玄武岩纤维增强沥青混合料路用性能研究

魏志峰

(河南汉通公路工程有限公司 郑州 450000)

0 引 言

我国西部地区地形复杂，气候环境多变，春夏季节随着气温回暖、雨水冲刷影响易造成路面松散、坑槽、麻面等问题，受超载和重载影响易造成路面车辙、变形和龟裂[1-2].如何提高道路的使用寿命，降低路面病害产生的概率是道路建设面临的重要问题.在沥青混合料中添加玄武岩纤维是提升道路路面质量的一个新技术方向[3-4].

玄武岩纤维是将玄武岩矿石在1 500 ℃熔炼温度下加工得到的材料，其截面形态和外观形貌与普通纤维相像.它可以提高沥青路面的性能，优化道路服务质量，有利于实现道路的长期稳定健康发展.玄武岩纤维能够能够提升道路质量的主要原因在于：①加筋作用，玄武岩纤维以杂乱交错的形态分布在混合料中，起到了多向加筋的作用；②阻裂、增韧作用，纤维具有一定的吸油功效，油膜能够促进集料的裹附使得混合料形成整体，能够缓解外力作用下裂缝的发展；③粘结作用，纤维将混合料中的沥青进行结构组建，提高了沥青的黏聚力从而提高混合料的粘结力[5-8].

文中选用玄武岩纤维作为外掺剂进行沥青混合料试验研究，探寻SMA-13级配中纤维的适宜掺量，有助于提升沥青路面的长期使用质量.

1 原材料及配合比设计

1.1 集料和填料

新集料采用河南产石灰岩，填料为石灰岩矿粉.粗细技术指标均满足文献[9]要求.集料和填料的表观密度和毛体积密度测定结果见表1.石灰岩作为成本价格较低的集料，大规模的投入使用会减少成本开销；其次，相关研究表明石灰岩用于SMA级配中，其水稳性能和低温抗裂性能有所提升.

表1 新集料和填料密度试验结果

1.2 沥青

沥青采用SBS改性沥青，其性能满足文献[9]中各项技术指标要求，见表2.

1.3 玄武岩纤维

采用的玄武岩纤维长度分别为9 mm，满足文献[10]要求，见表3.

表2 SBS改性沥青性能指标及试验结果

表3 玄武岩纤维技术指标

1.4 配合比设计

采用SMA-13级配进行配合比设计，其中纤维的长度为9 mm，纤维掺量分别为0%，0.2%，0.4%，0.6%和0.8%.SMA-13沥青混合料级配的设计组成结果见表4.其粗集料骨架是指4.75 mm以上颗粒的集料，4.75 mm筛孔是SMA-13混合料级配的关键性筛孔.

表4 SMA-13沥青混合料级配的设计组成

1.5 最佳油石比

对掺玄武岩纤维的沥青混合料进行组成设计时，采用马歇尔试件的总指标综合确定沥青混合料的最佳油石比，SMA-13沥青混合料配合比设计的技术标准见表5.

表5 SMA-13混合料配合比设计技术标准

以掺0.4%掺量的玄武岩纤维沥青混合料(见表6)为例，当矿料间隙率及沥青饱和度等技术指标均达到设计要求时，选取较高空隙率水平的3.71%所对应的油石比6.2%为最佳设计油石比.

表6 掺0.4%玄武岩纤维沥青混合料马歇尔试验结果

2 玄武岩纤维沥青混凝土路用性能

2.1 高温稳定性能

沥青混合料的高温稳定性能可通过车辙试验进行表征，车辙试验是模拟沥青路面在特定温度条件下受车轮反复碾压的状态，通过碾压次数和试件变形程度计算得的表针参数.该方法较为直观且容易操作，是目前使用较为广泛的试验之一.按技术规范进行车辙试验并选用动稳定度作为衡量高温温度性能的技术指标.不同玄武岩纤维掺量下沥青混合料试件的动稳定度见图1.

图1 沥青混合料的动稳定度

由图1可知，随着纤维掺量的增加，沥青混合料的动稳定度呈先上升后下降的趋势，掺0.2%，0.4%，0.6%，0.8%掺量的玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度较不掺纤维沥青混合料的动稳定度分别提升了12.4%，39.3%，33.9%和23.3%.其中，掺0.4%掺量玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度最高.沥青混合料的高温稳定性主要取决于混合料的沥青、级配等，在不改变混合料的空隙率和矿料级配的同时，通过外掺纤维改性的方式改善了沥青混合料的高温性能.研究表面：0.4%掺量的玄武岩纤维在混合料中分布较为均匀，故其动稳定度较高，抗车辙性能较好.

2.2 低温抗裂性能

低温抗裂性能是平均沥青路面质量的关键指标，该性能在北方冷冻地区更显得尤为重要.低温抗裂性能是指路面材料在低温环境下抵抗开裂的能力，低温小梁弯曲试验是目前实验室使用较多且评判较为精准的试验之一.破坏应变是试验主要的输出参数结果，可评价混合料的低温抗裂性能.不同玄武岩纤维掺量下沥青混合料试件的破坏应变见图2.

图2 沥青混合料的破坏应变

由图2可知，沥青混合料的破坏应变整体呈上升趋势，较不掺纤维沥青混合料的破坏应变有大幅度的提升，纤维掺量从0.2%，0.4%，0.6%和0.8%对应的沥青混合料破坏应变较不惨纤维的沥青混合料破坏应变分别提升了34.1%，40.7%，49.9%和43.8%.外掺纤维改性沥青混合料的用油量高，增强了沥青混合料的低温变形能力，纤维与混合料基本材料之间因材料性质差异，在沥青混合料中起到了增韧的作用，从而改善混合料的低温性能.

2.3 水稳定性能

水稳定性能是沥青路面抵抗水损害的能力，在日常道路运营过程中，雨水的冲刷和灌入容易使得沥青路面产生坑槽，降低了沥青路面混合料间的握裹力和黏附性，使得混合料剥落和碾碎.浸水马歇尔试验是模拟普通环境下混合料的水损害，冻融劈裂试验主要模拟寒冷温度下混合料的水损害.试验按技术规程要求分别进行这两者试验，试验结果见图3.

图3 沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比

由图3可知，随着纤维掺量的增加，混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈先上升后下降的趋势.当纤维掺量在0.4%左右时，浸水残留稳定度达到最佳；当纤维掺量在0.6%左右时，冻融劈裂强度比达到最佳.从整体上看，掺玄武岩纤维沥青混合料的水稳定性能相关指标相差不大，都符合沥青施工技术规范中的技术要求.

2.4 抗疲劳性能

试件法疲劳试验常采用简单弯曲试验，四点加载弯曲疲劳试验和劈裂疲劳试验在国内应用较多，其试件尺寸和制作方法可参见文献[11].试验在UTM试验机上进行.试验温度由环境箱控制，加载频率为1～10 Hz，不同玄武岩纤维掺量下沥青混合料试件的疲劳寿命和累积耗散能见表7.

表7 不同玄武岩纤维掺量下沥青混合料试件的疲劳寿命和累积耗散能

由表7可知，不同纤维掺量下沥青混合料的疲劳寿命和累积耗散能也有一定的变化规律，随着纤维掺量的增加，混合料的疲劳寿命和累积耗散能逐渐增加.其中，纤维掺量在0.6%时，混合料的疲劳寿命达到最大.将混合料在不同应变条件下的疲劳寿命绘制成图见图4，由图4可知，纤维掺量在0.4%～0.6%时，其对应的混合料疲劳寿命发生显著提升.而纤维掺量达到0.6%以上时，混合料的疲劳寿命变化不明显.

图4 沥青混合料的疲劳寿命

3 玄武岩纤维掺量波动对路用性能的影响

结合不同纤维掺量下沥青混合料的路用性能，采用局部灵敏度分析的方法评价旧料掺量对路用性能的影响程度.以纤维掺量为自变量，各项路用性能指标为因变量，整理得出不同纤维掺量与各项路用性能之间的关系见图5.

图5 不同纤维掺量下路用性能变化曲线

由图5可知，路用性能的关键指标均与纤维掺量呈现良好的二次多项式关系，以纤维掺量为0.4%作为基础参数进行上下波动，波动幅度为±20%，±40%，计算后整理可得路用性能对应的波动，将路用性能指标波动幅度与纤维掺量波动幅度的对应关系绘制成表，可更清晰的反映出纤维掺量对路用性能的影响程度，见表8.

表8 纤维掺量与路用性能波动对应关系

由表8可知，在路用性能的几个指标中，动稳定度和疲劳寿命的波动幅度较大，说明其受纤维掺量波动的影响较大.因此，在考虑纤维掺量对沥青混合料的影响时，应重点考虑动稳定度和疲劳寿命这两个关键指标.

4 结 束 语

玄武岩纤维作为一种新型材料，应用到道路工程中具有显著的使用效果，可大幅度提升道路的使用性能.通过对SMA-13级配中不同玄武岩纤维掺量对沥青混合料的路用性能影响进行研究，得到以下结论：纤维掺量在0.4%～0.6%范围内，沥青混合料的路用性能整体呈现最佳状态，考虑到经济成本效益关系，建议采用纤维掺量为0.4%.纤维的外掺对混合料的水稳定性影响不大，可忽略不计.此外，动稳定度和疲劳寿命受纤维掺量波动影响较大，在沥青路面铺筑工程中应着重关注这两项指标.