玄武岩纤维改善砾石沥青混合料路用性能研究

孟秀元

（山西路桥集团 阳蟒高速公路有限公司，山西 阳城 048100）

0 引言

随着我国高速公路的发展，原材料消耗巨大，矿质石料的使用逐年增加。以往的工程之中大多将砾石用于铺筑基层或低等级公路的面层，因此如何将砾石用于路面铺筑研究具有十分重要的意义。在沥青混合料中添加纤维，纤维在其间可以起到加筋、吸附、稳定等作用，有效提高沥青混合料的抗拉性能、低温开裂性能；另外，纤维具有比表面积大的特点，其可以有效地减小沥青路面泛油，提高沥青路面的高温稳定性。目前，我国在工程中大量使用的纤维包括聚合物纤维、木质素纤维、玄武岩纤维和石棉纤维。鉴于玄武岩纤维具有使用温度范围较广，物理、化学性能较好的特点[1]，本文拟采用在砾石沥青混合料中加入玄武岩纤维，以研究其配合比设计方法及路用性能。

1 配合比设计

1.1 玄武岩纤维砾石沥青混合料配合比设计方法研究

砾石是一种酸性集料，砾石与沥青的黏附性不好，应用于沥青面层时极易发生水损害，从而导致道路损害[2]。而玄武岩纤维的掺量和施工工艺对砾石沥青混合料的路用性能又有很大的影响[3]。因此，在进行玄武岩纤维砾石沥青混合料配合比设计时，应该着重考虑以下几点：

a）鉴于砾石在沥青路面面层中的应用还很少，且砾石与沥青的黏附性较差，易造成水损害。本文只考虑玄武岩纤维砾石沥青混合料下面层混合料的配合比设计，并对玄武岩纤维砾石沥青混合料的路用性能进行评价，提出玄武岩纤维砾石沥青混合料沥青路面面层的设计指标[4]；具体将玄武岩纤维砾石沥青混合料应用于其他面层时，应该综合考虑沥青路面的交通量和气候、地质条件，根据面层所要求的设计指标进行配合比设计。

b）考虑到砾石的特殊集料性质，在进行沥青混合料级配设计时，应该选择合适的级配类型，并考虑到矿粉的用量以及是否需要添加碱性集料以改善混合料的性能。

c）在通过玄武岩纤维尺寸和掺量的优选后，应该以最佳掺量为中心，通过马歇尔试验确定不同玄武岩纤维掺量下的沥青用量，并分析玄武岩纤维掺量与马歇尔指标之间的关系。

d）确定原材料类型、矿料级配、最佳沥青用量后，应该进行玄武岩纤维砾石沥青混合料路用性能的研究，研究玄武岩纤维掺量与砾石沥青混合料路用性能之间的关系。

1.2 原材料

本试验采用的玄武岩纤维是陕西奥卡抗裂纤维厂生产的，通过对玄武岩纤维尺寸和掺量的优选，本试验采用的玄武岩纤维的规格均为直径17 um，长度6 mm；鉴于砾石是酸性集料，不能简单地用沥青胶浆试验结果所得的玄武岩纤维最佳掺量作为配合比设计的最佳玄武岩纤维掺量，因此取玄武岩纤维的掺量为0.3%、0.35%、0.4%、0.45、0.5%。

本试验所用的矿粉是夏河安多建材制品有限公司生产的石灰石矿粉，通过检测结果得知，玄武岩纤维砾石沥青混合料设计所用矿粉各项技术指标均满足规范《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中（T 0352—2005）相关规定要求，可将其用于玄武岩纤维砾石沥青混合料设计当中。

本试验采用的沥青为中海油生产的70号重交通沥青，经检验，沥青的技术规格符合规范要求。

用于沥青混合料设计的集料主要由天然砾石破碎而成，首先通过筛分试验对破碎砾石的级配进行检测，检测结果如表1所示。

表1 破碎砾石集料筛分数据 %

经检测，破碎砾石的级配符合《公路工程集料试验规程》（JTG E42－2005）中对沥青混合料级配的要求，可以满足玄武岩纤维砾石沥青混合料设计的要求。

1.3 玄武岩纤维砾石沥青混合料级配设计

鉴于砾石的特殊性能，在以往的道路建设中，砾石几乎不用于沥青路面的面层之中，本试验将只对应用于沥青路面下面层的AC-25砾石沥青混合料进行设计。结合表1中对破碎砾石的筛分情况，采用贝雷法对AC-25砾石沥青混合料的级配进行推荐设计，设计结果如表2、图1所示，其中：1号20～30 mm，2号 10～20 mm，3号 5～10 mm，4 号 3～5 mm，5号0～3 mm。

图1 砾石沥青混合料AC-25推荐级配曲线图

在贝雷法级配设计方法中，对于公称最大粒径为25 mm的混合料，其四级控制筛孔分别为9.5 mm、4.75 mm、1.18 mm以及0.3 mm。结合实体工程下面层混合料类型以及设计范围，推荐贝雷三参数CA、FAC和 FAf的取值范围分别为 0.60～0.80、0.50～0.55、0.55～0.65。由推荐级配在各级控制筛孔的通过率可以计算出贝雷三参数取值如表3所示。

表2 砾石沥青混合料AC-25级配拟选 %

表3 AC-25级配贝雷三参数取值

1.4 最佳沥青用量的确定

在确定玄武岩纤维砾石沥青混合料的矿料级配后，还需要分别对不同玄武岩纤维掺量下的最佳油石比进行马歇尔试验确定[5]。

以优选出的玄武岩纤维最佳掺量为中心，分别取玄武岩纤维的掺量为0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照拟定的级配曲线成型试件，进行马歇尔试验。每组玄武岩纤维掺量分别以3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%五个油石比进行试件成型，并计算沥青混合料的最佳油石比，如表4所示。

表4 玄武岩纤维掺量对应的最佳油石比 %

玄武岩纤维不同掺量下的最佳油石比确定后，按照最佳油石比进行马歇尔试验，在最佳沥青用量下进行马歇尔指标的检测，试验过程如下。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中对马歇尔试验的要求，首先通过击实试验得到马歇尔试件的高度，并确定其总质量。再通过贝雷法所得到的矿料级配，分别计算每档料的总质量，均匀混合后，将其放入烘箱内部，在175℃的温度条件下恒温6 h以上；同时，将沥青也加热至175℃。然后，先将矿质混合料倒进拌锅，再倒入玄武岩纤维，干拌30 s，再倒进沥青湿拌60 s；然后把玄武岩纤维砾石沥青混合料倒入试模并碾压成型，将试件冷却并在24 h后脱模，然后测定并计算其毛体积密度，空隙率VV，沥青饱和度VFA，矿料间隙率VMA，并用稳定度仪测量试件的稳定度和流值。

马歇尔试验结果如表5所示。

表5 不同玄武岩纤维掺量下的马歇尔指标

由表5可知，随着纤维掺量的不断增加，最佳沥青用量、流值、空隙率、矿料间隙率均逐渐增大，同时也发现了，随着玄武岩纤维掺量的继续增加，最佳沥青用量增长的幅度减缓。另外，随着纤维掺量的增加，沥青混合料的毛体积密度减小，马歇尔稳定度先增大后减小，在玄武岩纤维掺量为0.4%时，马歇尔稳定度达到最大值，同时其他的马歇尔指标均满足要求。

2 玄武岩纤维砾石沥青混合料路用性能研究

2.1 高温稳定性

车辙试验是一种简单便捷的高温性能试验方法，本试验采用车辙试验对玄武岩纤维砾石沥青混合料的高温性能进行评价[6]。

取玄武岩纤维的掺量为0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中的车辙试验方法分别成型试件，并对试件进行标准养生24 h。

车辙试验的试验结果如表6所示。

表6 不同玄武岩纤维掺量的砾石沥青混合料动稳定度

图2 玄武岩纤维掺量与动稳定度的关系折线图

通过以上试验结果可知，掺加玄武岩纤维可以大幅度地提升砾石沥青混合料的动稳定度；并且随着玄武岩纤维掺量的增大，砾石沥青混合料的动稳定度逐渐增大，在玄武岩纤维的掺量为0.4%时达到峰值，这表明：玄武岩纤维可以有效地提升砾石沥青混合料的高温性能，且当玄武岩纤维的掺量为0.4%时，砾石沥青混合料的高温性能最佳。

2.2 低温稳定性

玄武岩纤维砾石沥青混合料的低温抗裂性是非常重要的路用性能，本文简便便捷且试验价值较大的小梁弯曲试验进行玄武岩纤维砾石沥青混合料低温性能的检测。

取玄武岩纤维的掺量为0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中的小梁弯曲试验的试验方法分别成型试件。小梁弯曲试验由轮子碾压成型的车辙板切割而制成，试件成型后，在恒温箱中保持温度约6 h，试验时的低温温度为零下10℃，所使用的加载机器为MTS-810试验机。

小梁弯曲试验的试验结果如表7所示。

表7 不同玄武岩纤维掺量下的小梁弯曲试验结果

图3 玄武岩纤维掺量与最大弯拉应变的关系

图4 玄武岩纤维掺量与抗弯拉强度的关系

根据表7、图3、图4的小梁弯曲试验的试验结果，分析可知随着玄武岩纤维掺量的增加，玄武岩纤维砾石沥青混合料的最大弯拉应变逐渐增大，在玄武岩纤维的掺量达到0.45%时到达峰值，比不掺加玄武岩纤维的砾石沥青混合料的最大弯拉应变提升了约27.1%；但当玄武岩纤维的掺量大于0.45%后，玄武岩纤维砾石沥青混合料的最大弯拉应变又逐渐下降，但仍然远大于不掺加玄武岩纤维的砾石沥青混合料。

小梁弯曲试验结果表明：玄武岩纤维可以有效地改善砾石沥青混合料的低温性能，玄武岩纤维砾石沥青混合料的低温性能可以满足规范要求，而被应用于沥青路面的下面层中。

2.3 水稳定性

本文采用冻融劈裂试验对玄武岩纤维沥青混合料的水稳定性进行检验，取玄武岩纤维的掺量为0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中的冻融劈裂试验方法分别成型两组试件，每组试件各3个，试件的击实次数是两面各50次，试验时的温度保持在25℃，加载的速率保持在50 mm/min，用MTS-810万能试验机进行试验。

不同玄武岩纤维掺量下的砾石沥青混合料的冻融劈裂强度试验结果如表8、图5所示。

表8 纤维砾石沥青混合料冻融劈裂试验结果

图5 纤维砾石沥青混合料冻融劈裂强度比

由表8、图5得知，掺加玄武岩纤维的砾石沥青混合料的冻融劈裂强度和冻融劈裂强度比均高于没有掺加玄武岩纤维的砾石沥青混合料，这表明在砾石沥青混合料中掺加玄武岩纤维不但可以提高砾石沥青混合料的疲劳强度，还可以提高砾石沥青混合料抵抗冻融水损害的能力。

3 结论

通过上述试验可知，玄武岩纤维的最佳掺量为0.4%，当玄武岩纤维的掺量为0.4%时，砾石混合料的动稳定度达到最大，且比不掺加玄武岩纤维的砾石沥青混合料其动稳定度提升了约50%。而且通过小梁弯曲试验可知，当玄武岩纤维的最佳掺量为0.4%时，其低温抗裂性最好，且其冻融劈裂强度和冻融劈裂强度比也高于没有掺加玄武岩纤维的砾石沥青混合料，达到峰值89.4%。