玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究

摘 要：為研究玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的影響，文章分別對不同直徑（16 μm、25 μm）的玄武巖纖維瀝青混合料開展基礎(chǔ)物理力學(xué)試驗(yàn)，其中包括車轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、理想開裂試驗(yàn)等，并基于功效系數(shù)法對瀝青混合料路用性能進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果表明：玄武巖纖維有效提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、抗裂性以及水穩(wěn)性；相比其他不同直徑的玄武巖纖維，僅摻16 μm玄武巖纖維的瀝青混合料綜合性能最優(yōu)，其功效系數(shù)得分最高。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；瀝青混合料；路用性能 ；功效系數(shù)

中圖分類號：U414.1A230813

0"引言

我國公路交通建設(shè)處于高速發(fā)展時(shí)期，交通運(yùn)輸量也在不斷增加。截至目前，我國公路總里程數(shù)接近600×104 km。然而目前道路路面仍以瀝青路面為主，其存在易老化、龜裂等缺點(diǎn)，進(jìn)而影響道路的使用壽命。因此，如何使道路路面材料更為環(huán)保、安全是目前研究的重難點(diǎn)之一。玄武巖纖維材料具有高強(qiáng)度、高模量等特點(diǎn)，摻入瀝青混合料后可有效提高其抗裂性、耐久性以及抗變形能力。因此，探究玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能顯得尤為關(guān)鍵。

目前研究學(xué)者們對改性瀝青混合料的路用性能開展了大量的研究。易帥兵等［1］以萍鋼廢棄鋼渣為研究對象，對比了鋼渣瀝青混合料以及輝綠巖瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明鋼渣瀝青混合料具有良好路用性能的同時(shí)排放量更低；欒利強(qiáng)等［2］利用玄武巖纖維對聚氨酯改性瀝青混合料進(jìn)行二次改良，探究二次改良后瀝青混合料的水穩(wěn)性，結(jié)果表明玄武巖纖維增強(qiáng)了瀝青間的粘附性以及聚氨酯瀝青混合料的水穩(wěn)性；方明鏡等［3］基于力學(xué)試驗(yàn)探究了磷石膏路面基層材料的綜合路用性能，結(jié)果表明磷石膏路面基層材料具有良好的浸水穩(wěn)定性、抗凍性以及抗收縮性；肖鵬等［4］探究了不同纖維類型對瀝青混合料的影響，結(jié)果表明玄武巖纖維相較于玻璃纖維以及聚酯纖維增韌效果更為明顯；在此基礎(chǔ)上，馮超等［5］為了探究云母粉改性瀝青的路用性能，對不同摻量下的改性瀝青性能進(jìn)行了分析，同時(shí)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法探究了不同摻量對混合料路用性能的影響，結(jié)果表明改性瀝青的高溫穩(wěn)定性受云母粉摻量的影響較大，而低溫穩(wěn)定性受云母粉摻量影響較小；趙永波等［6］提出將多孔中空二氧化硅納米顆粒摻入瀝青混合料中對其進(jìn)行改性，結(jié)果表明多孔中空二氧化硅納米顆粒-瀝青混合料路用性能優(yōu)越；劉朝暉等［7］采用響應(yīng)曲面法對混合料的配合比進(jìn)行優(yōu)化并確定其最優(yōu)配合比。

上述學(xué)者的研究主要集中于改性后瀝青混合料的路用性能，較少涉及玄武巖纖維尺寸對瀝青混合料路用性能的影響。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，分析了不同玄武巖纖維直徑對瀝青混合料的影響，并基于物理試驗(yàn)，對瀝青混合料的路用性能（高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性以及抗裂性能）進(jìn)行綜合評價(jià)，該研究可為道路基層材料的配置提供相應(yīng)參考。

1"原材料

1.1"玄武巖纖維

本次試驗(yàn)分別采用16 μm、25 μm玄武巖纖維，其各項(xiàng)基本性能指標(biāo)見表1。

1.2"礦料

礦料包括集料與填料。本試驗(yàn)所采用集料為石灰?guī)r以及玄武巖集料，填料選用礦粉，其基本性能如表2和下頁表3所示。

1.3"瀝青

試驗(yàn)瀝青選用SBS改性瀝青（PG76-22），其基本性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2"瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究/馬萬榮

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，AC-13瀝青混合料設(shè)計(jì)級配曲線如圖1所示。

為進(jìn)一步確定不同纖維摻量下混合料的最佳油石比，本文通過馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，測定各項(xiàng)參數(shù)的指標(biāo)。擬定初始油石比分別為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%，根據(jù)瀝青混合料與油石比關(guān)系曲線可知，其最佳油石比為5.0%。不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料最佳油石比參考前文。根據(jù)上述步驟，確定不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料最佳油石比如表4所示。

由表4可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維直徑與瀝青最佳油石比呈負(fù)相關(guān)，即纖維直徑越大，瀝青最佳油石比越小。其原因是：玄武巖纖維具有吸油性，當(dāng)玄武巖纖維直徑越大時(shí)，其比表面積越小，與瀝青接觸面積也就越小，進(jìn)而導(dǎo)致大直徑玄武巖纖維最佳油石比低。

3"玄武巖纖維瀝青混合路用性能評價(jià)

3.1"高溫穩(wěn)定性

3.1.1"車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)可用于評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定性≥2 800次/mm。由圖2可知，不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性均≥2 800次/mm，滿足規(guī)范要求。相較于無纖維混合料，單摻16 μm、25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定性分別提高了43.05%、22.39%，而復(fù)摻25 μm∶16 μm（1∶1）、復(fù)摻25 μm∶16 μm（1∶2）、復(fù)摻25 μm∶16 μm（2∶1）玄武巖纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性也有不同程度的提高，與無纖維混合料相比分別提高了32.67%、36.28%、28.47%。這說明玄武巖纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)小直徑玄武巖纖維對混合料的動(dòng)穩(wěn)定性提升幅度更大，其主要原因是玄武巖纖維摻入混合料后，形成了具有穩(wěn)定性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有助于固定集料位置，從而提高混合料的強(qiáng)度；纖維直徑越小，比表面積越大，與瀝青接觸面積也就越大，因此形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為密集，從而提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.1.2"單軸貫入試驗(yàn)

為進(jìn)一步測定玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對其開展單軸貫入試驗(yàn)以測定混合料高溫抗剪切性能。圖3為不同瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果。

由圖3可知，與無纖維混合料相比，單摻16 μm玄武巖纖維后瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度提高幅度最大，提高了22.82%，而單摻25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度僅提高了11.49%，但兩者差距較小，這與車轍試驗(yàn)結(jié)果相同，說明玄武巖纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的高溫抗剪切性能。

3.2"抗開裂性

3.2.1"理想開裂試驗(yàn)

理想開裂試驗(yàn)中開裂指標(biāo)可用于評價(jià)瀝青混合料的中溫抗開裂性能，圖4為不同瀝青混合料理想開裂試驗(yàn)結(jié)果。

由圖4可知，與無纖維混合料相比，單摻16 μm、25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料開裂指標(biāo)分別提高了86.70%、35.89%，而復(fù)摻25 μm∶16 μm（1∶1）、復(fù)摻25 μm∶16 μm（1∶2）、復(fù)摻25 μm∶16 μm（2∶1）玄武巖纖維瀝青混合料開裂指標(biāo)也分別提高了53.72%、60.40%、45.94%。該現(xiàn)象表明玄武巖纖維可提高瀝青混合料的中溫抗開裂性能，原因是玄武巖纖維與瀝青混合料相互交織后形成了具有穩(wěn)定性的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可有效抑制裂紋的擴(kuò)展，從而增強(qiáng)混合料抗裂性能。

3.2.2"低溫小梁彎曲試驗(yàn)

圖5為不同直徑玄武巖纖維下瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變情況。

由圖5可知，與未添加玄武巖纖維相比，單摻16 μm、25 μm玄武巖纖維后混合料最大彎拉應(yīng)變分別增加了22.96%、3.94%，而彎曲勁度模量分別降低了8.46%、1.39%，且彎曲勁度模量與抗低溫變形能力呈負(fù)相關(guān)，說明玄武巖纖維可增強(qiáng)瀝青混合料的柔性以及韌性，該規(guī)律與理想開裂試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.3"水穩(wěn)定性

3.3.1"浸水馬歇爾試驗(yàn)

圖6為浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果。

由圖6可知，無纖維瀝青混合料與單摻25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度最小，其值為88%，而單摻16 μm玄武巖纖維后瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度最高，其值為91%，兩者差值較小。該現(xiàn)象說明，玄武巖纖維直徑對混合料的水穩(wěn)性影響較小。

3.3.2"凍融劈裂試驗(yàn)

圖7為凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知，凍融劈裂試驗(yàn)與浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果一致，摻入玄武巖纖維后，混合料劈裂強(qiáng)度有所提高，但提高幅度較小。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，玄武巖纖維直徑對瀝青混合料水穩(wěn)性影響較小。

4"基于功效系數(shù)法的混合料路用性能分析

4.1"功效系數(shù)法

功效系數(shù)法是一種基于多因素分析而提出的決策方法［8-9］，其計(jì)算公式如下：

fi=xi－xsixhi－xsi×40+60

（1）

f=∑ni=1fin（2）

式中：fi——單項(xiàng)得分；

xhi——滿意值；

xsi——不允許值；

xi——實(shí)測值。

4.2"基于功效系數(shù)法的混合料路用性能評價(jià)

本文基于功效系數(shù)法對玄武巖纖維瀝青混合料路用性能進(jìn)行評價(jià)，將不允許值設(shè)置為規(guī)范所要求的最低值（動(dòng)穩(wěn)定度下限值為2 800次/mm、浸水殘留穩(wěn)定度下限值為85%、最大彎拉應(yīng)變下限值為2 500 μm），將動(dòng)穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度以及最大彎拉應(yīng)變滿意值分別為5 500次/mm、100%、定3 500 μm。根據(jù)式（1）、式（2）分別計(jì)算各單項(xiàng)指標(biāo)得分以及功效系數(shù)，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，單摻16 μm玄武巖纖維后瀝青混合料的單項(xiàng)指標(biāo)得分最高，其動(dòng)穩(wěn)定度、最大拉彎應(yīng)變以及浸水殘留穩(wěn)定度得分為94.81、97.12、78.67，功效系數(shù)為90.20。而單摻25 μm玄武巖纖維后瀝青混合料的功效系數(shù)最低，其值為76.79。同時(shí)，對比不同直徑玄武巖纖維瀝青混合料功效系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，摻入16 μm玄武巖纖維有助于提高瀝青混合料的單項(xiàng)指標(biāo)以及功效系數(shù)。

5"結(jié)語

（1）玄武巖纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的路用性能。

（2）玄武巖纖維直徑越小，與瀝青接觸面積也就越大，形成的三維網(wǎng)狀越密集，瀝青混合料的強(qiáng)度也就越高。

（3）單摻16 μm玄武巖纖維瀝青混合料單項(xiàng)指標(biāo)得分均高于復(fù)摻以及單摻25 μm玄武巖纖維瀝青混合料，其功效系數(shù)得分最高。

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