不同類型玄武巖纖維薄層罩面瀝青混合料路用性能研究

摘 要：【目的】常規(guī)薄層罩面瀝青混合料性能存在不足，將玄武巖纖維摻入瀝青混合料當(dāng)中，以達(dá)到改善薄層罩面瀝青混合料路用性能，延長其使用年限的效果?！痉椒ā吭谛鋷r纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的基礎(chǔ)上分別對AC-10C、SMA-10兩種薄層罩面瀝青混合料開展配合比設(shè)計(jì)及相關(guān)路用性能研究?！窘Y(jié)果】當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，AC-10C、SMA-10兩種混合料高低溫性能最優(yōu)，動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分別為4 769、5 498次/mm，貫入強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別為0.92、1.17 MPa，彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果分別為3 418、3 578 με；當(dāng)纖維摻量為0.6%時(shí)，AC-10C、SMA-10兩種混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu)，殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分別為91.8%、94.6%，殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果分別為89.2%、89.4%?！窘Y(jié)論】從高低溫性能方面考慮，玄武巖纖維推薦摻量為0.4%；從水穩(wěn)定性能方面考慮，玄武巖纖維推薦摻量為0.6%。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；礦料級配；油石比；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U418.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）16-0076-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.015

Research on the Road Performance of Different Types of Basalt Fiber Thin Layer Covering Asphalt Mixtures

WANG Haiyang1，2 MA Haojie1，2 SHAO Jinggan1，2 WANG Pengpeng1，2 LI Wenkai1，2

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450046， China; 2.R & D Center of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] There are shortcomings in the performance of conventional thin layer overlay asphalt mixture. Basalt fibers are added to the asphalt mixture to improve its road performance and extend its service life. [Methods] On the basis of basalt fiber content of 0%， 0.2%， 0.4%， 0.6%， and 0.8%， mix design and related road performance research were carried out on AC-10C and SMA-10 thin layer overlay asphalt mixtures. [Findings] When the fiber content is 0.4%， the AC-10C and SMA-10 mixtures have the best high and low temperature performance. The dynamic stability test results are 4 769 and 5 498 times/mm， respectively. The penetration strength test rNa+fM7mmbq3RIVf7gcxXBhSqW+utMlf/oS4B03O/97I=esults are 0.92 and 1.17 MPa， and the bending failure strain test results are 3 418 and 3 578 με， respectively; when the fiber content is 0.6%， AC-10C and SMA-10 mixtures have the best water stability performance， with residual stability test results of 91.8% and 94.6%， and residual strength ratio test results of 89.2% and 89.4%， respectively. [Conclusions] From the perspective of high and low temperature performance， the recommended content of basalt fiber is 0.4%; from the perspective of water stability performance， the recommended content of basalt fiber is 0.6%.

Keywords： basalt fiber; mineral aggregate grading; oil stone ratio; asphalt mixture; road performance

0 引言

目前，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，公路總里程逐年增加，尤其高等級公路的發(fā)展更為顯著。截至2023年底，河南省高速公路通車總里程已突破8 300 km。早期建成的高速公路在通車運(yùn)營一定年限后，車轍、裂縫、松散、坑槽等路面病害逐漸出現(xiàn)，不僅影響道路美觀，而且會影響車輛行車安全。近年來，我國公路建設(shè)的重心已逐漸從新建為主，向管養(yǎng)結(jié)合的方向發(fā)展，但隨著高速公路大中修里程的逐年增加，養(yǎng)護(hù)資金日益緊張，給管養(yǎng)單位帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。瀝青混合料薄層罩面的鋪筑厚度一般為2 cm，不僅可以達(dá)到修復(fù)路面的效果，而且還能夠大大降低養(yǎng)護(hù)成本，近年來被廣泛應(yīng)用到高速公路大中修養(yǎng)護(hù)工程當(dāng)中。本研究為改善薄層罩面結(jié)構(gòu)層的路用性能，將玄武巖纖維摻入到瀝青混合料當(dāng)中，并在不同玄武巖纖維摻量的基礎(chǔ)上對AC-10C、SMA-10兩種薄層罩面瀝青混合料開展配合比設(shè)計(jì)及相關(guān)路用性能研究，為玄武巖纖維瀝青薄層罩面在養(yǎng)護(hù)工程中的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1.1.1 瀝青。瀝青路面薄層罩面厚度一般為2 cm左右，較薄的結(jié)構(gòu)層卻直接長期承受車輛荷載的作用，因此，應(yīng)選用性能優(yōu)異的改性瀝青才能保證薄層罩面的路用性能及使用年限。本研究選用的SBS I-D聚合物改性瀝青，主要參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

1.1.2 玄武巖纖維。玄武巖纖維作為穩(wěn)定劑能夠有效吸附、穩(wěn)定瀝青，增加礦料之間結(jié)構(gòu)瀝青膜的厚度，同時(shí)在瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部起到加筋的效果，從而延長薄層罩面瀝青路面的使用年限。本研究選用的玄武巖纖維主要參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本研究選用AC-10C、SMA-10兩種薄層罩面瀝青混合料展開研究，礦料級配設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，不同玄武巖纖維摻量下（占瀝青混合料質(zhì)量）馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4。

2 路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青薄層罩面作為路表結(jié)構(gòu)層，是一種柔性結(jié)構(gòu)，且直接承受車輛軸載尤其重軸載的作用，其性能受環(huán)境溫度影響較大。夏季天氣炎熱，瀝青黏韌性降低，塑性增強(qiáng)，高溫環(huán)境及車輛軸載作用下，瀝青路面因其承載能力不足而出現(xiàn)車轍病害，不僅影響行車舒適性，而且對行車安全造成嚴(yán)重威脅［1-2］。本研究選用車轍及貫入強(qiáng)度試驗(yàn)來評價(jià)不同玄武巖纖維摻量下兩種混合料的高溫性能，動穩(wěn)定度及貫入強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，隨著纖維摻量的增大，AC-10C、SMA-10兩種混合料高溫性能試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，高溫性能最優(yōu)，AC-10C混合料動穩(wěn)定度及貫入強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別為4 769次/mm和0.92 MPa，SMA-10混合料動穩(wěn)定度及貫入強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別為5 498次/mm和1.17 MPa；當(dāng)玄武巖纖維摻量相同時(shí)，SMA-10混合料動穩(wěn)定度及貫入強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于AC-10C混合料。原因是玄武巖纖維與熱骨料在拌和過程中能夠均勻分散成微米級的單絲狀，且能夠均勻分散在瀝青混合料中，起到吸附、穩(wěn)定瀝青的效果，從而改善瀝青路面結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定性，但摻量過大時(shí)，玄武巖纖維在混合料中會出現(xiàn)冗余，從而降低玄武巖纖維在礦料之間的橋接效果，降低混合料的高溫穩(wěn)定性能；SMA-10薄層罩面混合料屬于間斷級配，相較于密級配的AC-10C混合料粗骨料用量較大，且結(jié)構(gòu)內(nèi)部的嵌擠能力較強(qiáng)，具有更強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性能。

2.2 低溫抗裂性

冬季天氣寒冷，瀝青黏韌性降低，脆性增強(qiáng)，瀝青路面抵抗溫縮應(yīng)變塑性變形的能力降低［3-4］。本研究選用小梁彎曲試驗(yàn)來評價(jià)不同玄武巖纖維摻量下兩種混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著纖維摻量的增大，AC-10C、SMA-10兩種混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，低溫性能最優(yōu)，AC-10C混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果為3 418 με，SMA-10混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果為3 578 με；當(dāng)玄武巖纖維摻量相同時(shí)，SMA-10混合料彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于AC-10C混合料。原因是玄武巖纖維的摻入使AC-10C、SMA-10兩種薄層罩面瀝青混合料的最佳油石比均得到了提高，油石比的增加會改善瀝青路面的韌性，增強(qiáng)瀝青路面的低溫抗開裂能力，當(dāng)摻量超過0.4%時(shí)，玄武巖纖維在混合料中會出現(xiàn)冗余，反而影響玄武巖纖維在礦料之間的加筋效果。

2.3 水穩(wěn)定性

薄層罩面瀝青路面結(jié)構(gòu)層的厚度為2 cm左右，且直接承受車輛荷載、輪胎揉搓、空氣老化及雨水沖刷等外界環(huán)境的綜合作用。隨著瀝青路面運(yùn)營年限的延長瀝青逐漸老化，老化后的瀝青與礦料之間的黏附能力減弱，瀝青路面水穩(wěn)定性降低［5-6］。本研究選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)來評價(jià)不同玄武巖纖維摻量下兩種混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，隨著纖維摻量的增大，AC-10C、SMA-10兩種混合料水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維摻量為0.6%時(shí)，水穩(wěn)定性能最優(yōu)。究其原因，纖維與熱骨料在拌和過程中能夠均勻分散成微米級的單絲狀，具有很強(qiáng)吸附、穩(wěn)定瀝青的作用，使得玄武巖纖維瀝青膠漿在瀝青路面結(jié)構(gòu)層中更加穩(wěn)固，水損害作用下抗剝落能力增強(qiáng)，玄武巖纖維摻量過高時(shí)會導(dǎo)致更多的瀝青被吸附，而礦料表面的瀝青占比降低，從而降低瀝青路面的抗水損害能力。

3 結(jié)論

本研究在玄武巖纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的基礎(chǔ)上對AC-10C、SMA-10兩種混合料開展配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究，得出以下結(jié)論。

①隨著纖維摻量的增大，AC-10C、SMA-10兩種混合料的高低溫性能均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，AC-10C、SMA-10兩種混合料高低溫性能最優(yōu)。

②隨著纖維摻量的增大，AC-10C、SMA-10兩種混合料水穩(wěn)定性能均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維摻量為0.6%時(shí)，AC-10C、SMA-10兩種混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu)。

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