摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料試驗(yàn)分析

吳 軍（吉水縣城市管理局市政環(huán)衛(wèi)所，江西 吉安 331600）

0 引 言

瀝青路面是道橋工程中廣泛使用的路面類型，具有良好的力學(xué)性能、耐久性和抗滑性能。然而，傳統(tǒng)的瀝青路面材料易受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致路面損壞和壽命縮短。由于瀝青性質(zhì)較為復(fù)雜，將其使用在道路橋梁路面施工中，必須遵循設(shè)置的配合比，才能保證道橋施工中路面質(zhì)量[1]。目前，很多道橋工程施工中的路面病害，均和瀝青使用效果存在關(guān)聯(lián)性[2]。為了提高瀝青路面的性能和壽命，延長(zhǎng)道橋路面使用性能與時(shí)間，研究者們一直在探索新型的路面材料和技術(shù)。玄武巖纖維作為一種新型的纖維材料，具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，如斷裂強(qiáng)度顯著，耐酸堿腐蝕性能優(yōu)越，強(qiáng)度、耐熱性高，膨脹性低等，因此在建筑材料、道路工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。有研究表明，將玄武巖纖維摻入到瀝青混合料中，對(duì)優(yōu)化道橋路面路用性能存在重要意義[4]，其可以提高混合料的力學(xué)性能、抗疲勞性能和抗裂紋擴(kuò)展能力等，優(yōu)化道橋路面的結(jié)構(gòu)性能，防止、降低瀝青路面病害出現(xiàn)概率，從而延長(zhǎng)道橋路面使用時(shí)間[5]。

本文旨在通過試驗(yàn)分析，探討摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的性能和可行性，為玄武巖纖維在道路工程領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供理論支持和實(shí)踐依據(jù)。

1 摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料試驗(yàn)簡(jiǎn)介

玄武巖纖維的制備原料屬于天然級(jí)材料，把此原料破碎后放入熔窯，在1 450 ℃高溫環(huán)境中熔融完畢后快速拉制，便可制備為連續(xù)纖維。在此制備過程中，并不會(huì)出現(xiàn)廢水、廢氣等工業(yè)垃圾，具有較好的環(huán)保性[6]。

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝 青

試驗(yàn)所用瀝青是殼牌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene-butadiene-styrene，SBS）改性瀝青（四川禾生光谷股份有限公司），其具體性能指標(biāo)如下：針入度為72 mm；軟化點(diǎn)為65 ℃；延度為49 cm；針入度指數(shù)為0.6；溶解度為99.9%；閃點(diǎn)為330 ℃；運(yùn)動(dòng)黏度為1.9 Pa·s；彈性恢復(fù)為77%；軟化點(diǎn)差為1.5 ℃。

1.1.2 礦 料

礦料中，粗集料采用骨料粒徑是0.08～15.00 mm的玄武巖碎石料（山東展飛建筑材料有限公司），其表觀相對(duì)密度與毛體積相對(duì)密度依次是2.93 g/cm3、2.79 g/cm3；細(xì)集料采用表觀密度、砂當(dāng)量分別是2.83 g/cm3、93%的石灰?guī)r機(jī)制砂（重慶渝勝礦業(yè)有限公司）；礦粉采用石灰?guī)r礦粉（唐山鑫征建材有限公司）。

1.1.3 玄武巖纖維

使用短切玄武巖纖維，其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、吸油率依次是1 222 MPa、2.72%、53%；含水率、耐熱性斷裂強(qiáng)度保留率、耐堿性斷裂強(qiáng)度保留率依次是94%、90%、90%。

1.2 制作方法

將殼牌SBS改性瀝青放入聚四氟乙烯燒杯（德清新多菱氟化學(xué)有限公司）中，在溫度為180 ℃的油浴條件下對(duì)其加熱；熔化后，將礦料、玄武巖纖維放入燒杯，攪拌均勻；最后將攪拌后的混合料放在模具中，使用MDJ-IIA/B/C馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀（上海魅宇儀器科技有限公司）擊實(shí)。

復(fù)合材料還未成型時(shí)，將WZF-300碾壓機(jī)（ 鄭州哈威工程設(shè)備有限公司）的弧形碾壓板加熱值設(shè)置成100 ℃，將摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料試件放置于碾壓板上，將其碾壓成型后放入在溫度為60 ℃的恒溫室（北京恒泰豐科試驗(yàn)設(shè)備有限公司）中保溫5 h。

摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料制作完畢，設(shè)置復(fù)合材料的級(jí)配方案AC-13C：油石比為6.1%，理論密度與間隙率分別是2.464 g/cm3、16.8%，穩(wěn)定度、流值分別是9.32%、42.5 mm，空隙率與飽和度分別是3.3%、82.6%。

1.3 路用性能分析方法

摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料，作為路面的面層材料，在車載力的作用下，需要具備合格的路用性能，才能保證路面不過早出現(xiàn)車轍病害，且降低車轍病害級(jí)別[7]。路用性能主要包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性。因篇幅原因，本文研究以路面高溫穩(wěn)定性為路用性能分析指標(biāo)。車轍測(cè)試是檢測(cè)路面路用性能的核心方法之一。此方法能夠模擬現(xiàn)實(shí)生活中，汽車對(duì)路面產(chǎn)生的車轍狀態(tài)，分析路面的高溫穩(wěn)定性，從而判斷路面結(jié)構(gòu)的抗車轍病害性能[8]。

本研究中，車轍測(cè)試使用JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的瀝青混合料車轍測(cè)試方法。設(shè)置試驗(yàn)中所模擬的車輪與路面接觸壓力是0.8 MPa，運(yùn)行長(zhǎng)度是24 cm，加載次數(shù)與溫度依次是30次、60 ℃。提取試驗(yàn)中45 min、60 min的路面變形量E45、E60，分析道橋?yàn)r青路面動(dòng)穩(wěn)定度ER：

式中，T1、T2分別是道橋?yàn)r青路面車轍測(cè)試的不同時(shí)間段[9]。

2 道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的纖維摻量分析

為了保證道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料用于路面施工后，路面路用性能得以優(yōu)化，考慮纖維摻量對(duì)道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性存在影響，將玄武巖纖維摻量分別設(shè)成0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。不同纖維摻量條件中，道橋路面的45 min、60 min路面變形量以及動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的纖維摻量分析結(jié)果

分析表1測(cè)試結(jié)果可知，道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料用于路面施工后，當(dāng)玄武巖纖維摻量增多，道橋?yàn)r青路面的動(dòng)穩(wěn)定度也出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這表明摻入玄武巖纖維，能夠優(yōu)化道橋路面的高溫穩(wěn)定性，從而降低路面車轍病害的出現(xiàn)概率。摻入0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%的玄武巖纖維后，摻量是0.10%的工況中，道橋?yàn)r青路面45 min變形量與60 min變形量最小，為1.382 mm、1.439 mm，動(dòng)穩(wěn)定度最大，為9 526次/mm。分析其原因，為：摻入玄武巖纖維后，道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的瀝青流動(dòng)，會(huì)受到玄武巖纖維網(wǎng)絡(luò)影響，增大瀝青膠漿黏度，且玄武巖纖維表層具有堿性屬性，其與瀝青結(jié)合后，瀝青膜厚增大。在高溫工況中，玄武巖纖維內(nèi)部空隙可作為瀝青的緩沖空間，降低瀝青路面高溫出油的概率。且玄武巖纖維自身的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠降低道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的塑性變形程度，優(yōu)化道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的高溫抗剪切能力，從而避免路面出現(xiàn)車轍病害。

表1中獲取的玄武巖纖維最優(yōu)摻量是0.10%，原因是：玄武巖纖維摻量過多，會(huì)導(dǎo)致纖維結(jié)團(tuán)，致使道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性變差，易出現(xiàn)車轍病害。

3 道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的纖維長(zhǎng)度分析

除了玄武巖纖維摻量對(duì)高溫穩(wěn)定性存在影響之外，纖維長(zhǎng)度對(duì)其也存在一定影響。為此，玄武巖纖維長(zhǎng)度分別設(shè)置為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm。不同纖維摻量條件中，道橋路面的45 min、60 min路面變形量以及動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料的纖維長(zhǎng)度分析結(jié)果

分析表2測(cè)試結(jié)果可知，玄武巖纖維長(zhǎng)度增大后，道橋?yàn)r青路面的動(dòng)穩(wěn)定度隨之變化。摻入長(zhǎng)度為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的玄武巖纖維后，長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，道橋?yàn)r青路面45 min變形量與60 min變形量最小，為1.236 mm、1.523 mm時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度最大，為8 043次/mm。分析其原因，為：使用合理長(zhǎng)度的玄武巖纖維，能夠優(yōu)化道橋?yàn)r青路面的動(dòng)穩(wěn)定度，其可提供“加筋”式作用，從而約束道橋?yàn)r青路面骨料，保證道橋?yàn)r青路面骨料之間不出現(xiàn)相對(duì)滑移問題，優(yōu)化道橋?yàn)r青路面抗變形性能，從而避免路面出現(xiàn)車轍病害。結(jié)合表2測(cè)試結(jié)果可知，玄武巖纖維最優(yōu)長(zhǎng)度是6 mm。

綜上所述，在道橋施工中，為了預(yù)防道橋?yàn)r青路面出現(xiàn)車轍病害，可將摻量是0.10%、長(zhǎng)度是6 mm的玄武巖纖維和殼牌SBS改性瀝青、玄武巖碎石料、石灰?guī)r機(jī)制砂、石灰?guī)r礦粉混合應(yīng)用，制備為道橋?yàn)r青路面的復(fù)合材料。將其用于道橋?yàn)r青路面施工后，可優(yōu)化道橋?yàn)r青路面的抗車轍病害能力，道橋?yàn)r青路面動(dòng)穩(wěn)定度明顯提升。

4 結(jié) 語

道路橋梁工程屬于城市基礎(chǔ)建設(shè)的核心工程之一，其施工質(zhì)量直接影響城市的交通運(yùn)輸狀態(tài)。在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境中，道路橋梁質(zhì)量也需隨之提升，緊跟社會(huì)發(fā)展的腳步，才能夠有效緩解城市交通壓力，為城市之間的交流與城市的發(fā)展提供積極作用。因此，優(yōu)化道路橋梁工程建設(shè)質(zhì)量，是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心問題。施工過程中，必須使用科學(xué)的方法、有效的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，降低道橋建設(shè)的路面病害出現(xiàn)概率。本文對(duì)摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻入對(duì)瀝青路面的抗疲勞性能、抗車轍性能、抗裂性能等方面均有顯著改善；同時(shí)，玄武巖纖維的加入還可以有效提高瀝青路面的耐久性和抗老化性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

綜上所述，摻入玄武巖纖維的道橋?yàn)r青路面復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能和廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際工程中，可以顯著提高路面的使用壽命和耐久性，減少維修成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。未來，筆者建議進(jìn)一步研究玄武巖纖維與其他類型纖維的協(xié)同作用，以及復(fù)合材料在復(fù)雜環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)，為道橋?yàn)r青路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供更加可靠的依據(jù)。