粉煤灰/玄武巖纖維改性瀝青混合料配合比優(yōu)化研究

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-3851（2025）07-0533-08

引用格式：俞燁煒，王修山，李震南，等．粉煤灰/玄武巖纖維改性瀝青混合料配合比優(yōu)化研究[J．浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2025，53（4）：533-540.

Abstract： To optimize the mix ratio of fly ash and basalt fiber asphalt mixture，the effect of fly ash and basalt fiber on the road performance of asphalt mixture was analyzed. The basalt fiber content，fly ash content and asphalt-stone ratio were taken as influencing factors，and the optimal content of the mixture was obtained through response surface analysis. Then，the road performance of the asphalt mixture with optimized mix ratio was analyzed through Marshall test， immersed Marshall test and low-temperature beam bending test.The results show that the optimal mix ratio of fly ash and basalt fiber asphalt mixture is 6.92% fly ash， 0.39% basalt fiber，and 5.30% asphalt-rock ratio；the maximum error between the predicted value and the measured value of each response index of Marshall stability is only 4.04% ，which shows that the response surface analysis has high reliability；compared with the single fiber asphalt mixture，the stability of the optimal mix ratio mixture is increased by 7.7% ，the residual stability is increased by 7.52% ，and the maximum bending tensile strain is increased by 13.47% . Furthermore，the high temperature stability，low temperature crack resistance， water stability and other indicators are greatly improved. The two materials have a significant composite modification efect on the road performance of AC-13C graded modified asphalt mixture. The optimized mix ratio results in this paper can provide a basis for the use of fly ash and basalt fiber in pavement engineering.

Key Words： road engineering；basalt fiber； fly ash；modified asphalt； response surface methodpavement performance

0 引言

瀝青混合料是由石油瀝青和礦物結(jié)合料在一定溫度下拌合而成的工程材料，在高等級(jí)路面工程中廣泛使用[。目前，交通運(yùn)輸領(lǐng)域的新材料研究都面向于減碳和低環(huán)境影響需求[]，將固體廢物如廢輪胎等[3用于道路材料已經(jīng)成為一種新的研究趨勢(shì)，研究此類材料在瀝青混合料中的最優(yōu)配合比和路用性能提升效果進(jìn)行回收利用符合綠色環(huán)保需求。

粉煤灰（Flyash，F(xiàn)A）是火力發(fā)電廠燃煤過(guò)程中產(chǎn)生的一種粉末狀鋁硅酸鹽固體廢物[4]。火力發(fā)電的需求致使粉煤灰產(chǎn)出量大，其主要成分為鋁硅酸鹽，有較高的化學(xué)活性，因此在廢物利用方面具有廣闊的應(yīng)用前景；另外，它作為一種活性材料，在地基加固領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮出巨大作用[5]。在道路工程領(lǐng)域，粉煤灰對(duì)瀝青混合料具有一定的改良效果，但存在缺陷，應(yīng)用仍不廣泛：張艷等將高鈣粉煤灰作為礦物填料摻入瀝青混合料中，發(fā)現(xiàn)粉煤灰能夠提高混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，但會(huì)降低劈裂強(qiáng)度；Li等將粉煤灰和煤直接液化殘?jiān)鳛樘盍洗媸沂V粉，提高了瀝青的黏度、抗車轍能力、彈性和抗永久變形能力，并降低了溫度敏感性。綜上所述，粉煤灰摻入瀝青混合料可以提升動(dòng)穩(wěn)定度、彈性等性能，表明其有廣闊的應(yīng)用前景，但會(huì)降低瀝青混合料劈裂強(qiáng)度等低溫抗裂性能，因此通過(guò)其他材料混摻改性粉煤灰瀝青混合料對(duì)此問(wèn)題的改善研究亟待進(jìn)行。

玄武巖纖維（Basaltfiber，BF）是一種由天然玄武巖拉制的無(wú)機(jī)高性能纖維材料，能夠通過(guò)吸附加筋作用有效提升瀝青混合料的低溫抗裂性能，已被廣泛應(yīng)用于瀝青道路領(lǐng)域[8。但玄武巖纖維表面光滑，粗糙度小，吸油性較其他纖維差，用于普通瀝青混合料時(shí)吸附穩(wěn)定作用效果欠佳且不經(jīng)濟(jì)[9]。目前，通過(guò)玄武巖纖維與其他材料混摻來(lái)改良瀝青混合料的性能是瀝青混合料性能研究的新趨勢(shì)：馬峰等[10]通過(guò)玄武巖纖維與納米 TiO₂ /ZnO 對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，發(fā)現(xiàn)混合料的水穩(wěn)定性和高溫性能相比單摻玄武巖纖維有較大提升；朱春鳳等[11通過(guò)硅藻土和玄武巖纖維對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的路用性能都有明顯提高。

粉煤灰能夠提升瀝青混合料的高溫性能，但加入過(guò)量會(huì)降低瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，而玄武巖纖維能夠彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，提高低溫抗裂性能，同時(shí)粉煤灰的吸附能力能夠彌補(bǔ)玄武巖纖維相比于其他纖維吸油性不足的問(wèn)題。因此，將兩者混摻入瀝青混合料有望改善混合料的路用性能。目前，相關(guān)研究采用纖維與粉煤灰改善瀝青混合料的性能，但是只考慮了單一材料的作用，沒(méi)有對(duì)兩種材料進(jìn)行復(fù)合改性時(shí)的交互影響進(jìn)行分析，并且忽略了粉煤灰和玄武巖纖維對(duì)最優(yōu)油石比的影響[12-13]

本文采用響應(yīng)曲面法，把玄武巖纖維摻量、粉煤灰摻量和油石比作為影響因素，空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩(wěn)定性和流值作為響應(yīng)指標(biāo)，以穩(wěn)定度這一最重要響應(yīng)指標(biāo)為例，進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，通過(guò)對(duì)5個(gè)響應(yīng)指標(biāo)設(shè)置期望值，進(jìn)行最優(yōu)摻量預(yù)測(cè)，優(yōu)化其配合比；在此基礎(chǔ)上，對(duì)最優(yōu)配合比下的瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性，分析其路用性能提升效果，為玄武巖纖維和粉煤灰在路面工程的使用提供依據(jù)。

1原材料與級(jí)配組成

1. 1 SBS改性瀝青

SBS改性瀝青自前憑其優(yōu)異的路用性能而廣泛應(yīng)用于高等級(jí)路面[14]，因此本文采用的瀝青為由茂名市某公司提供的SBS改性瀝青。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）對(duì)該瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果如表1。

1.2集料

本文采用的粗集料為石灰?guī)r，選用粒徑大小為3～5.5～10mm 和 10～15mm 的3種礦料，所用的細(xì)集料為粒徑大小為 0～3mm 的石灰?guī)r石屑。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE42—2005）對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，均滿足要求。

1. 3 粉煤灰

本文所采用的粉煤灰為由河南省鄭州市某公司生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》

（JTGE42—2005）測(cè)定粉煤灰性能參數(shù)，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，粉煤灰性能符合規(guī)范要求。

1. 4 玄武巖纖維

本文采用的玄武巖纖維是由河北喜速工程橡膠

有限公司提供的 6mm 短切玄武巖纖維，纖維的主要性能參數(shù)如表3所示。

1. 5 混合料級(jí)配組成

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004），本文最終確定采用AC-13C為試驗(yàn)級(jí)配，對(duì)經(jīng)過(guò)篩分的礦料進(jìn)行反復(fù)試配，3種不同摻量的粉煤灰礦料級(jí)配范圍如表4所示。根據(jù)結(jié)果繪制合成級(jí)配曲線，如圖1所示。由于粉煤灰顆粒細(xì)小，會(huì)使混合料中小粒徑的礦料占比增加，試驗(yàn)級(jí)配曲線會(huì)更加接近級(jí)配下限。

2 最優(yōu)配合比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相比于傳統(tǒng)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，響應(yīng)曲面法是一種能夠證明因素之間的交互作用的優(yōu)化隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)研究方法，試驗(yàn)數(shù)量少，同質(zhì)方程精度高。本文采用Design-Expert 的 Box-Behnkn Design（BBD）模塊，選用3個(gè)因素，分別為玄武巖纖維摻量（A）粉煤灰摻量（B）、油石比（C），進(jìn)行三因素三水平復(fù)合設(shè)計(jì)，以馬歇爾試件的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、有效瀝青飽和度（VFA）、穩(wěn)定度（MS）、流值（FL）作為響應(yīng)值，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，包括5組中心點(diǎn)平行試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定玄武巖纖維單摻最佳摻量在0.4% 左右[15-17]，粉煤灰單摻最佳摻量在 3%～ 6%^[18-21] ，因此確定各影響因素水平如表5所示。

2.2 試驗(yàn)方法

粉煤灰在瀝青混合料中吸油性較強(qiáng)，玄武巖纖維的加入使這一現(xiàn)象更加明顯；玄武巖纖維需要在加入瀝青前拌合，否則瀝青的黏性會(huì)阻正其分散，導(dǎo)致混合料中各材料分布不均。經(jīng)過(guò)試拌，最終確定瀝青混合料的拌和流程為：先在烘箱中將纖維和集料加熱至 180°C ，然后在預(yù)熱溫度為 165^°C 的攪拌機(jī)中干拌 90s ，使纖維在其中分散均勻；再加入175^°C 的SBS改性瀝青濕拌 90s ；最后放入 165^°C 的粉煤灰拌合 90s ，得到瀝青混合料。粉煤灰和玄武巖纖維瀝青混合料拌合流程如圖2所示。

瀝青混合料制備完成后，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）測(cè)量穩(wěn)定度等響應(yīng)值。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果處理

試驗(yàn)共得到17組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括不同影響因素下，空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6。

馬歇爾試驗(yàn)中穩(wěn)定度能夠反映瀝青混合料的承載力，5個(gè)響應(yīng)值中可靠度最高，因此以穩(wěn)定度為例對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表7為DesignExpert軟件進(jìn)行的擬合方程方差檢驗(yàn)分析結(jié)果。

統(tǒng)計(jì)學(xué)中認(rèn)為事件概率 P 會(huì)受不可控因素影響，不可控因素會(huì)使得結(jié)果產(chǎn)生誤差。本文先假定方差檢驗(yàn)結(jié)果不存在顯著性差異，當(dāng) Plt;0.05 時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，此項(xiàng)為顯著；當(dāng) Pgt;0.05 時(shí)，符合假定條件，此項(xiàng)為不顯著[22]。穩(wěn)定度檢驗(yàn)結(jié)果 X，Z，X²，Y²，Z² 均為顯著項(xiàng)，且擬合度 R² 為98.46% ，失擬項(xiàng)為不顯著項(xiàng)，模型 F 值顯示模型為顯著的，表明模型能夠反映出實(shí)際結(jié)果，具有較好模擬效果。

2.4各影響因子交互分析

通過(guò)Design-Expert的BBD模塊得到穩(wěn)定度響應(yīng)指標(biāo)的最終二階回歸方程式，根據(jù)該方程式分別導(dǎo)出油石比為 5.00% 、粉煤灰摻量為 6.00% 、玄武巖纖維摻量為 0.35% 時(shí)曲面圖和等值線圖，結(jié)果如圖3—圖5所示。

圖3表明，當(dāng)油石比為 5.00% 時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量和粉煤灰摻量增加，穩(wěn)定度均呈現(xiàn)先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì)。因此，在摻量設(shè)置范圍內(nèi)存在玄武巖纖維和粉煤灰的最優(yōu)摻量，可獲得混合料的最高穩(wěn)定度。

圖4表明，當(dāng)粉煤灰摻量為 6.00% 時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量增加，穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)玄武巖纖維的加筋作用會(huì)提升混合料的強(qiáng)度，而過(guò)多的纖維會(huì)發(fā)生團(tuán)聚作用。隨著油石比的增大，穩(wěn)定度在一定范圍內(nèi)有較大的增長(zhǎng)幅度，之后趨于穩(wěn)定。因此，在此范圍內(nèi)存在玄武巖纖維最優(yōu)摻量和最優(yōu)油石比，能夠得到低油石比下較高的混合料穩(wěn)定度。

著粉煤灰摻量增加，穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)粉煤灰顆?？梢蕴畛浠旌狭系V料中的間隙，而過(guò)多的粉煤灰因其比表面積大、吸油性強(qiáng)的特性，易與瀝青成團(tuán)。隨著油石比的增大，穩(wěn)定度在一定范圍內(nèi)有較大的增長(zhǎng)幅度，之后趨于穩(wěn)定。因此，在此范圍內(nèi)存在粉煤灰最優(yōu)摻量和最優(yōu)油石比，能夠得到低油石比下較高的混合料穩(wěn)定度。

綜上所述，玄武巖纖維摻量和粉煤灰摻量均會(huì)對(duì)混合料穩(wěn)定度產(chǎn)生影響，且存在一組最優(yōu)配合比，能夠獲得較高的混合料穩(wěn)定度，又不使摻量過(guò)大，造成成本過(guò)高。

2.5 最優(yōu)配合比獲取

將VV期望值設(shè)置為 3.5%～4.5% ，VMA期望值設(shè)置為 13.2%～13.42% ，VFA期望值設(shè)置為60%～70% ，MS期望值設(shè)置為最大，F(xiàn)L期望值設(shè)置為 3.3～5.0mm ，進(jìn)行擬合方程回歸點(diǎn)分析，得到混合料最優(yōu)配合比：粉煤灰摻量 6.92% ，玄武巖纖維摻量 0.39% ，油石比 5.30% 。

以得出的混合料最優(yōu)配合比再制備馬歇爾試驗(yàn)試件，將測(cè)得的響應(yīng)指標(biāo)與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果如表8所示。由表8可知，得到的各項(xiàng)響應(yīng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差均在 5% 之內(nèi)，表明該方法得到的最優(yōu)配合比有較大可靠性。

3路用性能試驗(yàn)分析

3.1馬歇爾試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)

按照混合料最優(yōu)配合比，分別設(shè)置2組對(duì)照組進(jìn)行馬歇爾和浸水馬歇爾試驗(yàn)，其中：1組為只摻人玄武巖纖維的混合料，1組為粉煤灰和玄武巖纖維都不摻的普通混合料。

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖6中穩(wěn)定度所示，結(jié)果表明：相比普通混合料的試驗(yàn)組，單摻玄武巖纖維的穩(wěn)定度提升了 7.7% ，流值下降了 5.3% ;相比玄武巖纖維的試驗(yàn)組，復(fù)摻玄武巖纖維和粉煤灰的穩(wěn)定度提升了 12.9% ，流值下降了 22.9% 。這表明粉煤灰能夠進(jìn)一步提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，主要原因是粉煤灰具有比表面積大的特性，能夠吸附更多瀝青，提升了混合料的穩(wěn)定度。

浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖6中浸水穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度所示，結(jié)果表明：摻入兩種材料的混合料相比于都不摻的普通瀝青混合料，殘留穩(wěn)定度提升了9.12% ，表明玄武巖纖維的加入能夠提升混合料水穩(wěn)定性。這是因?yàn)槔w維既有機(jī)械咬合力，又增大了集料顆粒間摩擦力；而粉煤灰的加入進(jìn)一步增大了摩擦系數(shù)，摩擦力能夠得到進(jìn)一步提升。摻入兩種材料的混合料殘留穩(wěn)定度比普通瀝青混合料提升了17.33% ，比單摻玄武巖纖維的混合料提升了7.52% ，復(fù)合改性的作用更顯著。這是因?yàn)榉勖夯业募尤?，既填充了空隙使得混合料結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，減少了水的侵入，又能夠吸收水分，降低水對(duì)混合料結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，從表中可以看出：相比普通瀝青混合料，單摻玄武巖纖維的瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變提升了 19.67% ，勁度模量下降了 5.18% ；相比單摻玄武巖纖維瀝青混合料，復(fù)摻玄武巖纖維和粉煤灰的混合料的最大彎拉應(yīng)變提升了 13.47% ，勁度模量下降了 6.16% ;相比均不摻的普通瀝青混合料，復(fù)摻玄武巖纖維和粉煤灰的混合料的最大彎拉應(yīng)變提升了 35.79% ，勁度模量下降了 11.03% 。這表明粉煤灰和玄武巖纖維復(fù)摻能夠提升瀝青混合料的低溫抗裂性。粉煤灰能夠進(jìn)一步提升瀝青混合料的低溫抗裂性能，是因?yàn)榉勖夯夷軌蛟黾觾?nèi)部集料顆粒的相對(duì)比表面積，使產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)瀝青黏膜更多；而且粉煤灰的加入能夠阻止玄武巖纖維在瀝青混合料中團(tuán)聚，進(jìn)而促使其更好地分散于混合料中。

4結(jié)論

本文考慮了粉煤灰和玄武巖纖維對(duì)油石比的影響，采用響應(yīng)曲面法，將油石比與玄武巖纖維摻量、粉煤灰摻量作為影響因素，得到了混合料最優(yōu)配合比，在此基礎(chǔ)上對(duì)最優(yōu)配合比下的瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，分析性能提升效果，主要結(jié)論如下：

a）AC-13C級(jí)配下瀝青混合料最優(yōu)配合比為：粉煤灰摻量為 6.92% ，玄武巖纖維摻量為 0.39% 油石比為 5.30% 。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果顯示各項(xiàng)響應(yīng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差最高僅 4.04%

b）相比于單摻玄武巖纖維混合料，最優(yōu)配合比下的瀝青混合料的穩(wěn)定度提升了 7.7% ，殘留穩(wěn)定度提升了 7.52% ，最大彎拉應(yīng)變提升了 13.47% ；相比于不摻2種外加劑的普通混合料，最優(yōu)配合比下的瀝青混合料的穩(wěn)定度提升了 12.9% ，殘留穩(wěn)定度提升了 17.33% ，最大彎拉應(yīng)變提升了 35.79% ，勁度模量下降了 11.03% 。這表明在AC-13C級(jí)配下的改性瀝青混合料中，粉煤灰和玄武巖纖維的加入能夠相互作用，解決只摻入單一材料所存在的性能下降問(wèn)題；混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性3種路用性能均能得到提高，表明這兩種材料對(duì)路用性能有顯著的復(fù)合改性效果。

本文所優(yōu)化得到的最優(yōu)配合比相比現(xiàn)有研究，既考慮了玄武巖纖維和粉煤灰對(duì)最優(yōu)油石比的影響，又解決了單摻粉煤灰的瀝青混合料低溫抗裂性下降的問(wèn)題，得到的結(jié)論可以為玄武巖纖維和粉煤灰用于路面工程提供依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：康 鋒）