玄武巖纖維尺寸對瀝青混合料路用性能影響的試驗研究

摘 要：為研究玄武巖纖維尺寸對瀝青混合料路用性能的影響，文章通過在瀝青混合料中添加0.3%的玄武巖纖維，采用標準馬歇爾試驗確定4種不同玄武巖纖維尺寸方案（纖維長度分別為6 mm、9 mm，纖維直徑分別為16 μm、25 μm）的最佳油石比，以室內車轍試驗、單軸貫入試驗、單軸壓縮試驗、三軸剪切試驗、理想開裂試驗、浸水馬歇爾試驗結果分析比較4種方案與未摻玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能。結果表明：未摻玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比為4.5%，直徑為16 μm的玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比為4.7%，直徑為25 μm的玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比為4.6%；動穩定度、單軸貫入強度、壓縮強度、粘聚力、開裂指標、浸水殘留穩定度等均與玄武巖纖維長度呈正相關，與玄武巖纖維直徑呈負相關。

關鍵詞：玄武巖纖維；瀝青；路用性能；最佳油石比

中圖分類號：U414.1"A210744

0"引言

瀝青隨著可再生資源的研究逐漸走入人們視線，由于瀝青擁有可降低路面空隙率、增大路面使用壽命、便于運輸、儲存及施工等特點，逐漸成為世界各國路面的主要材料［1］。但瀝青路面易出現裂縫、水損壞、車轍等病害，嚴重影響車輛通行的舒適性及安全性，增大道路運維成本［2］。因此，對瀝青混合料路用性能的改良的研究尤為重要。

目前，國內外學者對瀝青混合料的改良取得了豐富的研究成果，李旺明［3］使用玉米秸稈纖維對瀝青混合料進行改良，通過車轍試驗、馬歇爾試驗、凍融強度試驗等室內試驗分析瀝青混合料改良前后的變化，提出了最佳摻量的確定方法；申明麗等［4］使用硅藻土對瀝青混合料進行改良，闡述了硅藻土改性瀝青路面溶解性強、依附性強、穩定性強、造價低等特點，并對硅藻土改性瀝青的施工技術進行了分析；郭旋［5］使用木質素纖維與玄武巖纖維對瀝青混合料進行單摻及雙摻改良，并對改性混合料的高溫穩定性能、低溫抗裂性能及水穩定性進行了分析；張娜［6］利用廢舊膠胎粉對瀝青混合料進行改良，對改性瀝青混合料進行車轍試驗、小梁彎曲試驗，研究改良前后其路用性能的變化規律；張夢［7］基于橡膠顆粒耦合抗凝冰劑改良的瀝青混合料，通過室內試驗研究自融雪瀝青路面的力學性能、高溫穩定性、水穩定性及低溫抗裂性的變化規律。綜上所述，玉米秸稈纖維、硅藻土、木質素纖維、廢舊膠胎粉等均可提高瀝青混合料的路用性能，而玄武巖纖維具有價格低廉、穩定性強等特點，常被用作改良劑，但對玄武巖纖維尺寸對瀝青混合料路用性能影響的研究較少。

鑒于此，本文通過在瀝青混合料中添加0.3%的玄武巖纖維，根據標準馬歇爾試驗確定纖維長度分別為6 mm、9 mm，纖維直徑分別為16 μm、25 μm的4種不同玄武巖纖維尺寸方案的最佳油石比；通過車轍試驗、單軸貫入試驗、單軸壓縮試驗、三軸剪切試驗、理想開裂試驗、浸水馬歇爾試驗等室內試驗，分析不同玄武巖纖維尺寸對瀝青混合料的路用性能的影響，為玄武巖纖維在瀝青混合料中的實際應用提供參考。

1"原材料和配合比設計

1.1"原材料技術指標

本文所用15 μm、25 μm玄武巖纖維來自四川某玄武巖纖維公司，其相應規范及檢測結果如表1所示。

填料采用石灰巖礦粉，其相應規范及檢測結果如表2所示。

瀝青采用SBS改性瀝青（PG76-22），其相應規范及檢測結果如表3所示。集料采用石灰巖（粗集料）及玄武巖（細集料），其相應規范及檢測結果如表4所示。集料篩分結果如表5所示。

1.2"瀝青混合料配合比設計

根據《公路瀝青路面施工技術規范》配制瀝青混合料，相應的規范要求就配制結果如表6所示。通過標準馬歇爾試驗方法確定了未摻入玄武巖纖維的最佳油石比，具體混合料體積參數及規范要求如表7所示。

2"路用性能試驗結果及分析

2.1"動穩定度分析

對5種60 ℃瀝青混合料進行車轍試驗，利用動穩定度定量評價玄武巖纖維對試樣動穩定性的改良效果。動穩定度計算公式為：

DS=t2－t1×Nd2－d1（1）

式中：DS——動穩定度（次/mm）；

t1——試驗第45 min；

d1——第45 min玄武巖纖維改良的瀝青混合料變形量；

t2——試驗第60 min；

d2——第60 min玄武巖纖維改良的瀝青混合料變形量；

N——車輛每分鐘行走次數，取45次/min。5種方案的動穩定度如圖1所示。

由圖1可知，未摻入玄武巖纖維時，動穩定度為3 600次/mm，摻入長度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后動穩定度增大到5 150次/mm，增大了43.06%；摻入長度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后動穩定度增大到4 467次/mm，較BF-0增大了24.08%，較BF-1減小了13.26%。說明摻入玄武巖纖維可大幅度提升瀝青混合料的動穩定性，但增大玄武巖纖維直徑會減弱動穩定性的提升效果。

摻入長度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后動穩定度增大到5 388次/mm，較BF-0增大了49.67%，較BF-1增大了4.62%；摻入長度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后動穩定度增大到4 625次/mm，較BF-0增大了28.47%，較BF-2增大了3.54%，較BF-3減小了14.16%。

綜上所述，玄武巖纖維長度與瀝青混合料的動穩定性呈正相關，玄武巖纖維直徑與瀝青混合料的動穩定性呈負相關。

2.2"強度分析

對5種60 ℃瀝青混合料進行單軸貫入試驗、單軸壓縮試驗、三軸剪切試驗。單軸貫入強度計算公式為：

Rτ=0.35×PA（2）

式中：Rτ——單軸貫入強度（MPa）；

P——極限荷載（N）；

A——壓頭面積（mm2）。

壓縮強度計算公式為：

Rc=4×Pπd2（3）

式中：Rc——壓縮強度（MPa）；

P——極限荷載（N）；

d——試樣直徑（mm）。

剪切試驗獲得試樣對應的內摩擦角與粘聚力，發現試樣內摩擦角變化不大，故本文通過單軸貫入強度、壓縮強度、粘聚力評價玄武巖纖維對試樣強度的改良效果。瀝青混合料強度變化情況如圖2所示。

由圖2可知，未摻入玄武巖纖維時，單軸貫入強度、壓縮強度、粘聚力分別為0.68 MPa、0.46 MPa、0.09 MPa；摻入長度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后動單軸貫入強度、壓縮強度、粘聚力分別增大到0.84 MPa、0.57 MPa、0.09 MPa、0.11 MPa，分別增大了23.53%、23.91%、22.22%。

摻入長度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后單軸貫入強度、壓縮強度、粘聚力分別增大到0.76 MPa、0.51 MPa、0.1 MPa，較BF-0分別增大了11.76%、10.87%、11.11%，較BF-1分別減小了9.52%、10.53%、9.09%。

摻入長度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后單軸貫入強度、壓縮強度、粘聚力分別增大到0.97 MPa、0.72 MPa、0.123 MPa，較BF-0分別增大了42.65%、56.52%、36.67%，較BF-1分別增大了15.48%、26.32%、11.82%。

摻入長度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后單軸貫入強度、壓縮強度、粘聚力分別增大到0.88 MPa、0.67 MPa、0.114 MPa，較BF-0分別增大了29.41%、45.65%、26.67%，較BF-2分別增大了15.79%、31.37%、3.64%，較BF-3分別減小了9.28%、6.94%、7.32%。

綜上所述，摻入玄武巖纖維可大幅度提升瀝青混合料的強度，玄武巖纖維長度與瀝青混合料的強度呈正相關，但增大玄武巖纖維直徑會減弱強度的提升效果，玄武巖纖維直徑與瀝青混合料的強度呈負相關。

2.3"抗開裂性能分析

對5種瀝青混合料進行理想開裂試驗，利用開裂指標CTindex評價玄武巖纖維對試樣抗開裂性能改良效果。開裂指標CTindex計算公式為：

CTindex=Gf（p85－p65）/（l85－l65）×l75D（4）

式中：CTindex——開裂指標；

pi——峰后段i%處荷載（N）；

D——試樣直徑（mm）；

li——峰后段i%處位移（mm）。

5種方案的荷載-位移曲線如圖3所示。

根據圖3數據及式（4）可得5種瀝青混合料的開裂指標CTindex變化情況，如圖4所示。

由圖4可知，未摻入玄武巖纖維時，開裂指標CTindex為402，摻入長度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后開裂指標CTindex增大到750，增大了86.57%；摻入長度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后開裂指標CTindex增大到562，較BF-0增大了39.8%，較BF-1減小了25.07%。這說明摻入玄武巖纖維可大幅度提升瀝青混合料的抗開裂性能，但增大玄武巖纖維直徑會減弱抗開裂性能的提升效果。

摻入長度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后開裂指標CTindex增大到630，較BF-0增大了56.72%，較BF-1減小了12%；摻入長度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后開裂指標CTindex增大到520，較BF-0增大了29.35%，較BF-2減小了7.47%，較BF-3減小了17.46%。這說明當摻入的玄武巖纖維長度增大到某一值時，瀝青混合料的抗裂性能開始減弱，因此存在一個最優纖維長度。

2.4"水穩定性分析

對5種瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，利用浸水殘留穩定度定量評價玄武巖纖維對試樣水穩定性的改良效果。浸水殘留穩定度計算公式為：

MS=MS1MS0×100（5）

式中：MS——浸水殘留穩定度（%）；

MS0——試樣初始馬歇爾穩定度（kN）；

MS1——2 d后試樣馬歇爾穩定度（kN）。

5種方案的浸水殘留穩定度如圖5所示。

由圖5可知，BF-0、BF-1、BF-2、BF-3、BF-4的浸水殘留穩定度分別為：86%、90%、87%、89%、86%，說明玄武巖纖維長度與瀝青混合料的水穩定性呈正相關，玄武巖纖維直徑與瀝青混合料的水穩定性呈負相關。

3"結語

（1）從馬歇爾試驗可知：未摻玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.5%；摻入長度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.7%；摻入長度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.6%；加入長度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.7%；加入長度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.6%；

（2）BF-0、BF-1、BF-2、BF-3、BF-4的動穩定度分別為3 600次/mm、5 150次/mm、4 467次/mm、5 388次/mm、4 625次/mm；單軸貫入強度分別為0.68 MPa、0.84 MPa、0.76 MPa、0.97 MPa、0.88 MPa；壓縮強度分別為0.46 MPa、0.57 MPa、0.51 MPa、0.72 MPa、0.67 MPa；粘聚力分別為0.09 MPa、0.11 MPa、0.1 MPa、0.123 MPa、0.114 MPa；開裂指標CTindex分別為402、750、562、630、520；浸水殘留穩定度分別為86%、90%、87%、89%、86%。

參考文獻：

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