基于漢堡車轍試驗的玄武巖纖維瀝青混合料高溫性能研究

周陽陽 張哲安 范容雪 鐘雅妮 朱嘉煒

（ 揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州225127）

1 概述

隨著國民經濟的快速發(fā)展，公路交通向大流量、大軸載、渠化交通方向發(fā)展[1]，交通量和軸載組成的變化會導致現(xiàn)有瀝青路面提早損壞。國內外相當大部分的瀝青路面并未達到設計使用年限就出現(xiàn)了不同種類的病害，包括車轍變形和水損害等，國內外[2-3]對此類病害的原因和機理進行了大量的研究。

Matias M[4]等采用漢堡車輪跟蹤裝置破壞性試驗分析不同瀝青混凝土（AC）混合物中級配的影響，并在不同溫度和不同空氣含量范圍內進行研究。劉志華[5]研究在AC-13C、SMA-13 瀝青混合料中摻加聚酯纖維和玄武巖纖維的各項路用性能發(fā)現(xiàn)，在進行車轍試驗時纖維的加筋作用可提升瀝青混合料的高溫性能，且玄武巖纖維更優(yōu)。劉金鳳[6]等通過分析木質素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維3 種纖維的不同摻量對瀝青膠漿高溫性能的影響，并通過與瀝青混合料的車轍試驗相關性分析，驗證纖維瀝青膠漿對混合料高溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對瀝青膠漿及瀝青混合料的高溫性能改善效果最優(yōu)。國內研究學者[7-8]評價纖維瀝青混合料的高溫性能多采用車轍試驗，但瀝青路面的工作狀態(tài)是在水、溫度和荷載綜合重復作用下進行的，漢堡車轍試驗更符合路面實際服役情況，可以較好評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

本文主要通過改變水浴溫度、試驗環(huán)境對是否摻加玄武巖纖維的Superpave 瀝青混合料進行漢堡車轍試驗，分析對瀝青混合料高溫性能的影響。

2 原材料與級配設計

2.1 原材料

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》、《公路工程集料試驗規(guī)程》等相關規(guī)范對原材料性能進行檢測。

2.1.1 SBS 改性瀝青

瀝青選用SBS 改性瀝青（表1）。

2.1.2 粗、細集料

粗細集料選用石灰?guī)r，要求粗細集料潔凈、干燥、無風化且不含雜質（表2）。

2.1.3 礦粉

填料選用石灰?guī)r磨細的礦粉，要求礦粉潔凈、干燥，能自由流（表3）。

2.1.4 玄武巖纖維

玄武巖纖維（Basalt fiber，BF）選用江蘇天龍生產的9mm 短切玄武巖纖維（表4）。

表1 SBS 改性瀝青主要技術指標

表2 粗、細集料主要技術指標

表3 礦粉主要技術指標

2.2 礦料級配設計

選用Sup-20 級配瀝青混合料進行配合比設計，各篩孔通過率如表5 所示，其馬歇爾試驗結果如表6 所示。依據(jù)前期研究[9]，纖維瀝青混合料中摻的玄武巖纖維長度為9mm，摻量為0.3%或0.4%較適宜。

表4 玄武巖纖維主要技術指標

3 試驗方法及分析

3.1 試驗方法

本試驗采用輪碾法成型320mm×260mm×40mm（長×寬×厚）的板式試件[10]，試件成型后將試件在室溫下冷卻48h 后脫模[11]。當水浴及空氣浴加熱到試驗要求溫度后，將板塊試件放入固定容器中進行試驗，延時30min 確保試件內部溫度達到溫度要求開始輪碾試驗，車輪行駛速度52 次/min，車輪荷載0.7MPa，荷載作用次數(shù)達到20000次時停止試驗[12]，分析其試驗結果。

試驗通過車轍深度變化曲線中剝落變形拐點（SIP）和最大車轍深度這兩個指標評價瀝青混合料的抗車轍變形能力。在車輪碾壓持續(xù)進行的過程中，車轍深度先緩慢變化（蠕變階段）后迅速增大（剝落階段），最終達到試驗規(guī)定停止次數(shù)，得出最大車轍深度。其中剝落變形拐點為蠕變階段和剝落階段曲線的切線交點。

表5 瀝青混合料設計級配

表6 瀝青混合料馬歇爾試驗指標

3.2 試驗結果分析

3.2.1 水浴溫度

在其它試驗條件不變的情況下，選取水浴溫度40℃到60℃，分析評價瀝青混合料抗車轍性能，其試驗結果如圖1 所示。由圖1 可以看出，在各水浴溫度下，摻加玄武巖纖維的瀝青混合料其剝落變形拐點大于未摻玄武巖纖維的瀝青混合料，最大車轍深度小于未摻的，結果表明瀝青混合料摻加玄武巖纖維之后抗車轍變形能力有所提高。在水浴溫度升高的情況下，摻與未摻玄武巖纖維的兩種瀝青混合料的剝落變形拐點隨溫度升高減小，最大車轍深度隨溫度升高增大，結果表明在溫度升高的情況下瀝青混合料的抗車轍變形能力有所下降。是因為在水浴溫度升高的情況下，瀝青黏結作用被削弱，集料間的嵌擠力下降，從而使得瀝青混合料的抗車轍變形能力下降。

3.2.2 試驗環(huán)境

在其它試驗條件不變的情況下，選取試驗環(huán)境水浴和空氣浴60℃，分析評價瀝青混合料抗車轍性能，其試驗結果如圖2所示。

由圖2 可以看出，有水環(huán)境下瀝青混合料的抗車轍變形能力有所下降，水的加入加速了瀝青路面病害的發(fā)生。這是由于在浸水條件下，瀝青與集料之間的黏附性降低，降低了瀝青混合料的黏結強度，從而導致瀝青混合料的抗車轍變形能力有所下降。

4 結論

通過試驗可以發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以較為顯著地提高瀝青混合料的高溫性能，對瀝青混合料車轍病害在一定程度上起到延緩發(fā)展的作用與效果。因此，對于我國的重載交通路段以及其它對路面抗車轍變形能力要求較高的相關路段，推薦使用玄武巖纖維瀝青混合料，從而起到延緩車轍病害發(fā)展的作用。

圖1 不同水浴溫度下的試驗結果（剝落拐點、最大車轍深度）

圖2 不同試驗環(huán)境下的試驗結果（剝落拐點、最大車轍深度）