于因纖維數較少而無法形成完整的空間網絡結構；與0.4%摻量相比，不會因為纖維含量過多，而導致拌和過程中纖維無法均勻分散或分散較困難，無法充分發揮其加筋作用，導致對瀝青混凝土的低溫性能提升較少的情況。

2.3 水穩定性

為評價瀝青混合料的水穩定性，采用標準馬歇爾試件，對不同摻量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)下的玄武巖纖維瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，其中試件雙面各擊實50次，加載速率設為50 mm/min，試驗溫度控制在25 ℃，試驗步驟均按照標準試驗規程進行，其試驗結果如圖3所示。

圖3 玄武巖纖維瀝青混合料的凍融劈裂強度比曲線圖

由圖3可知：隨著玄武巖纖維用量的增加，瀝青混合料的凍融劈裂強度比分別提高了4.2%、6.1%、9.9%，這說明瀝青混合料的凍融劈裂強度與纖維摻量成正相關，且在玄武巖纖維摻量為4%時，達到最大值。這主要是由于一定摻量的玄武巖纖維能夠均勻分散在瀝青混合料中，增加集料的表面積，將瀝青膠漿牢牢鎖在纖維和集料上。此外，玄武巖纖維在瀝青混合料內部相互交錯形成網狀結構，能將瀝青混合料牢牢固定在一起，從而表現出很好的水穩定性及抗剝落能力，使瀝青不易從集料表面剝落。

2.4 劈裂破壞性能

為評價玄武巖纖維對瀝青混合料在特定溫度和荷載作用下抗劈裂破壞性能的改善作用，以及不同玄武巖纖維摻量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)下的瀝青混合料的力學性質。本研究制作了標準馬歇爾試件，對其劈裂破壞性能進行研究，其中試驗加載速率為50 mm/min，試驗溫度為15 ℃，其劈裂抗拉強度結果如圖4所示。

圖4 玄武巖纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強度曲線圖

由圖4可知：不同纖維摻量對瀝青混合料的劈裂抗拉強度的增強作用不一樣，由小到大進行排序為：0%<0.2%<0.4%<0.3%。由此可知，摻加纖維后瀝青混合料較未摻加的瀝青混合料劈裂抗拉強度分別提高了5.8%、11.6%、8.3%。劈裂抗拉強度表征材料的抗拉性能，由此可知，在本試驗條件下，當纖維摻量為0.3%時，瀝青混合料的劈裂強度最高，所以當摻量為0.3%時瀝青混合料的抗拉性能最好。

這主要是因為瀝青混合料中的玄武巖纖維均勻分散形成三維骨架網絡，使得瀝青混合料的抗變形能力大幅度提高，相應地，瀝青混合料的整體強度也會因為玄武巖纖維的骨架網格結構而增強；此外，玄武巖纖維之間相互搭接，可將瀝青與混合料牢牢地鎖在一起，具有很強的加筋作用，從而分擔一部分拉應力，同時玄武巖纖維還能在裂縫擴展初期將兩部分錨固在一起，增強了瀝青混合料的抗應變能力。

3 結語

本文通過對添加了不同摻量玄武巖纖維(0.2%，0.3%，0.4%)的SBS改性瀝青混合料采取一系列性能試驗，得出以下結論：

(1)在SBS改性瀝青混合料中摻入玄武巖纖維材料后，其低溫與高溫性能、水穩定性能以及抗拉性能都能得到顯著提升。

(2)隨著玄武巖纖維的摻量從0%增至0.3%，瀝青混合料的動穩定度、最大彎拉應變、凍融劈裂強度和劈裂抗拉強度逐漸提高；而當其摻量從0.3%增至0.4%時，動穩定度、最大彎拉應變以及劈裂抗拉強度均呈下降趨勢，但凍融劈裂強度卻一直在升高。因此，綜合瀝青混合料的各項路用性能，當玄武巖纖維的摻量為0.3%時綜合性能最佳。

(3)適量的玄武巖纖維能夠在拌和過程中均勻分散在瀝青混合料中，經過攤鋪碾壓最終形成三維立體骨架；而纖維之間相互搭接，具有很強的加筋作用，可將瀝青與混合料牢牢地鎖在一起，使瀝青不易從集料表面剝落，從而增強了其抗應變能力。