玄武巖纖維對瀝青混合料的路用性能影響研究

張 杰，張玉柱，黃任文，李海峰

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來，纖維已經(jīng)在道路工程中大量使用，如植物纖維(木質(zhì)素)、礦物纖維(石棉)及聚合物纖維(聚乙烯和聚丙烯)。在應(yīng)用過程中，這些纖維均具有各自特點：木質(zhì)素纖維不適用于瀝青混合料的再生工程[1]；聚合物纖維與瀝青的相容性較差[2]，有時會發(fā)生融化卷曲[3]；礦物纖維并不存在上述兩種纖維的問題，工程中使用最多的是石棉纖維，但其是一種有毒物質(zhì)[4]，對人體具有較大危害，且污染環(huán)境，現(xiàn)在國際上對其使用越來越少。

玄武巖纖維被稱為“21世紀的新材料”，其性能優(yōu)異，替代性強，如力學性能、化學穩(wěn)定性、抗老化性能、水穩(wěn)定性、電熱絕緣性能均優(yōu)于傳統(tǒng)纖維[5]。玄武巖纖維的這種性能優(yōu)勢可避免傳統(tǒng)纖維應(yīng)用過程中的問題，同時玄武巖纖維的生產(chǎn)過程并不產(chǎn)生工業(yè)垃圾，符合環(huán)保需求。因此，玄武巖纖維在瀝青混合料中具有很大應(yīng)用潛力，且能達到較好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境等效益。

目前大量道路工作中已對玄武巖纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用進行了深入研究。如Geol 和Das[6]研究了纖維改性瀝青的抗老化、抗疲勞、抗水損害等方面的性能。彭廣銀等[7]提出了玄武巖纖維對車轍性能的改善優(yōu)于聚酯纖維。與木質(zhì)素纖維相比，F(xiàn)an等[8]得到玄武巖纖維可更好地改善瀝青混合料的抗車轍、耐疲勞及抗水損害能力的結(jié)論。許婷婷等[9]研究了玄武巖纖維增強瀝青混合料的試驗與性能，得出玄武巖纖維對瀝青混凝土有很好的增強效果的結(jié)論。趙麗華和徐剛[10]研究了礦物纖維對瀝青混合料路用性能的影響。趙玉肖[11]通過沖擊韌性試驗研究了玄武巖纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性能。

綜上所述，玄武巖纖維對瀝青混合料各項路用性能具有一定的增強作用，且這些影響與多種因素有關(guān)，如玄武巖的摻入方式、級配類型、瀝青類型等，而目前缺乏對玄武巖瀝青混合料的系統(tǒng)研究，因此，本文以兩種不同骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料(AC-13和SMA-13)為基礎(chǔ)，來進行玄武巖纖維瀝青混合料配合比設(shè)計及路用性能分析。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究采用的SBS改性瀝青為成品瀝青。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[12]，其基本性能結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標表

集料選用石灰?guī)r和玄武巖，礦粉選用石灰?guī)r，根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E40-2005)[13]，測定了集料的相關(guān)性質(zhì)，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG E40-2004)的要求[14]。本文所用纖維包括玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維。木質(zhì)素纖維僅用于SMA-13，玄武巖纖維用于AC-13C和SMA-13。玄武巖和木質(zhì)素纖維的性能試驗結(jié)果如表2所示。

表2 纖維的主要性能試驗結(jié)果表

1.2 混合料制備

本文采用馬歇爾試驗制備AC-13C和SMA-13兩種混合料，兩種混合料的設(shè)計級配如圖1和2所示。對于AC-13C，制備兩類混合料：一種不加纖維，一種加混合料總質(zhì)量0.3%的玄武巖纖維。對于SMA-13混合料，用水泥替代礦料總質(zhì)量2%的礦粉，普通SMA-13中木質(zhì)素含量為混合料總質(zhì)量的3%。玄武巖纖維SMA-13中玄武巖纖維的含量為瀝青混合料總質(zhì)量的0.4%。根據(jù)析漏和飛散損失試驗，各瀝青混合料的油石比如下：AC-13C為5.0%，玄武巖纖維AC-13C為5.2%，木質(zhì)素纖維SMA-13為6.2%，玄武巖纖維SMA-13為6.1%。

圖1 AC-13瀝青混合料的設(shè)計級配曲線圖

圖2 SMA-13瀝青混合料的設(shè)計級配曲線圖

根據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果可知：對于AC-13，纖維的加入增加了最佳油石比，即增大了瀝青用量，同時導致混合料密實度降低，空隙率增大?；旌狭系姆€(wěn)定度增大，主要是玄武巖纖維可以在混合料內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)，可以分散和傳遞荷載。對于SMA-13，玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比低于木質(zhì)素纖維的，其他參數(shù)結(jié)果相差不大。另外，從析漏和飛散損失試驗看出，玄武巖纖維起到吸附瀝青、穩(wěn)定馬蹄脂和加筋作用。

2 玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性分析

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性通常用車轍試驗來評價。首先制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，試驗溫度為60 ℃和70 ℃，試驗輪壓為0.7 MPa，碾壓速度為42次/min，對車轍板進行碾壓。車轍試驗結(jié)果如下頁圖3所示。

(a)試驗溫度60 ℃

由圖3可知，整體來看，所有瀝青混合料的動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。玄武巖纖維的加入均增加了瀝青混合料的抗車轍能力。由于瀝青黏度會隨溫度上升而減小，因此動穩(wěn)定度隨溫度升高而降低。對比圖3(a)和圖3(b)，溫度升高，瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低較多。由圖3(b)可知，摻加玄武巖纖維后，高溫性能降低幅度變緩。溫度越高，玄武巖纖維的抗車轍性能越有優(yōu)勢。因此，玄武巖纖維對瀝青具有加筋作用。

2.2 低溫抗裂性能分析

本文的瀝青混合料低溫性能以低溫彎曲試驗來評價。首先制備300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，然后將車轍試件切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件。將其放置在-10 ℃的溫度下保溫5 h以上，采用UTM-15進行彎曲試驗。如圖4所示為不同瀝青混合料的低溫彎曲試驗結(jié)果圖。

由圖4可知SMA-13的破壞應(yīng)變最大，主要是SMA的油石比較高。另外，瀝青混合料的勁度模量隨玄武巖纖維的摻入有所降低。綜上，瀝青混合料的低溫抗裂性能隨玄武巖纖維的摻入有所提高。這可能是由于玄武巖纖維具有一定的吸油能力，從而增大了最佳油石比，而瀝青用量越多，瀝青混合料低溫性能越好。在瀝青混合料中，玄武巖纖維可分散成三維空間網(wǎng)絡(luò)，承載和分散溫度應(yīng)力，從而提高了瀝青混合料的低溫性能。

(a)最大彎拉應(yīng)變

2.3 水穩(wěn)定性分析

本文采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗來評價水穩(wěn)定性。對于凍融劈裂試驗，首先成型6個馬歇爾試件，分成兩組，每組3個平行試件。第一組進行常規(guī)劈裂試驗；第二組真空飽水狀態(tài)，放入恒溫水箱中，再在-18 ℃±2 ℃的冷凍箱中放置16 h，然后在60 ℃的恒溫水槽中放置24 h，取出試件在25 ℃的恒溫水槽中放置2 h，之后根據(jù)規(guī)范進行劈裂試驗，并計算劈裂抗拉強度比(TSR)，即第一組與第二組獲得的劈裂強度的比值，結(jié)果如圖5(a)所示。

浸水馬歇爾試驗根據(jù)JTG E20-2011中的試驗方法進行。同樣成型6個馬歇爾試件，分成兩組，每組3個平行試件。第一組試件進行常規(guī)馬歇爾試驗；第二組試件需先放置在60 ℃恒溫水槽中保溫48 h，然后進行馬歇爾試驗，最后計算浸水殘留穩(wěn)定度，即常規(guī)馬歇爾穩(wěn)定度(第一組試驗值)和浸水馬歇爾穩(wěn)定度(第二組試驗值)的比值，結(jié)果如圖5(b)所示。

如圖5所示，所有瀝青混合料的水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，并且水穩(wěn)定性呈現(xiàn)有升有降的現(xiàn)象。對于AC級配，玄武巖纖維使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性出現(xiàn)了下降，SBS改性瀝青的AC下降幅度更小。對于SMA級配，玄武巖纖維可提高其水穩(wěn)定性，但改善幅度不大，這主要是因為纖維分散于瀝青混合料中，與瀝青形成空間網(wǎng)狀的纖維膠漿，膠漿包裹粗集料形成整體，導致水很難把瀝青從集料表面剝落。

(a)凍融劈裂試驗

2.4 疲勞性能分析

對于疲勞性能的評價，本文選用常規(guī)的小梁彎曲疲勞試驗。根據(jù)JTG E20-2011，制備300 mm×300 mm×50 mm的試件。不同應(yīng)力水平時每種混合料4個平行試件。試驗結(jié)束以勁度模量降至初始模量的50%為準[15]。試驗溫度為15 ℃±0.5 ℃，測定結(jié)果如表3所示。

表3 不同瀝青混合料的疲勞壽命測試結(jié)果表(萬次)

由表3可知，隨著應(yīng)變水平的增加，瀝青混合料的疲勞壽命減小，從而其抗疲勞能力減小。在各種應(yīng)力水平下，玄武巖纖維的摻入使所有混合料的疲勞壽命均增加了，可見玄武巖纖維可有效提高瀝青混合料的抗疲勞性能，其中對SMA-13的增強更顯著。這可能是由于在瀝青混合料中，玄武巖纖維相互連接構(gòu)成了一種空間三維結(jié)構(gòu)，從而阻礙了疲勞裂紋的發(fā)生及擴展。另外纖維可減少應(yīng)力集中，消散掉應(yīng)變能的累積，改善瀝青混合料的韌性。因此，玄武巖纖維可使瀝青混合料的抗疲勞性能隨應(yīng)變水平的增加而減小。

3 結(jié)語

(1)瀝青混合料的高溫性能受玄武巖纖維影響很大，玄武巖纖維的摻入對其有增強作用，同時可減緩其隨溫度升高的衰減趨勢。

(2)玄武巖纖維改善了瀝青混合料的低溫抗裂性能。SMA-13的破壞應(yīng)變最大，主要是SMA的油石比較高。另外，玄武巖纖維瀝青混合料的勁度模量較低。

(3)玄武巖纖維降低了AC瀝青混合料的水穩(wěn)定性，提高了SMA瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

(4)瀝青混合料的抗疲勞性能隨控制應(yīng)變水平的增加而減小。玄武巖纖維可大幅改善瀝青混合料的抗疲勞性能，SMA級配的增大幅度最大。

(5)雖然玄武巖纖維瀝青混合料的各項指標均滿足使用要求，但目前仍有一些問題有待進一步研究，如纖維與瀝青作用的微觀機理、各路用指標改善的主要原因等。