粉煤灰/玄武巖纖維改性瀝青混合料配合比優化研究

中圖分類號：U414 文獻標志碼：A 文章編號：1673-3851（2025）07-0533-08

引用格式：俞燁煒，王修山，李震南，等．粉煤灰/玄武巖纖維改性瀝青混合料配合比優化研究[J．浙江理工大學學報（自然科學），2025，53（4）：533-540.

Abstract： To optimize the mix ratio of fly ash and basalt fiber asphalt mixture，the effect of fly ash and basalt fiber on the road performance of asphalt mixture was analyzed. The basalt fiber content，fly ash content and asphalt-stone ratio were taken as influencing factors，and the optimal content of the mixture was obtained through response surface analysis. Then，the road performance of the asphalt mixture with optimized mix ratio was analyzed through Marshall test， immersed Marshall test and low-temperature beam bending test.The results show that the optimal mix ratio of fly ash and basalt fiber asphalt mixture is 6.92% fly ash， 0.39% basalt fiber，and 5.30% asphalt-rock ratio；the maximum error between the predicted value and the measured value of each response index of Marshall stability is only 4.04% ，which shows that the response surface analysis has high reliability；compared with the single fiber asphalt mixture，the stability of the optimal mix ratio mixture is increased by 7.7% ，the residual stability is increased by 7.52% ，and the maximum bending tensile strain is increased by 13.47% . Furthermore，the high temperature stability，low temperature crack resistance， water stability and other indicators are greatly improved. The two materials have a significant composite modification efect on the road performance of AC-13C graded modified asphalt mixture. The optimized mix ratio results in this paper can provide a basis for the use of fly ash and basalt fiber in pavement engineering.

Key Words： road engineering；basalt fiber； fly ash；modified asphalt； response surface methodpavement performance

0 引言

瀝青混合料是由石油瀝青和礦物結合料在一定溫度下拌合而成的工程材料，在高等級路面工程中廣泛使用[。目前，交通運輸領域的新材料研究都面向于減碳和低環境影響需求[]，將固體廢物如廢輪胎等[3用于道路材料已經成為一種新的研究趨勢，研究此類材料在瀝青混合料中的最優配合比和路用性能提升效果進行回收利用符合綠色環保需求。

粉煤灰（Flyash，FA）是火力發電廠燃煤過程中產生的一種粉末狀鋁硅酸鹽固體廢物[4]。火力發電的需求致使粉煤灰產出量大，其主要成分為鋁硅酸鹽，有較高的化學活性，因此在廢物利用方面具有廣闊的應用前景；另外，它作為一種活性材料，在地基加固領域已經發揮出巨大作用[5]。在道路工程領域，粉煤灰對瀝青混合料具有一定的改良效果，但存在缺陷，應用仍不廣泛：張艷等將高鈣粉煤灰作為礦物填料摻入瀝青混合料中，發現粉煤灰能夠提高混合料的動穩定度，但會降低劈裂強度；Li等將粉煤灰和煤直接液化殘渣作為填料代替石灰石礦粉，提高了瀝青的黏度、抗車轍能力、彈性和抗永久變形能力，并降低了溫度敏感性。綜上所述，粉煤灰摻入瀝青混合料可以提升動穩定度、彈性等性能，表明其有廣闊的應用前景，但會降低瀝青混合料劈裂強度等低溫抗裂性能，因此通過其他材料混摻改性粉煤灰瀝青混合料對此問題的改善研究亟待進行。

玄武巖纖維（Basaltfiber，BF）是一種由天然玄武巖拉制的無機高性能纖維材料，能夠通過吸附加筋作用有效提升瀝青混合料的低溫抗裂性能，已被廣泛應用于瀝青道路領域[8。但玄武巖纖維表面光滑，粗糙度小，吸油性較其他纖維差，用于普通瀝青混合料時吸附穩定作用效果欠佳且不經濟[9]。目前，通過玄武巖纖維與其他材料混摻來改良瀝青混合料的性能是瀝青混合料性能研究的新趨勢：馬峰等[10]通過玄武巖纖維與納米 TiO₂ /ZnO 對瀝青進行復合改性，發現混合料的水穩定性和高溫性能相比單摻玄武巖纖維有較大提升；朱春鳳等[11通過硅藻土和玄武巖纖維對瀝青進行復合改性，發現瀝青混合料的路用性能都有明顯提高。

粉煤灰能夠提升瀝青混合料的高溫性能，但加入過量會降低瀝青混合料的劈裂強度，而玄武巖纖維能夠彌補這一缺點，提高低溫抗裂性能，同時粉煤灰的吸附能力能夠彌補玄武巖纖維相比于其他纖維吸油性不足的問題。因此，將兩者混摻入瀝青混合料有望改善混合料的路用性能。目前，相關研究采用纖維與粉煤灰改善瀝青混合料的性能，但是只考慮了單一材料的作用，沒有對兩種材料進行復合改性時的交互影響進行分析，并且忽略了粉煤灰和玄武巖纖維對最優油石比的影響[12-13]

本文采用響應曲面法，把玄武巖纖維摻量、粉煤灰摻量和油石比作為影響因素，空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩定性和流值作為響應指標，以穩定度這一最重要響應指標為例，進行響應曲面分析，通過對5個響應指標設置期望值，進行最優摻量預測，優化其配合比；在此基礎上，對最優配合比下的瀝青混合料進行路用性能試驗，通過馬歇爾試驗、浸水馬歇爾試驗和低溫小梁彎曲試驗評價混合料的高溫穩定性、水穩定性和低溫抗裂性，分析其路用性能提升效果，為玄武巖纖維和粉煤灰在路面工程的使用提供依據。

1原材料與級配組成

1. 1 SBS改性瀝青

SBS改性瀝青自前憑其優異的路用性能而廣泛應用于高等級路面[14]，因此本文采用的瀝青為由茂名市某公司提供的SBS改性瀝青。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20—2011）對該瀝青的各項指標進行試驗檢測，結果如表1。

1.2集料

本文采用的粗集料為石灰巖，選用粒徑大小為3～5.5～10mm 和 10～15mm 的3種礦料，所用的細集料為粒徑大小為 0～3mm 的石灰巖石屑。根據《公路工程集料試驗規程》（JTGE42—2005）對其性能參數進行測定，均滿足要求。

1. 3 粉煤灰

本文所采用的粉煤灰為由河南省鄭州市某公司生產的一級粉煤灰。根據《公路工程集料試驗規程》

（JTGE42—2005）測定粉煤灰性能參數，結果如表2所示。從表2中可以看出，粉煤灰性能符合規范要求。

1. 4 玄武巖纖維

本文采用的玄武巖纖維是由河北喜速工程橡膠

有限公司提供的 6mm 短切玄武巖纖維，纖維的主要性能參數如表3所示。

1. 5 混合料級配組成

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40—2004），本文最終確定采用AC-13C為試驗級配，對經過篩分的礦料進行反復試配，3種不同摻量的粉煤灰礦料級配范圍如表4所示。根據結果繪制合成級配曲線，如圖1所示。由于粉煤灰顆粒細小，會使混合料中小粒徑的礦料占比增加，試驗級配曲線會更加接近級配下限。

2 最優配合比試驗

2.1 試驗設計

相比于傳統正交試驗設計，響應曲面法是一種能夠證明因素之間的交互作用的優化隨機過程的統計研究方法，試驗數量少，同質方程精度高。本文采用Design-Expert 的 Box-Behnkn Design（BBD）模塊，選用3個因素，分別為玄武巖纖維摻量（A）粉煤灰摻量（B）、油石比（C），進行三因素三水平復合設計，以馬歇爾試件的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、有效瀝青飽和度（VFA）、穩定度（MS）、流值（FL）作為響應值，共進行17組試驗，包括5組中心點平行試驗。根據相關文獻確定玄武巖纖維單摻最佳摻量在0.4% 左右[15-17]，粉煤灰單摻最佳摻量在 3%～ 6%^[18-21] ，因此確定各影響因素水平如表5所示。

2.2 試驗方法

粉煤灰在瀝青混合料中吸油性較強，玄武巖纖維的加入使這一現象更加明顯；玄武巖纖維需要在加入瀝青前拌合，否則瀝青的黏性會阻正其分散，導致混合料中各材料分布不均。經過試拌，最終確定瀝青混合料的拌和流程為：先在烘箱中將纖維和集料加熱至 180°C ，然后在預熱溫度為 165^°C 的攪拌機中干拌 90s ，使纖維在其中分散均勻；再加入175^°C 的SBS改性瀝青濕拌 90s ；最后放入 165^°C 的粉煤灰拌合 90s ，得到瀝青混合料。粉煤灰和玄武巖纖維瀝青混合料拌合流程如圖2所示。

瀝青混合料制備完成后，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20—2011）測量穩定度等響應值。

2.3 試驗結果處理

試驗共得到17組試驗數據，包括不同影響因素下，空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩定度、流值的試驗數據如表6。

馬歇爾試驗中穩定度能夠反映瀝青混合料的承載力，5個響應值中可靠度最高，因此以穩定度為例對數據進行分析，表7為DesignExpert軟件進行的擬合方程方差檢驗分析結果。

統計學中認為事件概率 P 會受不可控因素影響，不可控因素會使得結果產生誤差。本文先假定方差檢驗結果不存在顯著性差異，當 Plt;0.05 時，試驗結果存在統計學差異，此項為顯著；當 Pgt;0.05 時，符合假定條件，此項為不顯著[22]。穩定度檢驗結果 X，Z，X²，Y²，Z² 均為顯著項，且擬合度 R² 為98.46% ，失擬項為不顯著項，模型 F 值顯示模型為顯著的，表明模型能夠反映出實際結果，具有較好模擬效果。

2.4各影響因子交互分析

通過Design-Expert的BBD模塊得到穩定度響應指標的最終二階回歸方程式，根據該方程式分別導出油石比為 5.00% 、粉煤灰摻量為 6.00% 、玄武巖纖維摻量為 0.35% 時曲面圖和等值線圖，結果如圖3—圖5所示。

圖3表明，當油石比為 5.00% 時，隨著玄武巖纖維摻量和粉煤灰摻量增加，穩定度均呈現先增大后減小的發展趨勢。因此，在摻量設置范圍內存在玄武巖纖維和粉煤灰的最優摻量，可獲得混合料的最高穩定度。

圖4表明，當粉煤灰摻量為 6.00% 時，隨著玄武巖纖維摻量增加，穩定度呈現先增大后減小的發展趨勢。這是因為在一定范圍內玄武巖纖維的加筋作用會提升混合料的強度，而過多的纖維會發生團聚作用。隨著油石比的增大，穩定度在一定范圍內有較大的增長幅度，之后趨于穩定。因此，在此范圍內存在玄武巖纖維最優摻量和最優油石比，能夠得到低油石比下較高的混合料穩定度。

著粉煤灰摻量增加，穩定度呈現先增大后減小的發展趨勢。這是因為在一定范圍內粉煤灰顆粒可以填充混合料礦料中的間隙，而過多的粉煤灰因其比表面積大、吸油性強的特性，易與瀝青成團。隨著油石比的增大，穩定度在一定范圍內有較大的增長幅度，之后趨于穩定。因此，在此范圍內存在粉煤灰最優摻量和最優油石比，能夠得到低油石比下較高的混合料穩定度。

綜上所述，玄武巖纖維摻量和粉煤灰摻量均會對混合料穩定度產生影響，且存在一組最優配合比，能夠獲得較高的混合料穩定度，又不使摻量過大，造成成本過高。

2.5 最優配合比獲取

將VV期望值設置為 3.5%～4.5% ，VMA期望值設置為 13.2%～13.42% ，VFA期望值設置為60%～70% ，MS期望值設置為最大，FL期望值設置為 3.3～5.0mm ，進行擬合方程回歸點分析，得到混合料最優配合比：粉煤灰摻量 6.92% ，玄武巖纖維摻量 0.39% ，油石比 5.30% 。

以得出的混合料最優配合比再制備馬歇爾試驗試件，將測得的響應指標與預測值進行對照，結果如表8所示。由表8可知，得到的各項響應指標的預測值與實測值的誤差均在 5% 之內，表明該方法得到的最優配合比有較大可靠性。

3路用性能試驗分析

3.1馬歇爾試驗和浸水馬歇爾試驗

按照混合料最優配合比，分別設置2組對照組進行馬歇爾和浸水馬歇爾試驗，其中：1組為只摻人玄武巖纖維的混合料，1組為粉煤灰和玄武巖纖維都不摻的普通混合料。

馬歇爾試驗結果如圖6中穩定度所示，結果表明：相比普通混合料的試驗組，單摻玄武巖纖維的穩定度提升了 7.7% ，流值下降了 5.3% ;相比玄武巖纖維的試驗組，復摻玄武巖纖維和粉煤灰的穩定度提升了 12.9% ，流值下降了 22.9% 。這表明粉煤灰能夠進一步提升瀝青混合料的高溫穩定性，主要原因是粉煤灰具有比表面積大的特性，能夠吸附更多瀝青，提升了混合料的穩定度。

浸水馬歇爾試驗結果如圖6中浸水穩定度和殘留穩定度所示，結果表明：摻入兩種材料的混合料相比于都不摻的普通瀝青混合料，殘留穩定度提升了9.12% ，表明玄武巖纖維的加入能夠提升混合料水穩定性。這是因為纖維既有機械咬合力，又增大了集料顆粒間摩擦力；而粉煤灰的加入進一步增大了摩擦系數，摩擦力能夠得到進一步提升。摻入兩種材料的混合料殘留穩定度比普通瀝青混合料提升了17.33% ，比單摻玄武巖纖維的混合料提升了7.52% ，復合改性的作用更顯著。這是因為粉煤灰的加人，既填充了空隙使得混合料結構更加密實，減少了水的侵入，又能夠吸收水分，降低水對混合料結構的影響。

3.2 低溫小梁彎曲試驗

低溫小梁彎曲試驗結果如表9所示，從表中可以看出：相比普通瀝青混合料，單摻玄武巖纖維的瀝青混合料的最大彎拉應變提升了 19.67% ，勁度模量下降了 5.18% ；相比單摻玄武巖纖維瀝青混合料，復摻玄武巖纖維和粉煤灰的混合料的最大彎拉應變提升了 13.47% ，勁度模量下降了 6.16% ;相比均不摻的普通瀝青混合料，復摻玄武巖纖維和粉煤灰的混合料的最大彎拉應變提升了 35.79% ，勁度模量下降了 11.03% 。這表明粉煤灰和玄武巖纖維復摻能夠提升瀝青混合料的低溫抗裂性。粉煤灰能夠進一步提升瀝青混合料的低溫抗裂性能，是因為粉煤灰能夠增加內部集料顆粒的相對比表面積，使產生的結構瀝青黏膜更多；而且粉煤灰的加入能夠阻止玄武巖纖維在瀝青混合料中團聚，進而促使其更好地分散于混合料中。

4結論

本文考慮了粉煤灰和玄武巖纖維對油石比的影響，采用響應曲面法，將油石比與玄武巖纖維摻量、粉煤灰摻量作為影響因素，得到了混合料最優配合比，在此基礎上對最優配合比下的瀝青混合料進行路用性能試驗，分析性能提升效果，主要結論如下：

a）AC-13C級配下瀝青混合料最優配合比為：粉煤灰摻量為 6.92% ，玄武巖纖維摻量為 0.39% 油石比為 5.30% 。馬歇爾試驗結果顯示各項響應指標的預測值與實測值的誤差最高僅 4.04%

b）相比于單摻玄武巖纖維混合料，最優配合比下的瀝青混合料的穩定度提升了 7.7% ，殘留穩定度提升了 7.52% ，最大彎拉應變提升了 13.47% ；相比于不摻2種外加劑的普通混合料，最優配合比下的瀝青混合料的穩定度提升了 12.9% ，殘留穩定度提升了 17.33% ，最大彎拉應變提升了 35.79% ，勁度模量下降了 11.03% 。這表明在AC-13C級配下的改性瀝青混合料中，粉煤灰和玄武巖纖維的加入能夠相互作用，解決只摻入單一材料所存在的性能下降問題；混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性3種路用性能均能得到提高，表明這兩種材料對路用性能有顯著的復合改性效果。

本文所優化得到的最優配合比相比現有研究，既考慮了玄武巖纖維和粉煤灰對最優油石比的影響，又解決了單摻粉煤灰的瀝青混合料低溫抗裂性下降的問題，得到的結論可以為玄武巖纖維和粉煤灰用于路面工程提供依據。

參考文獻：

[1］王海成，金嬌，劉帥，等.環境友好型綠色道路研究進展與展望[J].中南大學學報（自然科學版），2021，52（7）：2137-2169.

[2]《中國公路學報》編輯部.中國路面工程學術研究綜述·2024[J].中國公路學報，2024，37（3）：1-81.

[3]徐光霽，范劍偉，馬濤，等．高摻量廢胎膠粉改性瀝青性能研究[J].材料導報，2022，36（16）：5-12.

[4]于崢，王瓊，張振群．摻燒污泥型粉煤灰的物理化學性質及其重金屬吸附性能[J]．化工環保，2024，44（2）：242-248.

[5]楊望星，陳柯宇，俞燁煒，等．粉煤灰基地聚合物替代水泥加固軟土的試驗研究[J]．浙江理工大學學報（自然科學版），2022，47（3）： 433-440.

[6］張艷，劉斌．粉煤灰作填料的瀝青混合料試驗及應用研究［J].公路交通科技（應用技術版），2018，14（2）：14-17.

[7]Li Z，Zhang X，Liu F，et al. Effect of replacement of limestonemineral powder with fly ash and direct coal liquefaction residueon the rheological properties of asphalt mastic[J]. Constructionand Building Materials，2024，412：134803.

[8］李俊峰，李文凱，李正強，等．玄武巖纖維排水高黏瀝青混合料性能研究[J]．公路交通科技，2022，39（9）：1-8.

[9]陳飛，張林艷，李先延，等．天然纖維瀝青混合料研究與應用進展[J]：應用化工，2022，51（5）：1472-1479.

[10］馬峰，安強，傅珍，等．納米 ZnO/TiO₂ 對玄武巖纖維改性瀝青性能影響[J]．功能材料，2023，54（8）：8192-8198.

[11］朱春鳳，程永春，梁春雨，等．硅藻土-玄武巖纖維復合改性瀝青混合料路用性能試驗[J]．吉林大學學報（工學版），2020，50（1）：165-173.

[12]汪鑫.纖維粉煤灰瀝青混合料最優配比試驗研究[D]．綿陽：西南科技大學，2022：26-35.

[13］崔善成，吳金榮，宋風寧，等．粉煤灰-聚酯纖維瀝青混合料低溫性能研究[J]．建井技術，2020，41（4）：28-34.

[14］田耀剛，卯愛軍，閻寶寶，等．基于 SBS支鏈活性修復的老化瀝青再生性能研究[J]．功能材料，2023，54（12）：12113-12118.

[15]劉炳華，金彥鑫，陳望平，等．玄武巖纖維在重載SBS瀝青瑪蹄脂碎石混合料路面中的應用[J].公路，2022，67（4）：8-14.

[16]Huang Q，Kang X，Chen P，et al. Characterization ofviscoelastic behavior of basalt fiber asphalt mixtures based ondiscrete andcontinuous spectrum models. [J]. PloS one，2024，19（2）： e0296087.

[17] Long A X，Sun X J， Zhang G L，et al. Study on fractureperformance and failure mechanism of hydraulic basalt fiber asphaltconcrete by considering temperature effect[J]. Theoretical andApplied Fracture Mechanics，2023，125：103895.

[18］張雅紅．粉煤灰瀝青混合料的最佳摻量試驗[J]．交通世界，2023（32）： 53-55.

[19]吳金榮，李飛，宋風寧，等．粉煤灰/聚酯纖維瀝青混合料馬歇爾試驗研究[J]．硅酸鹽通報，2020，39（4）：1343-1350.

[20] Ming N C， Ing N L S，Masri K A，et al. Performance ofasphaltic concrete incorporating fly ash under low temperature[J].Key Engineering Materials，2022，912：153-169.

[21]Dahim M， Abuaddous M， Al-Mattarneh H， etal.Enhancement of road pavement material using conventional andnano-crude oil fly ash[J]. Applied Nanoscience，2O21，11（10）： 2517-2524.

[22]劉朝暉，朱國虎，柳力，等．玄武巖纖維與高模量外摻劑復合增強瀝青混合料性能[J]．科學技術與工程，2023，23（5）：2147-2155.

（責任編輯：康 鋒）