玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究

摘 要：為研究玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的影響，文章分別對不同直徑（16 μm、25 μm）的玄武巖纖維瀝青混合料開展基礎物理力學試驗，其中包括車轍試驗、單軸貫入試驗、理想開裂試驗等，并基于功效系數法對瀝青混合料路用性能進行綜合評價。結果表明：玄武巖纖維有效提高了瀝青混合料的高溫穩定性、抗裂性以及水穩性；相比其他不同直徑的玄武巖纖維，僅摻16 μm玄武巖纖維的瀝青混合料綜合性能最優，其功效系數得分最高。

關鍵詞：玄武巖纖維；瀝青混合料；路用性能 ；功效系數

中圖分類號：U414.1A230813

0"引言

我國公路交通建設處于高速發展時期，交通運輸量也在不斷增加。截至目前，我國公路總里程數接近600×104 km。然而目前道路路面仍以瀝青路面為主，其存在易老化、龜裂等缺點，進而影響道路的使用壽命。因此，如何使道路路面材料更為環保、安全是目前研究的重難點之一。玄武巖纖維材料具有高強度、高模量等特點，摻入瀝青混合料后可有效提高其抗裂性、耐久性以及抗變形能力。因此，探究玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能顯得尤為關鍵。

目前研究學者們對改性瀝青混合料的路用性能開展了大量的研究。易帥兵等［1］以萍鋼廢棄鋼渣為研究對象，對比了鋼渣瀝青混合料以及輝綠巖瀝青混合料的路用性能，結果表明鋼渣瀝青混合料具有良好路用性能的同時排放量更低；欒利強等［2］利用玄武巖纖維對聚氨酯改性瀝青混合料進行二次改良，探究二次改良后瀝青混合料的水穩性，結果表明玄武巖纖維增強了瀝青間的粘附性以及聚氨酯瀝青混合料的水穩性；方明鏡等［3］基于力學試驗探究了磷石膏路面基層材料的綜合路用性能，結果表明磷石膏路面基層材料具有良好的浸水穩定性、抗凍性以及抗收縮性；肖鵬等［4］探究了不同纖維類型對瀝青混合料的影響，結果表明玄武巖纖維相較于玻璃纖維以及聚酯纖維增韌效果更為明顯；在此基礎上，馮超等［5］為了探究云母粉改性瀝青的路用性能，對不同摻量下的改性瀝青性能進行了分析，同時利用灰色關聯分析法探究了不同摻量對混合料路用性能的影響，結果表明改性瀝青的高溫穩定性受云母粉摻量的影響較大，而低溫穩定性受云母粉摻量影響較小；趙永波等［6］提出將多孔中空二氧化硅納米顆粒摻入瀝青混合料中對其進行改性，結果表明多孔中空二氧化硅納米顆粒-瀝青混合料路用性能優越；劉朝暉等［7］采用響應曲面法對混合料的配合比進行優化并確定其最優配合比。

上述學者的研究主要集中于改性后瀝青混合料的路用性能，較少涉及玄武巖纖維尺寸對瀝青混合料路用性能的影響。因此，本文在前人研究的基礎上，分析了不同玄武巖纖維直徑對瀝青混合料的影響，并基于物理試驗，對瀝青混合料的路用性能（高溫穩定性、水穩性以及抗裂性能）進行綜合評價，該研究可為道路基層材料的配置提供相應參考。

1"原材料

1.1"玄武巖纖維

本次試驗分別采用16 μm、25 μm玄武巖纖維，其各項基本性能指標見表1。

1.2"礦料

礦料包括集料與填料。本試驗所采用集料為石灰巖以及玄武巖集料，填料選用礦粉，其基本性能如表2和下頁表3所示。

1.3"瀝青

試驗瀝青選用SBS改性瀝青（PG76-22），其基本性能指標均滿足規范要求。

2"瀝青混合料組成設計

玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究/馬萬榮

根據相關規范要求，AC-13瀝青混合料設計級配曲線如圖1所示。

為進一步確定不同纖維摻量下混合料的最佳油石比，本文通過馬歇爾試驗，結合相關規范要求，測定各項參數的指標。擬定初始油石比分別為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%，根據瀝青混合料與油石比關系曲線可知，其最佳油石比為5.0%。不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料最佳油石比參考前文。根據上述步驟，確定不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料最佳油石比如表4所示。

由表4可以發現，玄武巖纖維直徑與瀝青最佳油石比呈負相關，即纖維直徑越大，瀝青最佳油石比越小。其原因是：玄武巖纖維具有吸油性，當玄武巖纖維直徑越大時，其比表面積越小，與瀝青接觸面積也就越小，進而導致大直徑玄武巖纖維最佳油石比低。

3"玄武巖纖維瀝青混合路用性能評價

3.1"高溫穩定性

3.1.1"車轍試驗

車轍試驗可用于評價瀝青混合料的高溫穩定性，結果如圖2所示。

根據相關規范要求，當溫度為60 ℃時，改性瀝青混合料動穩定性≥2 800次/mm。由圖2可知，不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料的動穩定性均≥2 800次/mm，滿足規范要求。相較于無纖維混合料，單摻16 μm、25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料動穩定性分別提高了43.05%、22.39%，而復摻25 μm∶16 μm（1∶1）、復摻25 μm∶16 μm（1∶2）、復摻25 μm∶16 μm（2∶1）玄武巖纖維瀝青混合料的動穩定性也有不同程度的提高，與無纖維混合料相比分別提高了32.67%、36.28%、28.47%。這說明玄武巖纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的動穩定性，同時可以發現小直徑玄武巖纖維對混合料的動穩定性提升幅度更大，其主要原因是玄武巖纖維摻入混合料后，形成了具有穩定性的三維網狀結構，有助于固定集料位置，從而提高混合料的強度；纖維直徑越小，比表面積越大，與瀝青接觸面積也就越大，因此形成的三維網狀結構更為密集，從而提高了混合料的高溫穩定性。

3.1.2"單軸貫入試驗

為進一步測定玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩定性，根據相關規范要求，對其開展單軸貫入試驗以測定混合料高溫抗剪切性能。圖3為不同瀝青混合料單軸貫入試驗結果。

由圖3可知，與無纖維混合料相比，單摻16 μm玄武巖纖維后瀝青混合料單軸貫入強度提高幅度最大，提高了22.82%，而單摻25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料單軸貫入強度僅提高了11.49%，但兩者差距較小，這與車轍試驗結果相同，說明玄武巖纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的高溫抗剪切性能。

3.2"抗開裂性

3.2.1"理想開裂試驗

理想開裂試驗中開裂指標可用于評價瀝青混合料的中溫抗開裂性能，圖4為不同瀝青混合料理想開裂試驗結果。

由圖4可知，與無纖維混合料相比，單摻16 μm、25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料開裂指標分別提高了86.70%、35.89%，而復摻25 μm∶16 μm（1∶1）、復摻25 μm∶16 μm（1∶2）、復摻25 μm∶16 μm（2∶1）玄武巖纖維瀝青混合料開裂指標也分別提高了53.72%、60.40%、45.94%。該現象表明玄武巖纖維可提高瀝青混合料的中溫抗開裂性能，原因是玄武巖纖維與瀝青混合料相互交織后形成了具有穩定性的三維網格結構，可有效抑制裂紋的擴展，從而增強混合料抗裂性能。

3.2.2"低溫小梁彎曲試驗

圖5為不同直徑玄武巖纖維下瀝青混合料最大彎拉應變情況。

由圖5可知，與未添加玄武巖纖維相比，單摻16 μm、25 μm玄武巖纖維后混合料最大彎拉應變分別增加了22.96%、3.94%，而彎曲勁度模量分別降低了8.46%、1.39%，且彎曲勁度模量與抗低溫變形能力呈負相關，說明玄武巖纖維可增強瀝青混合料的柔性以及韌性，該規律與理想開裂試驗結果一致。

3.3"水穩定性

3.3.1"浸水馬歇爾試驗

圖6為浸水馬歇爾試驗結果。

由圖6可知，無纖維瀝青混合料與單摻25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料浸水殘留穩定度最小，其值為88%，而單摻16 μm玄武巖纖維后瀝青混合料浸水殘留穩定度最高，其值為91%，兩者差值較小。該現象說明，玄武巖纖維直徑對混合料的水穩性影響較小。

3.3.2"凍融劈裂試驗

圖7為凍融劈裂試驗結果。由圖7可知，凍融劈裂試驗與浸水馬歇爾試驗結果一致，摻入玄武巖纖維后，混合料劈裂強度有所提高，但提高幅度較小。

從上述試驗結果可知，玄武巖纖維直徑對瀝青混合料水穩性影響較小。

4"基于功效系數法的混合料路用性能分析

4.1"功效系數法

功效系數法是一種基于多因素分析而提出的決策方法［8-9］，其計算公式如下：

fi=xi－xsixhi－xsi×40+60

（1）

f=∑ni=1fin（2）

式中：fi——單項得分；

xhi——滿意值；

xsi——不允許值；

xi——實測值。

4.2"基于功效系數法的混合料路用性能評價

本文基于功效系數法對玄武巖纖維瀝青混合料路用性能進行評價，將不允許值設置為規范所要求的最低值（動穩定度下限值為2 800次/mm、浸水殘留穩定度下限值為85%、最大彎拉應變下限值為2 500 μm），將動穩定度、浸水殘留穩定度以及最大彎拉應變滿意值分別為5 500次/mm、100%、定3 500 μm。根據式（1）、式（2）分別計算各單項指標得分以及功效系數，結果如圖8所示。

由圖8可知，單摻16 μm玄武巖纖維后瀝青混合料的單項指標得分最高，其動穩定度、最大拉彎應變以及浸水殘留穩定度得分為94.81、97.12、78.67，功效系數為90.20。而單摻25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料的功效系數最低，其值為76.79。同時，對比不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料功效系數可以發現，摻入16 μm玄武巖纖維有助于提高瀝青混合料的單項指標以及功效系數。

5"結語

（1）玄武巖纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的路用性能。

（2）玄武巖纖維直徑越小，與瀝青接觸面積也就越大，形成的三維網狀越密集，瀝青混合料的強度也就越高。

（3）單摻16 μm玄武巖纖維瀝青混合料單項指標得分均高于復摻以及單摻25 μm玄武巖纖維瀝青混合料，其功效系數得分最高。

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