玄武巖纖維對瀝青混合料的路用性能影響分析

洪 淵，陳國偉，唐建亞，王金生，張韓帥

(1浙江省交通投資集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310020；2江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京 211800)

國內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速增長背景下交通量不斷增加，交通壓力隨之增大，各種重軸載交通逐年上升。瀝青路面在重軸載車輛長期行駛影響下可能會出現(xiàn)松散、車轍和裂縫等早期病害問題[1-3]，這些病害發(fā)生后會加速路面質(zhì)量下降過程，降低工程壽命，增加養(yǎng)護(hù)成本，給人們駕車出行帶來種種不便。如何強(qiáng)化瀝青路面路用性能并提升其使用壽命，成為公路相關(guān)專業(yè)研究者者共同關(guān)注的重點(diǎn)問題[4-5]。

當(dāng)前，學(xué)界學(xué)者已通過嘗試在瀝青混合料中摻入納米材料[6]、天然橡膠[7]、聚合物[8]、廢橡膠粉[9]等材料以改良瀝青混凝土路用性能，但瀝青路面依舊存在剪切強(qiáng)度較弱、拉伸強(qiáng)度不足等問題，開裂、永久變形現(xiàn)象等持續(xù)存在。而摻入纖維材料后，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性能均能得到顯著改善[10-12]。相關(guān)研究改善瀝青路面綜合性能采用的纖維材料可以大致分為天然纖維和合成纖維，其中合成纖維主要為鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等。作為一種性能優(yōu)良、性價比突出的新型環(huán)保材料，玄武巖纖維的原材料為玄武巖，經(jīng)特定工藝加工后形成纖維材料，該材料和瀝青之間相容性極強(qiáng)，應(yīng)用在路面工程中能夠達(dá)到強(qiáng)化混合料加筋吸附的效果[13]，改良路面低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能，具有較強(qiáng)的應(yīng)用意義。

彭波[14]分析了瀝青路面高溫穩(wěn)定性和摻入纖維種類的差異，結(jié)合玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維進(jìn)行試驗(yàn)探究，并分析總結(jié)纖維材料改良混合料高溫穩(wěn)定性能的作用機(jī)理。吳少鵬等[15]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，探究了不同種類玄武巖纖維對瀝青混合料性能的改良效果，結(jié)果顯示AC-16C型密集配瀝青混合料在纖維摻量3%條件下，采用4.63%油石比能夠達(dá)到良好的路用性能。徐剛等[16]結(jié)合工程試驗(yàn)，分析了不同摻量下玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的改良效果，結(jié)果顯示摻入0.4%玄武巖纖維時瀝青混合料性能較好，且經(jīng)濟(jì)性良好。

本文在上述相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合水穩(wěn)定性試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和動穩(wěn)定度試驗(yàn)等方式，探究SMA-13型瀝青混合料路用性能在摻入纖維后的性能差異，以期推動玄武巖纖維在路面工程中得到更加廣泛應(yīng)用。

1 瀝青混合料級配

1.1 原材料

本研究采用玄武巖作為粗集料、細(xì)集料，礦粉材質(zhì)為石灰?guī)r，使用SBS I-C改性瀝青開展試驗(yàn)，其各項(xiàng)材料性能參數(shù)見表1。相較于其他纖維材料而言，玄武巖纖維具有顯著更強(qiáng)的抗高溫性能，同時力學(xué)性能優(yōu)異，研究選用浙江石金玄武巖纖維股份有限公司生產(chǎn)的直徑為17μm短切紗（玄武巖纖維），不同纖維物理性能對比見表2。

表1 改性瀝青材料性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of modified asphalt materials

表2 纖維物理性能對比Table 2 Comparison of fiber physical properties

1.2 配合比

以《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)為依據(jù)[7]，使用SMA-13型瀝青瑪蹄脂混合料進(jìn)行試驗(yàn)，具體采用級配范圍、目標(biāo)級配見表3。

表3 礦料級配Table 3 Mineral material grading

使用0.3%玄武巖纖維摻量配制SMA-13型瀝青混合料，并通過試驗(yàn)獲取混合料的最佳油石比，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果及最佳油石比Table 4 Marshall test results and optimal oil stone ratio

2 纖維摻量及長度的最佳值確定

分別選擇纖維摻量0%、0.1%、0.3%、0.5%配制瀝青混合料，分組開展動穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 纖維摻量-動穩(wěn)定度關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between fiber content and dynamic stability

使用最佳纖維摻量、最佳油石比條件下調(diào)整纖維長度，使用3mm、6mm和9mm長度纖維材料分別配制瀝青混合料并進(jìn)行動穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 纖維長度-動穩(wěn)定度關(guān)系曲線Fig.2 Fiber length-dynamic stability relationship curve

由圖1可知，瀝青混合料動穩(wěn)定度隨纖維摻量增加而提升，其中纖維摻量在0.3%以下時瀝青混合料動穩(wěn)定度提升速度較快，而當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.3%以上時動穩(wěn)定度增長速度放緩。由圖2可知，瀝青混合料動穩(wěn)定度隨摻入纖維長度提升而表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其中混合料動穩(wěn)定度在纖維長度6mm時達(dá)到峰值。綜合分析認(rèn)為，纖維長度6mm為最佳長度，玄武巖纖維摻量0.3%為最佳摻量。

3 SMA-13瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

3.1 高溫穩(wěn)定性

車轍問題是瀝青路面常見且難以有效處理的病害問題之一，這也是導(dǎo)致瀝青路面高溫穩(wěn)定性難以有效提升的關(guān)鍵問題所在[8]。國內(nèi)有關(guān)規(guī)定指出，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性需通過車轍板試驗(yàn)法進(jìn)行測定，通過模擬車輛荷載作用下瀝青路面受影響效果，判斷高溫、荷載共同作用下瀝青混合料性能。根據(jù)第2章試驗(yàn)結(jié)果，選取最佳纖維長度6mm，設(shè)置4組試驗(yàn)進(jìn)一步探究瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能與不同的纖維摻量和種類之間關(guān)系，其中3組分別摻入0.1%、0.3%和0.5%玄武巖纖維，1組摻入0.3%木質(zhì)素纖維，試驗(yàn)結(jié)果中玄武巖纖維用B表示，木質(zhì)素纖維用A表示，結(jié)果如圖3所示。

圖3 瀝青混合料動穩(wěn)定度對比Fig.3 Comparison of dynamic stability of asphalt mixtures

由圖3可知，玄武巖纖維各組中，瀝青混合料動穩(wěn)定度隨纖維摻量提升而逐漸提升，其中摻量0.3%條件下，摻入玄武巖纖維的瀝青混合料動穩(wěn)定度比摻入木質(zhì)素纖維的瀝青混合料高出19.1%，摻入0.5%玄武巖纖維的瀝青混合料比摻入0.3%木質(zhì)素纖維瀝青混合料高出27.1%。由此可知，纖維摻量為0.3%時，玄武巖纖維的摻入對混合料高溫穩(wěn)定性能的提升更加明顯，原因在于摻入玄武巖纖維后對瀝青混合料產(chǎn)生吸附加筋作用，材料抗剪切變形能力顯著增強(qiáng)。

3.2 低溫抗裂性能

我國北方地區(qū)由于晝夜溫差較大，瀝青路面工程受凍融循環(huán)作用容易出現(xiàn)低溫開裂病害問題，這也是該地區(qū)瀝青路面病害的主要形式之一，因此需要分析纖維摻量和種類對瀝青混合料低溫抗裂性能影響。本文通過小梁低溫彎曲試驗(yàn)，設(shè)置4組試驗(yàn)探究瀝青混合料低溫抗裂性能和纖維摻量、種類之間關(guān)系，其中3組分別摻入0.5%、0.3%和0.1%玄武巖纖維，1組摻入0.3%木質(zhì)素纖維，結(jié)果如圖4所示。

圖4 混合料破壞應(yīng)變對比Fig.4 Comparison of failure strain of mixture

由圖4可知，混合料彎曲破壞應(yīng)變隨玄武巖纖維摻量提升而增加，相較于摻入0.3%木質(zhì)素纖維瀝青混合料，摻入玄武巖纖維摻量分別為0.5%、0.3%和0.1%的瀝青混合料彎曲破壞應(yīng)變分別提升21.3%、17.4%和6.4%。該結(jié)果顯示，摻入玄武巖纖維后瀝青混合料低溫抗裂性能得到顯著改善。分析認(rèn)為，摻入纖維后，瀝青結(jié)構(gòu)中含有大量纖維結(jié)構(gòu)，限制微小裂縫的形成和發(fā)展，瀝青材料整體勁度模量顯著提升且材料粘聚力增強(qiáng)，因此低溫抗裂性能得到有效改善。

3.3 水穩(wěn)定性

評價瀝青路面抗水毀性能時瀝青混合料水穩(wěn)定性是常用指標(biāo)之一，目前通常結(jié)合凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)或粘附性試驗(yàn)等方式探究混合料水穩(wěn)定性能。本文通過凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)探究混合料水穩(wěn)定性，設(shè)置4組試驗(yàn)探究瀝青混合料水穩(wěn)定性和纖維摻量之間關(guān)系，其中3組分別摻入0.5%、0.3%和0.1%玄武巖纖維，1組摻入0.3%木質(zhì)素纖維，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Immersion marshall test results

圖6 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of freeze-thaw splitting test

由圖6可知，混合料殘留穩(wěn)定度、殘留強(qiáng)度比均隨玄武巖纖維摻量增加而顯著提升。相較于摻量為0.3%木質(zhì)素纖維混合料，纖維摻量為0.3%的玄武巖纖維混合料殘留穩(wěn)定度提升4.21%、殘留強(qiáng)度比提升4.46%；纖維摻量為0.5%的玄武巖纖維混合料殘留穩(wěn)定度提升5.54%、殘留強(qiáng)度比提升5.69%。其原因在于瀝青材料和玄武巖纖維之間吸附能力較強(qiáng)，摻入適合摻量的玄武巖纖維后混合料密實(shí)度提升、孔隙率下降，抗水損能力顯著改善。

4 結(jié)論

(1)高溫穩(wěn)定性。摻入玄武巖纖維后，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能得到顯著改良，且在最佳纖維摻量0.3%條件下，摻入玄武巖纖維的瀝青混合料具有顯著優(yōu)于摻入木質(zhì)素纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。

(2)低溫抗裂性。瀝青混合料的低溫抗裂性隨玄武巖纖維摻量提升而增加，相較于摻入0.3%木質(zhì)素纖維瀝青混合料，摻入玄武巖纖維摻量分別為0.1%、0.3%和0.5%的瀝青混合料低溫抗裂性更好，對應(yīng)彎曲破壞應(yīng)變分別提升6.4%、17.4%和21.3%。

(3)水穩(wěn)定性。摻入玄武巖纖維后，材料密實(shí)度提升、孔隙率下降，水穩(wěn)定性提升，表現(xiàn)為抗水損破壞能力顯著增強(qiáng)。相較于摻量為0.3%木質(zhì)素纖維混合料，纖維摻量為0.3%的玄武巖纖維混合料殘留穩(wěn)定度提升4.21%、殘留強(qiáng)度比提升4.46%。