玄武巖纖維瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)研究*

王松鋒 田榮燕 杜詠崢 王朝 李毅然

西藏大學(xué)工學(xué)院，西藏 拉薩 850000

1 國(guó)內(nèi)研究回顧

將復(fù)合玄武巖纖維組合運(yùn)用于瀝青混合料的研究：郭振華[1]通過(guò)路用性能試驗(yàn)，對(duì)海泡石纖維和改性玄武巖纖維瀝青混合料影響性能以及結(jié)合機(jī)理進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加適當(dāng)量海泡石和改性玄武巖纖維可以制備性能優(yōu)良的纖維復(fù)合瀝青混合料；許慶祥[2]為進(jìn)一步提高SMA 路面的耐久性和使用品質(zhì)，在SMA瀝青混合料中摻入不同比例復(fù)配的玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維，采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定不同復(fù)配比例下SMA 的最佳油石比，通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)復(fù)合纖維瀝青混合料（SMA）的路用性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維復(fù)配摻入SMA 時(shí)，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性均有提升；王成[3]將聚酯纖維、玄武巖纖維、木素纖維復(fù)配加入SMA-13 瀝青混合料中做正交試驗(yàn)，通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)，對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在最佳摻配比下，混雜纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性相對(duì)于普通瀝青混合料有大幅度提高。張海偉[4]對(duì)多種復(fù)合纖維瀝青混合料進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)并利用極差、方差進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出復(fù)合纖維瀝青混合料各項(xiàng)路用性能有較大提升并且更加均衡，充分發(fā)揮了各單纖維的改性?xún)?yōu)勢(shì)和疊加效應(yīng)；宋書(shū)彬[5]研究了硅藻土/玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能，研究結(jié)果表明復(fù)合纖維對(duì)改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性有顯著效果。

對(duì)于玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能研究：范文孝[6]在通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定玄武巖纖維最佳摻量的同時(shí)，通過(guò)高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)、水穩(wěn)性試驗(yàn)及低溫抗裂性試驗(yàn)對(duì)添加不同種類(lèi)纖維的瀝青混合料對(duì)比分析了其路用性能.研究結(jié)果表明,玄武巖纖維對(duì)改性瀝青混合料的路用性能有明顯的提高,且其增強(qiáng)作用優(yōu)于聚酯纖維和木質(zhì)纖維；彭廣銀[7]對(duì)短切玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)與表面微觀特征及其瀝青混合料進(jìn)行了路用性能研究，研究表明短切玄武巖纖維的添加在明顯提高密級(jí)配瀝青混合料的抗剪與抗壓能力的同時(shí)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性有顯著改善效果；劉福軍[8]為了明確玄武巖纖維瀝青混合料與聚酯纖維、木質(zhì)素纖維瀝青混合料在路用性能方面的關(guān)系，對(duì)AC-16C 和SMA-13 兩種結(jié)構(gòu)六種不同纖維瀝青混合料在水損害性能、低溫和高溫的方面進(jìn)行對(duì)比分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩種結(jié)構(gòu)中，路用性能方面玄武巖纖維瀝青混合料要強(qiáng)于聚酯纖維和木質(zhì)素纖維瀝青混合料；傅珍[9]對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料進(jìn)行了路用性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，玄武巖纖維不僅提高了瀝青混合料抗老化性能，而且改善了瀝青混合料老化后的低溫抗裂性，對(duì)玄武巖纖維投入路面使用具有重大意義。

纖維瀝青混合料低溫抗裂性研究：熊銳[10]研究了在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下一定摻量纖維對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的作用，研究表明纖維具有可以在酸化腐蝕的極端惡劣環(huán)境下改善瀝青混合料低溫抗裂性的能力；張碩[11]對(duì)不同組合類(lèi)型方案下的普通透水瀝青混合料與透水瀝青混合料進(jìn)行性能進(jìn)行了對(duì)比研究。研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維對(duì)混合料低溫抗開(kāi)裂性能的提升比聚丙烯纖維更為顯著。

玄武巖纖維瀝青混合料摻量研究：俞紅光[12]通過(guò)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料進(jìn)行抗剪切性能、拉伸性能、低溫流變性能和高溫流變性能試驗(yàn)，對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料路用性能進(jìn)行了一系列地研究，實(shí)驗(yàn)證明了一定的摻量下玄武巖纖維能夠顯著減少瀝青混合料在循環(huán)載荷下的疲勞損傷延長(zhǎng)使用壽命；與此同時(shí)，瀝青混合料的抗剪切性能、抗車(chē)轍性、勁度均得到明顯提高；高丹盈[13]在三種初選的最佳瀝青摻量下分別進(jìn)行了析漏損失、飛散損失、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究了纖維種類(lèi)、摻量對(duì)SMA 路用性能的影響。結(jié)果表明：在纖維復(fù)合瀝青的最佳組成下木質(zhì)素纖維和玄武巖礦物纖維對(duì)SMA路用性能的改善效果均隨纖維摻量增加而提高；韋佑坡[14]對(duì)玄武巖纖維瀝青膠結(jié)料進(jìn)行浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)（DSR）、凍融劈裂實(shí)驗(yàn)和抗車(chē)轍實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一定摻量的玄武巖纖維可以明顯改善瀝青混合料和浸水馬歇爾的穩(wěn)定度。

以上研究表明，添加玄武巖纖維可以改善瀝青混合料的力學(xué)性能、耐久性和抗裂性能。一些研究關(guān)注玄武巖纖維的長(zhǎng)度對(duì)混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)奶砑恿亢屠w維長(zhǎng)度可以提高抗裂性能和斷裂韌性。此外，研究還探討了玄武巖纖維與其他添加劑（如橡膠粉、再生瀝青等）/纖維的組合應(yīng)用，以進(jìn)一步改善混合料性能。瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)可以很好的模擬道路材料在寒冷環(huán)境中的凍融循環(huán)過(guò)程，能夠更準(zhǔn)確的評(píng)估道路材料的耐久性和穩(wěn)定性。在低溫下評(píng)估材料的抗裂性和吸水性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可指導(dǎo)道路材料的選擇和改進(jìn)，提高道路路用性能?；谝陨涎芯浚疚脑趦鋈谂褜?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上添加真空飽水實(shí)驗(yàn)來(lái)更細(xì)致化探究玄武巖纖維的摻量對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性和空隙率的影響并確定玄武巖纖維的最佳摻量范圍。

2 試驗(yàn)材料與試件制備

瀝青基料規(guī)格為西藏地區(qū)普遍通用的AC-13 瀝青混合料，在AC-13 瀝青混合料中添加長(zhǎng)度為6.0mm、平均單絲公稱(chēng)直徑為15μm 的玄武巖纖維來(lái)探究更有利于提高西藏高寒地區(qū)瀝青路用性能的最佳摻量，如表1所示。

表1 玄武巖纖維的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［15］T 0702馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)法制作圓柱形試件：

（1）將各種規(guī)格集料置于105℃±5℃的烘箱中烘四個(gè)小時(shí)至恒重，將用少許凡士林擦凈的模具置于100℃左右的烘箱中加熱一小時(shí)備用；將瀝青混合料拌合機(jī)提前預(yù)熱至160℃。

（2）將一定質(zhì)量的集料和瀝青放入已達(dá)到預(yù)定溫度的瀝青拌和鍋中，啟動(dòng)瀝青混合料拌和鍋拌和1.5min，然后加入一定比例的玄武巖纖維和礦粉，繼續(xù)拌和1.5min。

（3）稱(chēng)取1.13kg 拌和后的瀝青混合料放入預(yù)熱完成的模具中，用插搗棒反復(fù)插搗以確保瀝青混合料中沒(méi)有空隙，在確保瀝青混合料溫度達(dá)到121℃時(shí)將試模連同底座放到擊實(shí)臺(tái)上固定，將裝有導(dǎo)向棒以及擊實(shí)錘的壓實(shí)頭緩慢放入試模中。打開(kāi)擊實(shí)儀開(kāi)關(guān)使擊實(shí)錘從豎直高度457mm 自由落下?lián)魧?shí)50 次，將試模翻轉(zhuǎn)，以相同的方式將試件擊實(shí)50次，如圖1所示。

圖1 試件用量稱(chēng)取

（4）將擊實(shí)后的試件取下，用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確量取試件離試模上邊緣的高度并由此計(jì)算試件的實(shí)際高度，如圖2 所示，當(dāng)試件不滿足63.5±1.3mm 時(shí)，試件應(yīng)作廢并根據(jù)下式調(diào)整瀝青混合料的質(zhì)量：

圖2 試件尺寸測(cè)量

（5）試模橫向放置冷卻至室溫（時(shí)間不小于12 小時(shí)），置于脫模機(jī)上脫出試件。將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24個(gè)小時(shí)。取出后放置于干燥潔凈的平面上備用。

3 試驗(yàn)方案

本研究中凍融劈裂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn)，各組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 飽水率實(shí)驗(yàn)

稱(chēng)取試件在空氣中的質(zhì)量（ma），將試件置于常溫水槽中并將水槽放置于真空干燥器中，使真空干燥器維持在真空度范圍為97.3～98.7kPa 中15min；打開(kāi)閥門(mén)，將真空干燥器恢復(fù)至常壓，并將試件在水中繼續(xù)放置半個(gè)小時(shí)；快速將試件從水中取出來(lái)，用毛巾擦干表面多余的水分，稱(chēng)取真空飽水后的試件質(zhì)量（mf）。每組試件重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)三次，并取其平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

瀝青混合料的飽水率按下式計(jì)算：

式中：Sw－試件飽水率（%）；ma－干燥試件的空中質(zhì)量（g）；mf－真空飽水后試件的空中表干質(zhì)量（g）。

3.2 凍融劈裂實(shí)驗(yàn)

選取每組試件中的兩個(gè)進(jìn)行真空飽水處理，飽水后立即取出試件放入事先準(zhǔn)備好的塑料袋中，并加入純凈水10mL，將袋口扎緊，把試件放入溫度為-18℃±2℃為恒溫冰箱中，維持16±1h；取出試件后，立即放入60℃±0.5℃的恒溫水槽中，并保持10mm 間距，持續(xù)2h。取出試件后，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0176 進(jìn)行50mm/min 的加載速率進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。

凍融劈裂抗拉強(qiáng)度按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：RT1—試件未經(jīng)凍融的劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；RT2—試件凍融后的劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；PT1—試件未經(jīng)凍融的實(shí)驗(yàn)荷載（N）；PT2—試件凍融后的實(shí)驗(yàn)荷載（N）；h—對(duì)應(yīng)試件的高度（mm）。

凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比按下式計(jì)算：

式中：TSR—凍融劈裂實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度比（%）；—試件凍融后的有效劈裂抗拉強(qiáng)度平均值（MPa）；—試件未經(jīng)凍融的有效劈裂抗拉強(qiáng)度的平均值（MPa）。

4 結(jié)果分析

圖3為試件飽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知：飽水率=飽和度×孔隙率，試件經(jīng)真空飽水處理，可認(rèn)為飽和度=1，因此可以得出試件孔隙率依次為：0.5%＞0%＞0.4%＞0.3%（纖維摻量）,當(dāng)瀝青混合料中玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)，瀝青混合料中的孔隙率最小，瀝青混合料的密實(shí)度更高。玄武巖纖維的加入，纖維首先展現(xiàn)出吸附性能，使瀝青混合料之間的孔隙率下降；隨著玄武巖纖維摻量的提高，瀝青混合料中的自由瀝青量大量減少，瀝青混合料中的孔隙率逐漸增大；纖維摻量增加到0.5%時(shí)，纖維之間產(chǎn)生過(guò)多的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使孔隙率再次上升，超過(guò)無(wú)添加纖維的瀝青混合料?？紫对叫∫馕吨值臐B透路徑越為狹窄，可以減少瀝青混合料中的滲水程度，從而降低水分對(duì)瀝青混合料的侵蝕和破壞，有助于提高瀝青混合料的耐水性和抗裂性。

圖3 飽水率變化圖

凍融劈裂強(qiáng)度比反映了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，圖4為各試件的劈裂強(qiáng)度，表3為平均劈裂強(qiáng)度，由圖及表可以看出，試件凍融之后的劈裂強(qiáng)度均出現(xiàn)折減，最大強(qiáng)度折減接近50%.

圖4 各試件劈裂強(qiáng)度

表3 平均劈裂強(qiáng)度

圖5中紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)所得瀝青混合料凍融強(qiáng)度比，僅以圖中數(shù)據(jù)來(lái)看，玄武巖纖維摻量從0%～0.3%，試件凍融劈裂強(qiáng)度比上升了42.7%，隨著纖維摻量增加到0.4%、0.5%，劈裂強(qiáng)度比出現(xiàn)下降，且幅度較大。玄武巖纖維在瀝青混合料中發(fā)揮了其增粘、抗拉性能［16］，能夠有效吸附瀝青，增加瀝青的使用量和飽和度，這在凍融劈裂試驗(yàn)過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件出現(xiàn)的破碎情況為不連續(xù)型斷裂可以看出。同時(shí)，玄武巖纖維吸附的瀝青可以使瀝青膜在礦料表面變厚，減少自由瀝青的含量，增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘結(jié)力。通過(guò)增強(qiáng)瀝青與礦物集料之間界面膜的厚度，提高了瀝青混合料混合料抗水剝離的能力，降低了水對(duì)瀝青膠漿的侵蝕破壞作用。此外，玄武巖纖維不僅可以提高瀝青膠漿抵抗周?chē)h(huán)境侵蝕破壞的能力，而且可以改善混合料抵抗水損害能力。而當(dāng)玄武巖纖維摻量超過(guò)0.3%后，太多的玄武巖纖維吸附了太多的瀝青會(huì)降低瀝青和不同級(jí)配碎石之間的粘聚力，從而導(dǎo)致瀝青混合料出現(xiàn)較大的空隙而無(wú)法抵抗后續(xù)凍融循環(huán)中出現(xiàn)的內(nèi)部應(yīng)力而出現(xiàn)破碎。導(dǎo)致瀝青與礦物集料之間的孔隙增大，粘結(jié)力出現(xiàn)大幅度下降，導(dǎo)致瀝青混合料的凍融循環(huán)劈裂強(qiáng)度比出現(xiàn)下降。

圖5 瀝青混合料凍融強(qiáng)度比

現(xiàn)對(duì)瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比數(shù)據(jù)趨勢(shì)作曲線擬合，可得到凍融強(qiáng)度比隨纖維摻量的變化預(yù)測(cè)曲線，如圖5中綠色曲線所示，擬合函數(shù)為：

式中：y為T(mén)SR；x為纖維摻量；a、b、c為常數(shù)，a=1.61±0.06，b=-448.92±41.82，c=94533.48±8526.45擬合后R2=0.9783，可認(rèn)為擬合度較好。

由擬合曲線可以看出，玄武巖纖維的最佳摻量在0.2%～0.3%之間；將y=0.6211 代入，可得玄武巖纖維摻量在0%～0.47%范圍內(nèi)均可以提高瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比，即均可以提高瀝青混合料的抗水損害性能。

5 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行玄武巖纖維AC-13 瀝青混合料的飽水率試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）一定范圍摻量的玄武巖纖維的可以降低瀝青混合料的孔隙率，當(dāng)摻量0.5%時(shí)，瀝青混合料的孔隙率要大于為添加玄武巖纖維的瀝青混合料。

（2）玄武巖纖維可以提高瀝青混合料的凍融強(qiáng)度比，但過(guò)多的纖維會(huì)吸附更多的基質(zhì)瀝青，導(dǎo)致瀝青與骨料之間的粘結(jié)力降低，凍融強(qiáng)度比會(huì)下降。

（3）對(duì)瀝青混合料凍融強(qiáng)度比數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得出0%～0.47%范圍內(nèi)的纖維摻量均可以提高瀝青混合料的凍融強(qiáng)度比，玄武巖最佳摻量在0.2%～0.3%之間。

（4）在AC-13 瀝青混合料中加入0.2%～0.3%的玄武巖纖維，可以有效提高瀝青混合料路面的抗水損害性能和低溫抗裂性能，增強(qiáng)瀝青路面的耐久性和使用壽命，這種改進(jìn)方法在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義，可為西藏等高寒地區(qū)的道路施工提供技術(shù)支持。