大溫差地區(qū)摻玄武巖纖維低標(biāo)號(hào)瀝青混合料路用性能研究

樊興華， 薛振華

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

新疆地域廣袤，氣候差異大，年最低氣溫約為-20 ℃，最高氣溫約為60 ℃，且隨著國(guó)家“一帶一路”倡議等項(xiàng)目的開展，新疆地區(qū)道路交通量越來越大，重載交通占比逐年提高。目前常用的70#、90#瀝青路面在重載交通、高低溫極端氣候的作用下，容易產(chǎn)生車轍破壞、低溫開裂、疲勞破壞等損害，降低了瀝青路面的使用壽命，增加了道路的維修、養(yǎng)護(hù)成本。

郭寅川等研究表明：低標(biāo)號(hào)瀝青混合料具有良好的抗車轍性能和經(jīng)濟(jì)效益，可以在新疆高溫抗車轍地區(qū)推廣使用低標(biāo)號(hào)瀝青混合料；但低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的低溫抗裂性能較差；李霖等研究發(fā)現(xiàn)：30#低標(biāo)號(hào)瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，與SBS瀝青混合料接近，優(yōu)于70#瀝青混合料；鄒桂蓮對(duì)瀝青膠漿的流變行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青的標(biāo)號(hào)越低，其高溫性能越好，低溫性能越差；孫雪偉等發(fā)現(xiàn)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能遠(yuǎn)低于高標(biāo)號(hào)瀝青混合料。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明：低標(biāo)號(hào)瀝青具有良好的高溫抗車轍性能，但其低溫抗裂性能較差，新疆大溫差地區(qū)具有豐富的瀝青資源，如能改善低標(biāo)號(hào)瀝青的低溫抗裂性能，揚(yáng)長(zhǎng)避短，將低標(biāo)號(hào)瀝青應(yīng)用于大溫差地區(qū)，不但能提高瀝青路面的使用壽命、降低養(yǎng)護(hù)成本，還能充分利用低標(biāo)號(hào)瀝青資源。

呂陽研究表明：摻加玄武巖纖維后，高模量瀝青混合料的高溫、低溫穩(wěn)定性、疲勞性能均得到大幅度提高，且隨著溫度的提高，瀝青混合料的抗車轍性能衰減程度變緩；覃瀟對(duì)比分析了木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維瀝青膠漿的性能，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素纖維瀝青膠漿抗裂性能較差，聚酯纖維瀝青膠漿高溫流變性能較差，玄武巖纖維瀝青膠漿綜合性能最佳；李慧萍通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：玄武巖纖維長(zhǎng)度為6 mm，摻量為0.35%時(shí)，對(duì)瀝青混合料路用性能的改善作用最佳。玄武巖纖維價(jià)格低廉、與瀝青相容性強(qiáng)，對(duì)瀝青混合料的路用性能具有良好的、全面的改善作用，其改善效果得到了廣泛的研究和應(yīng)用，如采用玄武巖纖維改善低標(biāo)號(hào)瀝青的路用性能，不但能彌補(bǔ)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料低溫性能的缺陷，還能發(fā)揮低標(biāo)號(hào)瀝青混合料抗車轍能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)新疆大溫差地區(qū)交通量大、重載交通占比多等道路交通特征及氣候干旱、溫差大等地理氣候特征，該文通過摻加玄武巖纖維來改善低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的路用性能，為低標(biāo)號(hào)瀝青混合料在大溫差地區(qū)的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，集料壓碎值為13.3%，表觀密度為2.63 g/cm3，磨耗值為12.3%，礦粉的表觀密度為2.68 g/cm3，塑性指數(shù)為2.2，瀝青及集料的技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

其中，在測(cè)定50#瀝青的5 ℃延度時(shí)，瀝青試樣直接發(fā)生脆斷，這表明50#瀝青的低溫性能較差。

玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

通過DSR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)測(cè)試50#基質(zhì)瀝青膠漿、玄武巖纖維-50#瀝青膠漿、90#基質(zhì)瀝青膠漿的高溫、低溫、疲勞性能，并基于瀝青膠漿性能優(yōu)選出較佳的纖維摻量。纖維摻量取3%、6%、9%、12%(占瀝青質(zhì)量的百分比)，纖維長(zhǎng)度取9 mm。

新疆地區(qū)年均溫差較大，年最低氣溫為-20 ℃，最高氣溫為60 ℃，降雨量少，道路交通量越來越大，重載交通占比逐漸增大。針對(duì)新疆地區(qū)的道路交通環(huán)境和地理氣候特點(diǎn)，通過車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)對(duì)摻玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)方法參見JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》。

2 瀝青膠漿試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫性能試驗(yàn)

通過DSR試驗(yàn)分別測(cè)試瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)，并計(jì)算其車轍因子(G*/sinδ)，DSR試驗(yàn)頻率為10 Hz，試驗(yàn)溫度為70、76、82 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

相位角δ越大，表明瀝青膠漿黏性成分比例越大，即瀝青抵抗變形的能力越弱；復(fù)數(shù)剪切模量G*越大，瀝青的黏彈性變形越低，瀝青的累積變形越小；車轍因子(G*/sinδ)越大，瀝青抗車轍性能越強(qiáng)。由表3可知：整體而言，隨著纖維摻量的增大，瀝青膠漿的G*先增大后減小，δ先減小后增大，車轍因子先增大后減小。摻加纖維后，瀝青膠漿的高溫抗車轍性能顯著增強(qiáng)，這是因?yàn)樾鋷r纖維對(duì)瀝青具有很強(qiáng)的吸附作用，纖維摻入瀝青中，提高了纖維-瀝青膠漿的剛度，導(dǎo)致纖維-瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量增大；纖維具有較強(qiáng)的彈性，摻入纖維后，纖維-瀝青膠漿抵抗變形的能力增強(qiáng)。50#基質(zhì)瀝青膠漿的車轍因子顯著高于90#基質(zhì)瀝青膠漿，這表明50#低標(biāo)號(hào)瀝青的高溫抗變形能力遠(yuǎn)強(qiáng)于90#基質(zhì)瀝青。纖維摻量為6%時(shí)，其高溫性能最好。

表3 瀝青的DSR試驗(yàn)結(jié)果

隨著溫度的增高，瀝青膠漿的車轍因子均逐漸減小，瀝青膠漿的車轍因子隨溫度的變化趨勢(shì)見圖1。

由圖1可知：以車轍因子隨溫度的變化速率來看，90#瀝青對(duì)溫度的變化最為敏感，表明相對(duì)于50#瀝青，隨著溫度的提高，90#瀝青的抗車轍性能越來越差。摻加纖維后，纖維-瀝青膠漿的車轍因子變化速率顯著降低，表明纖維的吸附、穩(wěn)定作用，顯著地改善了瀝青的高溫抗變形能力。

圖1 車轍因子隨溫度的變化趨勢(shì)(纖維摻量為6%)

2.2 低溫性能試驗(yàn)

通過BBR試驗(yàn)測(cè)定瀝青膠漿的勁度模量S和蠕變速率m(荷載作用60 s處勁度模量曲線的斜率)，試驗(yàn)溫度為-6、-12、-18、-24 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

隨著溫度的降低，瀝青的蠕變勁度模量逐漸增大，

表4 BBR試驗(yàn)結(jié)果

瀝青膠結(jié)料的低溫抗裂性逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料產(chǎn)生低溫開裂。蠕變速率表征瀝青的應(yīng)力松弛能力，蠕變速率越大，瀝青膠漿的應(yīng)力松弛性能越好，其抗裂性能也越佳。由表4可知：整體而言，隨著玄武巖纖維摻量的增大，纖維-瀝青膠漿的勁度模量先減小后增大，蠕變速率先增大后減小，纖維摻量為6%、9%時(shí)，纖維-瀝青膠漿的低溫抗裂性較好，纖維-瀝青膠漿的PG等級(jí)為PG-28。纖維增強(qiáng)了纖維-瀝青膠漿的應(yīng)力消散能力，從而提高其低溫抗裂性能。50#基質(zhì)瀝青的PG等級(jí)為PG-22，90#基質(zhì)瀝青的PG等級(jí)為PG-28，50#基質(zhì)瀝青的低溫性能遠(yuǎn)低于90#基質(zhì)瀝青，且溫度越低，其低溫性能相差越大，越容易產(chǎn)生低溫開裂。

蠕變速率m隨溫度的變化趨勢(shì)如圖2所示。

由圖2可知：隨著溫度的降低，瀝青的蠕變速率也逐漸減小，摻加纖維后，纖維-瀝青膠漿的蠕變速率顯著增強(qiáng)；溫度較高時(shí)，纖維-瀝青膠漿的蠕變速率大于90#瀝青，隨著溫度的降低，纖維-瀝青的蠕變速率逐漸低于90#瀝青，這表明摻加纖維可以提高瀝青的低溫性能上限，但溫度過低時(shí)，瀝青本身的低溫黏彈性決定了其低溫性能下限，纖維起到的作用減弱。

2.3 疲勞性能試驗(yàn)

瀝青膠漿的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)溫度取25～5 ℃，頻率為10 Hz。

圖2 蠕變速率隨溫度的變化(纖維摻量為6%)

表5 瀝青膠漿的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞因子(G*sinδ)可以表征瀝青的疲勞性能，G*sinδ越大，表示重復(fù)荷載作用下，瀝青的能量損失速度越快，而重復(fù)加載過程中的能量損失與瀝青混合料的疲勞壽命具有正比關(guān)系，因此疲勞因子越小，瀝青及其瀝青混合料的抗疲勞性能越強(qiáng)。由表5可知：隨著玄武巖纖維摻量的增大，纖維-瀝青膠漿的疲勞因子先降低后增大，摻加纖維可以有效改善纖維-瀝青膠漿的抗疲勞性能，纖維摻量為6%時(shí)，其疲勞性能最好。整體而言，50#基質(zhì)瀝青的疲勞性能優(yōu)于90#基質(zhì)瀝青，這是由于50#瀝青的勁度模量較大，在承受同樣的荷載時(shí)，50#瀝青產(chǎn)生的變形較小。

3 瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 配合比設(shè)計(jì)

由瀝青膠漿試驗(yàn)可知，玄武巖纖維摻量為6%(占瀝青質(zhì)量的百分比)時(shí)，纖維-瀝青膠漿具有較佳的性能，通過馬歇爾試驗(yàn)，得出對(duì)應(yīng)的玄武巖纖維瀝青混合料的纖維摻量為0.35%(占瀝青混合料總質(zhì)量的百分比)。

瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配如圖3所示。其中，50#瀝青混合料、摻纖維50#瀝青混合料、90#瀝青混合料的油石比分別為4.50%、4.55%、4.45%。

圖3 AC-25瀝青混合料級(jí)配

3.2 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，試驗(yàn)溫度為60 ℃。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：摻加纖維后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大幅度增加，摻纖維50#瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較50#基質(zhì)瀝青混合料增大了20.3%，較90#瀝青混合料增大了46.6%；摻纖維50#瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于90#瀝青混合料。纖維在瀝青混合料中的亂向分布所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)起到了加筋、橋接作用，增大了瀝青混合料的內(nèi)摩阻力，從而提高了瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度；50#瀝青具有較強(qiáng)抵抗變形和恢復(fù)變形的能力，在高溫下不易軟化，故不易出現(xiàn)車轍變形。因此，針對(duì)新疆大溫差地區(qū)夏季高溫車轍病害嚴(yán)重的情況，摻玄武巖纖維低標(biāo)號(hào)瀝青可以大幅度降低車轍病害的發(fā)生。

3.3 低溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表7，試驗(yàn)溫度為-20 ℃。

表7 瀝青混合料低溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：摻加纖維后，50#瀝青混合料的低溫抗裂性大幅度改善，甚至超過了90#瀝青混合料，摻纖維50#瀝青混合料的彎拉應(yīng)變較50#基質(zhì)瀝青混合料增大了48.6%、彎曲應(yīng)變能增大了43.9%，摻纖維50#瀝青混合料的彎拉應(yīng)變較90#瀝青混合料增大了10.3%、彎曲應(yīng)變能增大了7.7%。

3.4 疲勞性能試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，考慮到重載交通的因素，試驗(yàn)應(yīng)力比取0.5、0.7。

表8 瀝青混合料的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：摻纖維50#瀝青混合料的疲勞壽命高于50#、90#基質(zhì)瀝青混合料，應(yīng)力比為0.5時(shí)，摻纖維50#瀝青混合料的疲勞壽命較50#瀝青混合料提高了34.6%，應(yīng)力比為0.7時(shí)，疲勞壽命提高了31.6%。玄武巖纖維具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，在瀝青混合料的疲勞破壞過程中，纖維起到了消解應(yīng)力、阻止疲勞裂縫擴(kuò)展的作用，進(jìn)而增大了瀝青混合料的疲勞壽命。50#瀝青混合料的疲勞壽命與90#瀝青相近，應(yīng)力比為0.5時(shí)，50#瀝青混合料的疲勞壽命較90#瀝青混合料提高了13%；應(yīng)力比為0.7時(shí)，疲勞壽命降低了4.8%。這是因?yàn)?0#瀝青中黏性成分較少，瀝青脆性較強(qiáng)，在承受較大荷載時(shí)，瀝青中更容易產(chǎn)生微裂縫，因此應(yīng)力比較大時(shí)，50#瀝青混合料的疲勞壽命低于90#瀝青混合料。

由瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)可知，低標(biāo)號(hào)瀝青混合料具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性和疲勞性能，但低溫抗裂性能較差，難以適應(yīng)新疆大溫差地區(qū)的氣候條件，而摻加玄武巖纖維后，低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性得到了大幅度的提升。

4 玄武巖纖維對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料低溫抗裂性能的改善機(jī)理分析

結(jié)合瀝青膠漿試驗(yàn)及瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果，通過SEM試驗(yàn)分析摻加玄武巖纖維對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料低溫性能的改善機(jī)理，玄武巖纖維瀝青混合料及普通瀝青混合料的SEM照片如圖4、5所示。

圖4 纖維-瀝青混合料的SEM照片

圖5 普通瀝青混合料的SEM照片

由圖4、5可知：玄武巖纖維在低標(biāo)號(hào)瀝青混合料中呈現(xiàn)亂向分布，相互橋接而形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，吸附了大量的瀝青，而普通瀝青混合料中瀝青和集料較為分散，集料表面吸附的瀝青較少。

隨著溫度的降低，瀝青材料的蠕變勁度模量增大、蠕變速率減小，瀝青中累積的低溫應(yīng)力導(dǎo)致瀝青材料逐漸產(chǎn)生低溫微裂縫，在荷載作用下，微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致瀝青混合料開始產(chǎn)生裂縫。玄武巖纖維的彈性模量較高，斷裂延伸率較大，均勻散布在瀝青混合料中的玄武巖纖維與混合料共同受力，與瀝青膠結(jié)料形成復(fù)合柔性材料，增大了混合料的彈性模量和柔韌性，提高了混合料抵抗變形的能力，起到了消解應(yīng)力的作用；橫跨在微裂縫兩側(cè)的纖維還起到橋接作用，約束低溫微裂縫的擴(kuò)展，阻止裂縫過快地形成貫通性裂縫。

此外，玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度較大，裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展需要將纖維拉斷或拔出，而纖維的損傷斷裂過程需要消耗大量的能量，因此在低標(biāo)號(hào)瀝青中摻加玄武巖纖維能夠大幅度地提高瀝青混合料的應(yīng)變能密度，增大低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的低溫抗裂性能。

5 結(jié)論

(1) 50#瀝青膠漿的高溫性能、疲勞性能均優(yōu)于90#瀝青膠漿，低溫性能低于90#瀝青膠漿，摻加纖維后50#瀝青膠漿的高溫性能、低溫性能、疲勞性能均高于90#瀝青膠漿，且纖維-瀝青膠漿性能隨溫度變化的敏感性降低。玄武巖纖維摻量為6%時(shí)，對(duì)瀝青膠漿性能的綜合改善作用最佳。

(2) 摻加玄武巖纖維后，50#低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的高溫、低溫、疲勞性能均大幅度提高。

(3) 玄武巖纖維摻量為0.35%時(shí)，玄武巖纖維-50#瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能優(yōu)于90#瀝青混合料。在新疆大溫差地區(qū)推廣應(yīng)用玄武巖纖維低標(biāo)號(hào)瀝青混合料，可以有效地減少車轍、低溫開裂、疲勞開裂等病害。