摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料試驗分析

吳 軍（吉水縣城市管理局市政環(huán)衛(wèi)所，江西 吉安 331600）

0 引 言

瀝青路面是道橋工程中廣泛使用的路面類型，具有良好的力學性能、耐久性和抗滑性能。然而，傳統(tǒng)的瀝青路面材料易受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，導致路面損壞和壽命縮短。由于瀝青性質較為復雜，將其使用在道路橋梁路面施工中，必須遵循設置的配合比，才能保證道橋施工中路面質量[1]。目前，很多道橋工程施工中的路面病害，均和瀝青使用效果存在關聯(lián)性[2]。為了提高瀝青路面的性能和壽命，延長道橋路面使用性能與時間，研究者們一直在探索新型的路面材料和技術。玄武巖纖維作為一種新型的纖維材料，具有優(yōu)良的物理和化學性能，如斷裂強度顯著，耐酸堿腐蝕性能優(yōu)越，強度、耐熱性高，膨脹性低等，因此在建筑材料、道路工程等領域得到了廣泛的應用[3]。有研究表明，將玄武巖纖維摻入到瀝青混合料中，對優(yōu)化道橋路面路用性能存在重要意義[4]，其可以提高混合料的力學性能、抗疲勞性能和抗裂紋擴展能力等，優(yōu)化道橋路面的結構性能，防止、降低瀝青路面病害出現(xiàn)概率，從而延長道橋路面使用時間[5]。

本文旨在通過試驗分析，探討摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料的性能和可行性，為玄武巖纖維在道路工程領域的進一步推廣和應用提供理論支持和實踐依據(jù)。

1 摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料試驗簡介

玄武巖纖維的制備原料屬于天然級材料，把此原料破碎后放入熔窯，在1 450 ℃高溫環(huán)境中熔融完畢后快速拉制，便可制備為連續(xù)纖維。在此制備過程中，并不會出現(xiàn)廢水、廢氣等工業(yè)垃圾，具有較好的環(huán)保性[6]。

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝 青

試驗所用瀝青是殼牌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene-butadiene-styrene，SBS）改性瀝青（四川禾生光谷股份有限公司），其具體性能指標如下：針入度為72 mm；軟化點為65 ℃；延度為49 cm；針入度指數(shù)為0.6；溶解度為99.9%；閃點為330 ℃；運動黏度為1.9 Pa·s；彈性恢復為77%；軟化點差為1.5 ℃。

1.1.2 礦 料

礦料中，粗集料采用骨料粒徑是0.08～15.00 mm的玄武巖碎石料（山東展飛建筑材料有限公司），其表觀相對密度與毛體積相對密度依次是2.93 g/cm3、2.79 g/cm3；細集料采用表觀密度、砂當量分別是2.83 g/cm3、93%的石灰?guī)r機制砂（重慶渝勝礦業(yè)有限公司）；礦粉采用石灰?guī)r礦粉（唐山鑫征建材有限公司）。

1.1.3 玄武巖纖維

使用短切玄武巖纖維，其斷裂強度、斷裂伸長率、吸油率依次是1 222 MPa、2.72%、53%；含水率、耐熱性斷裂強度保留率、耐堿性斷裂強度保留率依次是94%、90%、90%。

1.2 制作方法

將殼牌SBS改性瀝青放入聚四氟乙烯燒杯（德清新多菱氟化學有限公司）中，在溫度為180 ℃的油浴條件下對其加熱；熔化后，將礦料、玄武巖纖維放入燒杯，攪拌均勻；最后將攪拌后的混合料放在模具中，使用MDJ-IIA/B/C馬歇爾電動擊實儀（上海魅宇儀器科技有限公司）擊實。

復合材料還未成型時，將WZF-300碾壓機（ 鄭州哈威工程設備有限公司）的弧形碾壓板加熱值設置成100 ℃，將摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料試件放置于碾壓板上，將其碾壓成型后放入在溫度為60 ℃的恒溫室（北京恒泰豐科試驗設備有限公司）中保溫5 h。

摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料制作完畢，設置復合材料的級配方案AC-13C：油石比為6.1%，理論密度與間隙率分別是2.464 g/cm3、16.8%，穩(wěn)定度、流值分別是9.32%、42.5 mm，空隙率與飽和度分別是3.3%、82.6%。

1.3 路用性能分析方法

摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料，作為路面的面層材料，在車載力的作用下，需要具備合格的路用性能，才能保證路面不過早出現(xiàn)車轍病害，且降低車轍病害級別[7]。路用性能主要包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性。因篇幅原因，本文研究以路面高溫穩(wěn)定性為路用性能分析指標。車轍測試是檢測路面路用性能的核心方法之一。此方法能夠模擬現(xiàn)實生活中，汽車對路面產(chǎn)生的車轍狀態(tài)，分析路面的高溫穩(wěn)定性，從而判斷路面結構的抗車轍病害性能[8]。

本研究中，車轍測試使用JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的瀝青混合料車轍測試方法。設置試驗中所模擬的車輪與路面接觸壓力是0.8 MPa，運行長度是24 cm，加載次數(shù)與溫度依次是30次、60 ℃。提取試驗中45 min、60 min的路面變形量E45、E60，分析道橋瀝青路面動穩(wěn)定度ER：

式中，T1、T2分別是道橋瀝青路面車轍測試的不同時間段[9]。

2 道橋瀝青路面復合材料的纖維摻量分析

為了保證道橋瀝青路面復合材料用于路面施工后，路面路用性能得以優(yōu)化，考慮纖維摻量對道橋瀝青路面復合材料的高溫穩(wěn)定性存在影響，將玄武巖纖維摻量分別設成0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。不同纖維摻量條件中，道橋路面的45 min、60 min路面變形量以及動穩(wěn)定度測試結果，如表1所示。

表1 道橋瀝青路面復合材料的纖維摻量分析結果

分析表1測試結果可知，道橋瀝青路面復合材料用于路面施工后，當玄武巖纖維摻量增多，道橋瀝青路面的動穩(wěn)定度也出現(xiàn)增大的趨勢。這表明摻入玄武巖纖維，能夠優(yōu)化道橋路面的高溫穩(wěn)定性，從而降低路面車轍病害的出現(xiàn)概率。摻入0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%的玄武巖纖維后，摻量是0.10%的工況中，道橋瀝青路面45 min變形量與60 min變形量最小，為1.382 mm、1.439 mm，動穩(wěn)定度最大，為9 526次/mm。分析其原因，為：摻入玄武巖纖維后，道橋瀝青路面復合材料的瀝青流動，會受到玄武巖纖維網(wǎng)絡影響，增大瀝青膠漿黏度，且玄武巖纖維表層具有堿性屬性，其與瀝青結合后，瀝青膜厚增大。在高溫工況中，玄武巖纖維內部空隙可作為瀝青的緩沖空間，降低瀝青路面高溫出油的概率。且玄武巖纖維自身的網(wǎng)狀結構，能夠降低道橋瀝青路面復合材料的塑性變形程度，優(yōu)化道橋瀝青路面復合材料的高溫抗剪切能力，從而避免路面出現(xiàn)車轍病害。

表1中獲取的玄武巖纖維最優(yōu)摻量是0.10%，原因是：玄武巖纖維摻量過多，會導致纖維結團，致使道橋瀝青路面復合材料的高溫穩(wěn)定性變差，易出現(xiàn)車轍病害。

3 道橋瀝青路面復合材料的纖維長度分析

除了玄武巖纖維摻量對高溫穩(wěn)定性存在影響之外，纖維長度對其也存在一定影響。為此，玄武巖纖維長度分別設置為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm。不同纖維摻量條件中，道橋路面的45 min、60 min路面變形量以及動穩(wěn)定度測試結果，如表2所示。

表2 道橋瀝青路面復合材料的纖維長度分析結果

分析表2測試結果可知，玄武巖纖維長度增大后，道橋瀝青路面的動穩(wěn)定度隨之變化。摻入長度為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的玄武巖纖維后，長度為6 mm時，道橋瀝青路面45 min變形量與60 min變形量最小，為1.236 mm、1.523 mm時，動穩(wěn)定度最大，為8 043次/mm。分析其原因，為：使用合理長度的玄武巖纖維，能夠優(yōu)化道橋瀝青路面的動穩(wěn)定度，其可提供“加筋”式作用，從而約束道橋瀝青路面骨料，保證道橋瀝青路面骨料之間不出現(xiàn)相對滑移問題，優(yōu)化道橋瀝青路面抗變形性能，從而避免路面出現(xiàn)車轍病害。結合表2測試結果可知，玄武巖纖維最優(yōu)長度是6 mm。

綜上所述，在道橋施工中，為了預防道橋瀝青路面出現(xiàn)車轍病害，可將摻量是0.10%、長度是6 mm的玄武巖纖維和殼牌SBS改性瀝青、玄武巖碎石料、石灰?guī)r機制砂、石灰?guī)r礦粉混合應用，制備為道橋瀝青路面的復合材料。將其用于道橋瀝青路面施工后，可優(yōu)化道橋瀝青路面的抗車轍病害能力，道橋瀝青路面動穩(wěn)定度明顯提升。

4 結 語

道路橋梁工程屬于城市基礎建設的核心工程之一，其施工質量直接影響城市的交通運輸狀態(tài)。在國民經(jīng)濟快速發(fā)展的大環(huán)境中，道路橋梁質量也需隨之提升，緊跟社會發(fā)展的腳步，才能夠有效緩解城市交通壓力，為城市之間的交流與城市的發(fā)展提供積極作用。因此，優(yōu)化道路橋梁工程建設質量，是城市基礎設施建設的核心問題。施工過程中，必須使用科學的方法、有效的預防性養(yǎng)護技術，降低道橋建設的路面病害出現(xiàn)概率。本文對摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料進行試驗研究，研究結果表明：玄武巖纖維的摻入對瀝青路面的抗疲勞性能、抗車轍性能、抗裂性能等方面均有顯著改善；同時，玄武巖纖維的加入還可以有效提高瀝青路面的耐久性和抗老化性能，延長路面的使用壽命。

綜上所述，摻入玄武巖纖維的道橋瀝青路面復合材料具有優(yōu)良的性能和廣闊的應用前景。在實際工程中，可以顯著提高路面的使用壽命和耐久性，減少維修成本，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。未來，筆者建議進一步研究玄武巖纖維與其他類型纖維的協(xié)同作用，以及復合材料在復雜環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)，為道橋瀝青路面的優(yōu)化設計和施工提供更加可靠的依據(jù)。