復摻高模量劑及玄武巖纖維對瀝青混合料性能的影響研究

摘要：為延長路面的使用壽命，文章通過摻入高模量改性劑（HM）和玄武巖纖維（BF）對混合料性能進行改善，選用AC-20級配進行HM和BF對混合料整體性能影響的試驗研究，并基于掃描電鏡（SEM）分析HM和BF對混合料性能的增強機理。結果表明：復摻HM和BF后，瀝青混合料最佳油石比提升了0.3%，瀝青混合料整體性能提升，MS0提高了1.0%，TSR提高了3.9%，DS提高了約7.1倍，最大彎拉應變提高了2.3%，疲勞壽命提高了8.9倍；利用SEM觀察到HM能充分熔融，與瀝青形成新的聚合物，增加混合料界面粘結力，BF能均勻分散在混合料體系中，形成空間網狀結構，起加筋、橋接作用，承擔、分散混合料內部應力。

關鍵詞：瀝青混合料；高模量改性劑；玄武巖纖維；路用性能

中圖分類號：U414.1" " 文獻標識號：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.003

文章編號：1673-4878（2024）11-0007-04

引言

瀝青路面因施工便利、維修成本低、行車舒適性好等優勢備受歡迎，是我國高等級公路主要的路面形式之一［1］。然而，隨著汽車保有量不斷增長以及交通載荷不斷增大，多數瀝青路面在未達到設計壽命時，便產生車轍、裂縫等一系列病害，嚴重影響行車舒適性和安全性［2］。改善瀝青路面材料性能能提升瀝青路面的使用壽命，常見方法有添加改性劑、添加纖維提高混合料內部粘結力，從而增強混合料性能［3］。張濤等［4］通過室內試驗研究了中國標準高模量瀝青混合料HMAM-13，推薦混合料瀝青膜厚度為8.8～10.0 [WTBZ]μm，空隙率為3%～6%。李九蘇等［5］采用金剛砂制備超高模量瀝青混合料（UHMAC），通過室內試驗發現混合料高、低溫性能大幅提升。張爭奇等［6］基于熒光顯微鏡和紅外光譜儀研究了高聚物復合改性高模量瀝青SBS-PE和CR-PPA，揭示了不同高模量瀝青改性機理。欒利強等［7］研究發現通過摻入玄武巖纖維能有效降低聚氨酯瀝青混合料空隙變化率，增強瀝青-集料界面粘結力。孫亞輝等［8］研究發現通過摻入0.2%～0.3%的玄武巖纖維能提升PAC-13瀝青混合料高、低溫性能及抗水損性能。已有研究表明，高模量改性劑及玄武巖纖維均能對瀝青混合料部分性能提升起促進作用，而兩者復合改性對混合料整體性能的影響研究相對較少。因此，本文通過室內試驗研究高模量改性劑（HM）和玄武巖纖維（BF）對瀝青混合料性能的影響，并基于掃描電鏡（SEM）分析其作用機理，為玄武巖纖維高模量瀝青混合料的應用推廣提供參考。

1原材料

1.1瀝青

試驗采用的瀝青為70#A級道路石油瀝青，主要性能檢測結果見表1。

1.2高模量改性劑

選用直投式聚合物類的高模量改性劑（HM），其主要性能指標見表2。

1.3玄武巖纖維

選用短切玄武巖纖維（BF），長度為6 mm，其主要性能檢測結果見下頁表3。

1.4礦料

粗集料采用石灰巖碎石，規格為15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm；細集料采用石灰巖機制砂，規格為0～5 mm；填料采用礦粉，規格為0～0.6 mm。各檔集料主要性能指標檢測結果見下頁表4。

2瀝青混合料組成設計

試驗采用AC-20型瀝青混合料，礦料合成級配曲線圖見圖1。

設置70#瀝青AC-20、SBS改性瀝青AC-20作為參照組，單摻HM、單摻BF、復摻HM+BF為試驗組。根據前期研究，HM最佳摻量為瀝青用量的0.5%，BF最佳摻量為混合料質量的0.4%，通過馬歇爾試驗確定五種瀝青混合料的最佳油石比。最佳油石比下五種瀝青混合料馬歇爾試驗結果見表5。

由表5可知，摻入HM和BF后，瀝青混合料最佳油石比提高了0.3%，表明HM和BF會對混合料體積指標產生影響，這可能是因為HM在熔融后與瀝青混合成高黏度聚合物，增強了瀝青膠漿粘滯性，而BF在混合料體系中形成了致密的網狀結構，阻礙了瀝青膠漿流動，導致混合料空隙率提高。此外，BF會吸收少部分瀝青，導致混合料最佳油石比提高。

3路用性能試驗研究

3.1水穩定性能

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究HM和BF對瀝青混合料的水穩定性能影響，試驗結果分別見圖2、圖3。

由圖2、圖3可知，單摻HM和復摻HM+BF組MS0和TSR接近于SBS改性瀝青AC-20組，較70#瀝青AC-20組有所提升，MS0分別提升了1.4%、1.0%，TSR分別提升了6.0%、3.9%。混合料水穩定性能提高主要取決于HM的界面改性和嵌擠增強機理，充分熔融的HM與瀝青形成高分子聚合物，兩者相互滲透，界面作用力增強。此外，高分子聚合物在擊實作用下被擠壓變細變長，容易滲入集料孔隙中，使瀝青與集料接觸面積增大，集料-瀝青界面粘聚力增強，混合料水穩定性能提高。摻入BF后，混合料穩定度MS0、凍融劈裂強度比TSR略有降低，這可能是因為BF難以得到完全分散拌和均勻，導致混合料空隙率增大，對水穩定性能產生了不利影響。因此，考慮到混合料水穩定性能，建議玄武巖纖維摻量不宜過高。

3.2高溫穩定性能

通過60 ℃車轍試驗研究HM和BF對瀝青混合料的高溫穩定性能影響，試驗結果見圖4。

由圖4可知，HM對混合料動穩定度（DS）改善明顯，單摻HM組較AC-20動穩定度提升了約5.2倍，較SBS改性瀝青AC-20提升了46.2%。這是因為高溫條件下HM與瀝青充分融合成高黏聚合物，在壓實功作用下，高分子聚合物被擠壓延展，嵌擠進混合料空隙中，形成網狀結構，進而增強瀝青與集料之間的粘結力，使得混合料抗變形能力大幅提高。[JP3]此外，在HM改性作用下瀝青軟化點升高、溫度敏感性降低。摻入BF后，混合料動穩定度進一步提升，相較于AC-20，復摻HM+BF組動穩定度提高了7.1倍，表明BF對混合料高溫穩定性提升起促進作用。

3.3低溫抗裂性能

采用-10 ℃低溫小梁彎曲試驗研究HM和BF對瀝青混合料的低溫穩定性能影響，試驗結果見圖5。

由圖5可知，摻入BF后，瀝青混合料最大彎拉應變提升了11.0%，表明摻入BF有利于提高混合料低溫抗裂性能，主要是因為BF在混合料中分散形成網狀結構，承擔和分散混合料部分內部應力；當混合料受力時，BF能有效阻滯混合料變形，當力消失后，產生部分變形恢復。此外，BF起加筋和橋接作用，能有效阻礙裂縫發展，提高混合料的抗開裂能力。[JP3]而HM的摻入會使混合料的低溫性能變劣，單摻HM組最大彎拉應變較70#瀝青AC-20下降15.1%，表明HM不利于混合料低溫抗裂性能。

3.4疲勞性能

采用四點彎曲疲勞試驗分析HM和BF對瀝青混合料疲勞性能影響，試驗溫度為15 ℃，偏正弦波加載頻率為10 Hz。試驗結束條件為勁度模量下降為初始勁度模量的50%。應變控制水平選用400 [WTBX]με、600 [WTBX]με、800 [WTBX]με。試驗結果見圖6。

由圖6可知，HM和BF的摻入有利于提升瀝青混合料耐疲勞性能。較70#瀝青AC-20，單摻HM組混合料在不同應變控制水平下的疲勞壽命增加約2.5～8.9倍，單摻BF組混合料的疲勞壽命提升約0.5～2.1倍，但單摻改性后混合料抗疲勞性能低于SBS改性瀝青AC-20。復摻HM和BF后，混合料耐疲勞性能進一步提高，較SBS改性瀝青AC-20，不同應變控制水平下疲勞壽命提升約10.2%～27.6%。摻入HM后，瀝青混合料初始勁度模量大幅提升，達到同等破壞所需加載次數增加。而BF彈性模量遠高于瀝青，在混合料中產生加筋作用，提升了混合料彈性恢復能力。因此，復摻HM和BF能大大提升混合料疲勞壽命。

4微觀試驗分析

基于以上試驗，HM和BF摻入對混合料整體性能產生影響。因此，通過掃描電子顯微鏡（SEM）進行玄武巖纖維及瀝青混合料微觀形貌觀察，分析高模量改性劑（HM）及玄武巖纖維（BF）對瀝青混合料性能改善機理。掃描結果見圖7。

由圖7（b）可知，BF均勻分散在瀝青混合料中，形成網狀結構，起到承擔和分散應力的作用，降低混合料內部應力集中對其破壞影響。由圖7（c）可知，混合料中并未出現明顯的HM顆粒，表明HM能充分熔融于瀝青中，與瀝青相互滲透，形成新的聚合物，增強與集料之間的界面粘結力；BF在混合料中起加筋、橋接作用，降低荷載作用下混合料的變形和破壞，并在荷載消除后，產生一定的變形恢復。由破壞后混合料斷面圖7（d）可知，當混合料破壞時，破壞處BF端部不平整，表明BF與瀝青膠漿間存在較好的吸附能力，在外力作用下，BF不僅阻滯了混合料變形，還承擔了混合料的部分內部應力。

5結語

（1）HM和BF的摻入對混合料體積指標產生影響，復摻HM和BF后，瀝青混合料最佳油石比提升了0.3%。

（2）HM和BF對混合料整體性能產生影響。其中，BF不利于混合料水穩定性能，HM不利于混合料低溫抗裂性能；復摻HM和BF后，混合料整體性能提高，較70#瀝青AC-20，MS0提高了約1.0%，TSR提高了約3.9%，DS提高了約7.1倍，最大彎拉應變提高了約2.3%，疲勞壽命提高了約8.9倍。

（3）HM能與瀝青充分熔融，形成新的聚合物，增加混合料界面粘結力；BF能均勻分散在混合料體系中，起加筋和橋接作用，形成空間網狀結構，承擔和分散混合料內部應力，阻滯混合料變形破壞。

參考文獻：

［1］徐鷗明，金林通，郭嘉，等.瀝青路面抗滑耐久性研究與發展［J］.公路，2024（3）：6-14.

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［7］欒利強，余和德，文雙壽，等.玄武巖纖維對聚氨酯改性瀝青混合料水穩定性提升研究［J］.化工新型材料，2024（5）：269-273.

［8］孫亞輝.玄武巖纖維增強排水瀝青混合料路用性能研究［J］.市政技術，2023，41（2）：150-154.

作者簡介：盧振龍（1973—），高級工程師，主要從事道路橋梁施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18