玄武巖纖維改性瀝青混凝土性能研究

作者簡介：

梁懷?。?988—），主要從事公路橋梁工程項目管理方面的工作。

摘要：為了提升瀝青混凝土的路用性能，減少其在極端氣候條件下的開裂問題，文章通過采用不同長度和摻量的玄武巖纖維對瀝青混凝土進(jìn)行改良后研究其性能。結(jié)果表明：摻入玄武巖纖維可以顯著提升瀝青混凝土的高、低溫性能和水穩(wěn)定性，但是纖維長度和摻量不宜過大；當(dāng)玄武巖摻量為0.3%、長度為6 mm時，瀝青混凝土的各項路用綜合性能最佳，在最佳改良方案下，動穩(wěn)定度達(dá)到2 150.16次/mm，殘留穩(wěn)定度達(dá)到83.3%，25 ℃、-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃下的最大彎拉應(yīng)變分別達(dá)到10 008.6 με、8 652.8 με、8 220.4 με和6 895 με，均較未摻入玄武巖纖維時有較大幅度提升。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；瀝青混凝土；動穩(wěn)定度；殘留穩(wěn)定度；最大彎拉應(yīng)變

中圖分類號：U414 A 20 066 3

0 引言

在氣溫低、晝夜溫差大、輻射強(qiáng)、降雨多的地區(qū)，瀝青混凝土路面的耐久性會受到顯著影響，許多路段在運(yùn)行不久后出現(xiàn)面層開裂的現(xiàn)象，不僅影響了正常使用功能，而且還增大了路面的維護(hù)費(fèi)用。因此，有必要對極端氣候地區(qū)的瀝青混凝土耐久性展開專項研究［1-2］。

對瀝青混凝土耐久性進(jìn)行改良最直接的方法就是摻入外摻料，其中利用纖維高強(qiáng)、高彈以及抗拔等特性對瀝青混凝土進(jìn)行改良不失為一種有效的方法［3-4］。然而傳統(tǒng)的木質(zhì)素纖維、聚酯纖維改良瀝青混凝土在上述特殊氣候條件下的耐久性表現(xiàn)并不理想，很多路面仍然出現(xiàn)了不同程度的溫度型裂縫，因此有必要尋找一種材料來替代原有的改性材料。玄武巖纖維作為一種天然纖維，具有斷裂強(qiáng)度高、吸濕性小、吸油性好、導(dǎo)熱系數(shù)低等諸多特性，對于瀝青混凝土的路用性能具有較好的改善作用，具備廣闊的應(yīng)用前景［5-7］。

本文以90#基質(zhì)瀝青、集料和礦粉作為原材料配制AC-13瀝青混凝土，然后利用不同長度和摻量的玄武巖纖維對瀝青混合料進(jìn)行改良，以期能為特殊氣候地區(qū)瀝青混凝土路面耐久性方面的研究提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

瀝青基質(zhì)：選用90#基質(zhì)瀝青，針入度（25 ℃，0.1 mm）為83，軟化點為46 ℃，延度（15 ℃，cm）為150。玄武巖纖維：長度有3 mm、6 mm和9 mm三種，單絲直徑為11 μm，密度為2.65 g/cm3，斷裂強(qiáng)度為3 000 MPa，吸濕率為0.8%，受熱質(zhì)量損失為2%，吸油率為57%，彈性模量為100 GPa，粘結(jié)溫度為1 050 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 W/（m·K）。礦料：粒徑范圍為0～15 mm，吸水率為1.1%，含泥量為1.3%，壓碎值為21.2%。礦粉：石灰石礦粉，表觀密度為2.69 g/cm3，粒徑＜0.6 mm，其中＜0.075 mm粒徑含量為82%。

1.2 配合比方案設(shè)計

利用上述原材料，配制AC-13型瀝青混合料，級配曲線見圖1。設(shè)計不同長度和不同摻量玄武巖纖維試驗組，玄武巖纖維長度分為3 mm、6 mm和9 mm三種，玄武巖纖維摻量分為0.1%、0.3%和0.5%三種，礦粉摻量均為5%。具體試驗方案配合比設(shè)計見表1。

1.3 試驗方法

高溫穩(wěn)定性：采用車轍試驗，按照各組配合比將改性瀝青混凝土制成300 mm×300 mm×50 mm的試件，將成型的試件放至恒溫試驗箱（溫度為60 ℃）中進(jìn)行保溫8 h，然后對試件進(jìn)行反復(fù)碾壓，碾壓速率為42次/min，分別取45 min和60 min后的車轍變形量計算試件的動穩(wěn)定度DS=（t60-t45）×N/（d60-d45）。

水穩(wěn)定性：采用浸水馬歇爾試驗，將不同配合比下的改性瀝青混凝土分為兩組，一組置于60 ℃恒溫水中35 min，然后測其穩(wěn)定度MS；另外一組置于60 ℃恒溫水中48 h，然后測其穩(wěn)定度MS1。根據(jù)兩組試驗的穩(wěn)定度計算殘留穩(wěn)定度MS0=MS1/MS×100%。

低溫穩(wěn)定性：采用三點彎曲試驗，按照各組配合比將改性瀝青混凝土制成250 mm×30 mm×35 mm的試件，然后將試件分別在25 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃四種溫度的恒溫中養(yǎng)護(hù)45 min，再進(jìn)行三點彎曲試驗，測得彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量和最大彎拉應(yīng)變等參數(shù)。

玄武巖纖維改性瀝青混凝土性能研究/梁懷健

2 高溫穩(wěn)定性

不同玄武巖纖維長度和摻量下的改性瀝青混凝土動穩(wěn)定度試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知：相同纖維長度下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度逐漸減小，相同玄武巖纖維摻量下，長度越大，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度越小。除了試驗9組（長度9 mm，摻量0.5%）外，摻入玄武巖纖維后，瀝青混凝土的動穩(wěn)定較不摻入時均有不同程度提高，說明玄武巖纖維可以在一定程度上增強(qiáng)瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，減小因車輪碾壓而產(chǎn)生的變形。這是因為玄武巖纖維作為一種惰性材料，在高溫下很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其性能指標(biāo)變化很??；同時玄武巖纖維的吸油性很強(qiáng)，可以與瀝青基質(zhì)很好地粘結(jié)在一起，從而減小出現(xiàn)“拔絲”現(xiàn)象的概率。而玄武巖纖維在瀝青混凝土中錯綜復(fù)雜的排列與分布可以形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅具有吸附瀝青和填充的效果，還可以在瀝青混凝土中形成分界層，從而加強(qiáng)隔熱性能，提高高溫穩(wěn)定性，而且玄武巖纖維具有較高的斷裂強(qiáng)度和彈性模量，在瀝青混凝土中可以起到加筋作用，從而增強(qiáng)抵抗剪切變形的能力。

但是，當(dāng)玄武巖纖維長度太長或者摻量過多時，可能會導(dǎo)致纖維在瀝青混凝土中的分散性變差，出現(xiàn)局部團(tuán)聚的現(xiàn)象，從而形成薄弱面，反而不利于穩(wěn)定性。從試驗結(jié)果來看，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性最佳。

3 水穩(wěn)定性

不同玄武巖纖維長度和摻量下的改性瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知：當(dāng)玄武巖纖維長度一定時，隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度呈先增大后減小的變化特征。當(dāng)摻量為0.3%時，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度最大；當(dāng)玄武巖纖維摻量一定時，隨著玄武巖纖維長度的增加，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度逐漸減??；摻入纖維的改良試驗組殘留穩(wěn)定度相比未摻入試驗組均有不同程度的提高，說明玄武巖纖維對于瀝青混凝土的水穩(wěn)定性有一定的增強(qiáng)作用。這是因為摻入玄武巖纖維后，會增大瀝青用量，從而增加了瀝青膜的厚度，瀝青膜與錯綜分布的纖維一起，組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少因水力作用而出現(xiàn)的剝落現(xiàn)象，從而增強(qiáng)在水壓作用下的穩(wěn)定性。但是纖維長度增加后，會導(dǎo)致纖維與瀝青結(jié)合體的空間結(jié)構(gòu)增大，瀝青混凝土所能承受的極限水壓力就會隨之減小，因而殘留穩(wěn)定度降低。

但是玄武巖纖維的摻量并不是越高越好，當(dāng)摻量過高時，玄武巖纖維在瀝青混凝土中團(tuán)聚的現(xiàn)象越來越多，而結(jié)團(tuán)中的瀝青主要以自由瀝青為主，從而會使瀝青混凝土的用油量增大，反而不利于瀝青混凝土整體的力學(xué)性質(zhì)。從試驗結(jié)果來看，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性最佳。

4 低溫穩(wěn)定性

不同玄武巖纖維長度和摻量下的改性瀝青混凝土三點彎曲試驗結(jié)果見下頁圖4。由圖4可知：彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均呈先增大后減小的變化特征。試驗5組（玄武巖摻量為0.3%、長度為6 mm）的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變最大，當(dāng)溫度在25 ℃、-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃時，試驗5組的彎拉強(qiáng)度分別較未摻入玄武巖試驗組（10組）提升10.8%、11.1%、11.3%和11%，最大彎拉應(yīng)變分別提升17.3%、20.5%、23.9%和26.9%；相同玄武巖摻量下，溫度越低，瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變越?。划?dāng)溫度為室溫25 ℃時，試驗5組的改性瀝青混凝土的彎曲勁度模量最大，當(dāng)溫度為-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃時，試驗5組的彎曲勁度模量最小或者接近于最小，分別較未摻入時減小7.8%、10.2%和12.5%。玄武巖纖維對瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變的影響最大，其次為彎拉強(qiáng)度，最小的為彎曲勁度模量。

摻入3 mm長度纖維的試件雖然在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較為優(yōu)異，但是由于長度有限，導(dǎo)致在瀝青混凝土中粘結(jié)的瀝青顆粒數(shù)量有限，因而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性相對有限；而摻入9 mm長度纖維的試件則容易導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，在受力作用下抵抗變形的能力也會降低。因此，6 mm長度纖維在瀝青混凝土中的分散效果更好，起到的加筋作用更明顯。從試驗結(jié)果來看，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長度為6 mm時，改性瀝青混凝土的低溫穩(wěn)定性最佳。

5 討論

從前文高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫性能試驗結(jié)果可知：玄武巖纖維對于瀝青混凝土的各項性能具有較好的提升作用，但長度不宜過長，摻量不宜過大。當(dāng)纖維摻量為0.1%～0.3%，長度為3～6 mm時，綜合性能可以達(dá)到最佳。通過各項性能的綜合考量，最終決定采用摻量為0.3%、長度為6 mm的玄武巖纖維對瀝青混凝土進(jìn)行改良，在此改良方案下改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變參數(shù)見表2。從表2可知：在該改良方案下，瀝青混凝土的各項路用性能均滿足技術(shù)規(guī)范要求，特別是高低溫性能較未摻入玄武巖纖維時有較大幅度的提升。

6 結(jié)語

采用玄武巖纖維對AC-13瀝青混凝土進(jìn)行改性試驗，得出如下結(jié)論：

（1）動穩(wěn)定度隨著玄武巖纖維摻量和長度的增加，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度逐漸下降，但相比未摻入纖維試驗組，動穩(wěn)定度均有不同程度提升，當(dāng)纖維摻量為0.1%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性最佳。

（2）隨著玄武巖纖維摻量增加，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度先增大后減小，隨著纖維長度的增加，殘留穩(wěn)定度逐漸減小，纖維摻量為0.3%、長度為3 mm時，改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性最佳。

（3）當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長度為6 mm時，瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變最大，瀝青混凝土的低溫穩(wěn)定性最佳。

（4）綜合玄武巖纖維改性瀝青混凝土的各項路用性能，認(rèn)為當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長度6 mm時，瀝青混凝土的綜合性能最佳。

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收稿日期：2022-10-10