基于冻融损伤的玄武岩纤维沥青混合料性能试验研究

王春阳

（郑州市公路工程公司，河南郑州450009）

玄武岩纤维是玄武岩矿石经高温拉丝工艺制备的新型材料，具有强度高、韧性强的特点，玄武岩纤维沥青混合料作为一种新型道路复合材料近年来被广泛应用于道路建设工程中，能够提升沥青混合料的抗疲劳性能，缓解路面病害问题，延长道路使用寿命[1-3]。根据路面结构和材料的设计不同，玄武岩纤维还可以应用于再生沥青混凝土路面、超薄磨耗层路面等，都具有较好的路用性能表现[4]。我国北方地区冬季寒冷，路表温度常低于零下10℃，在雨雪交替天气环境下，路表会经受往复的冻融损伤[5-6]。余地[7]将掺不同纤维的沥青混合料进行冻融损伤试验研究，结果表明SMA-13 级配的玄武岩沥青混合料经多次循环冻融损伤后具有较好的抗开裂性能；王子拓等[8]结合冻融循环试验研究了沥青混合料抵抗水损伤的性能，建立了冻融损伤次数与混合料内部孔隙发展趋势的关联。谭忆秋等[9-10]采用抗压回弹模量作为评价使用寿命的指标，建立了冻融损伤条件下沥青混合料寿命模型。研究玄武岩纤维沥青路面在冻融环境下的路用性能表现，能够揭示玄武岩纤维沥青混合料性能演变规律，对于延长道路综合使用质量具有重要意义。

1 原材料及配合比设计

1.1 集料与填料

研究采用的粗细集料均为山西运城产的石灰岩，集料表面洁净无杂质，大小颗粒分布较均匀，集料与填料的相关技术指标均符合规范要求。

1.2 沥青

研究采用的沥青为SBS 改性沥青，对其进行技术指标测定，结果见表1 所示，满足《公路沥青路面施工技术规范》中各项技术指标要求。

1.3 玄武岩纤维

研究采用的玄武岩纤维为吉林产的短切玄武岩纤维，长度为9mm，产品质量满足公路工程玄武岩纤维及其制品要求。

表1 SBS 改性沥青技术指标Table 1 Technical indexes of SBS modified asphalt

1.4 配合比设计

沥青混合料的配合比设计主要内容包括原材料的选择、级配设计和最佳油石比的确定，关于原材料的选择，一般根据施工项目拌和楼设定要求进行集料的分仓管理，集料根据粒径大小进行分类存储。SMA-13 级配也叫沥青马蹄脂碎石材料，是高等级公路长使用的面层级配，具有较好的抗车辙变形能力。SMA-13 沥青混合料级配的设计组成结果如图1 所示。

图1 SMA-13 级配曲线图Fig. 1 SMA-13 grading curve

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，其马歇尔试验结果见表2 所示。

表2 SMA-13 沥青混合料马歇尔试验结果Table 2 Marshall test results of SMA-13 asphalt mixture

2 玄武岩纤维沥青混合料冻融损伤试验研究

对玄武岩纤维沥青混合料进行冻融损伤试验研究，该冻融损伤主要是将不同性能测试的试件经15min 真空压缩后，在常温水浴池中进行半个小时的饱水，然后将饱水后的试件放入-10℃的恒温箱中冷冻24h，达到规定的冷冻时间后将试件放入60℃的水浴箱中进行30min 的解冻，此为1 个冻融损伤循环过程。研究分别对不同冻融损伤次数下（1 次～10 次）的玄武岩纤维沥青混合料进行试验研究，并与普通沥青混合料冻融损伤后的性能进行对比，探究冻融损伤条件下玄武岩纤维沥青混合料的衰变规律。

2.1 稳定度试验

马歇尔稳定度是沥青混合料质量检测的关键指标，马歇尔稳定度值与混合料的抗水损伤性能有关，研究对不同冻融循环次数下的玄武岩纤维沥青混合料和普通沥青混合料稳定度进行试验，试验根据规范JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的具体要求进行，稳定度加载速率为50mm/min，试验结果如图2～图3 所示。

图2 稳定度值衰变曲线Fig. 2 Decay curve of stability value

图3 稳定度值损失率曲线Fig. 3 Loss rate curve of stability value

由图2～图3 可知，随着冻融循环次数的增加，混合料内部经受了水损伤和冻融损伤等复杂多变环境，沥青混合料的稳定度也在逐渐减小，冻融循环4 次时，玄武岩纤维沥青混合料的稳定度值达到10.12kN，普通沥青混合料的稳定度值达到8.31kN，相差1.81kN；当冻融循环次数达到10 次时，玄武岩纤维沥青混合料的稳定度值相比普通沥青混合料高出2.11kN，两者的下降速率相接近。而从稳定度值的损失率来看，普通沥青混合料的稳定度值损失率要明显高于普通沥青混合料，当冻融循环次数达到10 次时，玄武岩纤维沥青混合料的稳定度值损失率为52.78%，普通沥青混合料的稳定度值损失率为64.96%。玄武岩纤维是矿石经高温拉丝工艺成型的纤维制品材料，与沥青混合料混合搅拌过程中纤维不断的分散和填充，在混合料内部形成空间网络结构，提升了沥青混合料的整体性。

2.2 单轴压缩试验

单轴压缩试验是将沥青混合料试件经万能试验机进行测定的力学表征试验，测试得到的指标为抗压强度，可以反应路面材料抵抗高温环境下车辙变形的能力。研究对不同冻融循环次数下的马歇尔试件进行单轴压缩试验，试验控制温度为50℃±0.5℃，加载速率为 2mm/min，试验研究结果如图4～图5 所示。

图4 单轴压缩强度衰变曲线Fig. 4 Decay curve of uniaxial compression strength

图5 单轴压缩强度损失率曲线Fig. 5 Loss rate curve of uniaxial compression strength

由图4～图5 可知，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的单轴压缩强度也在不断减小，冻融循环4 次时，玄武岩纤维沥青混合料的单轴压缩强度达到1.61MPa，普通沥青混合料的单轴压缩强度达到1.44MPa，相差0.17MPa；当冻融循环次数达到10 次时，玄武岩纤维沥青混合料的单轴压缩强度相比普通沥青混合料高出0.34MPa，是冻融循环4 次时两种沥青混合料单轴压缩强度差值的两倍。而单轴压缩强度损失率方面，在冻融循环次数4 次以内时，两种沥青混合料的强度损失率较为接近，在冻融循环次数达到4 次以上时，普通沥青混合料的强度损失率急剧增长，而玄武岩纤维沥青混合料的强度损失率缓慢增长。当冻融循环次数达到10 次时，普通沥青混合料的强度损失率为65.81%，玄武岩纤维沥青混合料的强度损失率为51.86%，这与混合料稳定度值的损失率变化趋势相一致。

2.3 低温抗裂试验

沥青混合料的低温性能是抵抗低温收缩裂缝的能力，研究采用低温小梁弯曲试验来评价沥青混合料的低温抗裂性能。试件尺寸为250mm×30mm×35mm，对小梁在低温环境下开裂破坏时的荷载进行分析，试验控制温度为-10℃±0.5℃，加载速率为50mm/min，试验研究结果如图6～图7 所示。

图6 开裂荷载衰变曲线Fig. 6 Cracking load decay curve

图7 开裂荷载损失率曲线Fig. 7 Curve of cracking load loss rate

如图6～图7 所示，随着冻融循环次数的不断增加，沥青混合料的在开裂破坏时达到的荷载也在不断减小，冻融循环4 次时，玄武岩纤维沥青混合料的开裂荷载达到1.94kN，普通沥青混合料的开裂荷载达到1.79kN，相差0.15kN；当冻融循环次数达到10 次时，玄武岩纤维沥青混合料的开裂荷载相比普通沥青混合料高出0.45kN，是冻融循环4 次时两种沥青混合料开裂荷载差值的3 倍。而沥青混合料在开裂对应荷载的损伤率来看，在冻融循环次数4 次以内时，两种沥青混合料开裂荷载的损失率变化情况较为接近，在冻融循环次数达到4 次以上时，玄武岩纤维沥青混合料的开裂荷载损失率远小于普通沥青混合料。当冻融循环次数达到10 次时，普通沥青混合料的开裂荷载损失率为68.35%，玄武岩纤维沥青混合料的开裂荷载损失率为53.43%。玄武岩纤维均匀分散在沥青混合料中，在起到加筋裹附的作用时，还发挥了增韧阻裂的功效，试验结果表明，玄武岩纤维沥青混合料在冻融循环环境下的低温抗开裂性能要优于普通沥青混合料。

2.4 疲劳性能

抗疲劳性能是表征沥青混合料抵抗路面力学响应的关键指标之一，路面材料的抗疲劳性能好可以体现路面材料的服役时间较长，对沥青混合料的抗疲劳性能进行研究，采用万能试验机进行四点弯曲小梁试验，选择650 微应变为控制参数进行加载测试，试验条件为温度15℃±0.5℃，加载频率为10Hz±0.1Hz。试验结果如图8～ 图 9 所示。

图8 疲劳寿命衰变曲线Fig. 8 Fatigue life decay curve

图9 疲劳寿命损失率曲线Fig. 9 Fatigue life loss rate curve

由图8～图9 可知，随着沥青混合料冻融循环次数的增加，沥青混合料的疲劳寿命也在逐渐降低，但玄武岩纤维沥青混合料的疲劳寿命要远高于普通沥青混合料，在冻融循环次数达到4 次时，玄武岩纤维沥青混合料的疲劳寿命达到11.86 万次，而普通沥青混合料仅有7.52万次，而冻融循环达到10 次时，玄武岩纤维沥青混合料的疲劳寿命为7.67 万次，而普通沥青混合料的疲劳寿命仅为4.59 万次，玄武岩纤维在起到增韧阻裂作用的同时，不断提升沥青混合料其使用质量、延长其疲劳寿命。在疲劳寿命损失率结果来看，随着冻融循环次数的增加，混合料疲劳寿命损失率也在不断增加，损失率增长速度呈现逐渐减缓的趋势。沥青混合料在经受冻融损伤的作用时，疲劳寿命下降速率较快，待混合料的疲劳寿命达到临界点后，冻融损伤对其劣化影响较小，混合料的疲劳寿命处于缓慢下降阶段。

3 玄武岩纤维沥青混合料冻融损伤演变规律

上述研究表明，玄武岩纤维沥青混合料与普通沥青混合料相比具有较大的优越性，尤其在低温抗开裂和疲劳性能等方面发挥较大作用。研究对不同冻融循环次数下玄武岩纤维沥青混合料的稳定度、单轴抗压强度、开裂荷载和疲劳寿命进行统计分析，研究认为不同表征参数在性能损失率方面具有较强的一致性，能够说明混合料在冻融环境下随冻融次数增加性能衰变的规律过程。本文对上述四种试验获取的性能损失率结果进行散点分布及曲线拟合如图10～图12 所示。

图10 玄武岩纤维沥青混合料性能衰变拟合曲线Fig. 10 Performance decay curve of basalt fiber asphalt mixture

图11 普通沥青混合料性能衰变拟合曲线Fig. 11 Performance decay curve of common asphalt mixture

图12 两种沥青混合料性能衰变拟合曲线Fig. 12 Performance decay curve of two asphalt mixtures

如图10～图12 所示，玄武岩纤维沥青混合料的性能损失率散点分布较为分散，对其进行曲线拟合后，R2为0.9741，二元一次拟合方程拟合结果较为良好。而普通沥青混合料性能损失率散点分布较为集中，主要沿拟合曲线两侧分布。二者均能较好反应沥青混合料随冻融次数增加的性能衰退演变过程，而两条拟合曲线相比较，普通沥青混合料的性能衰变拟合曲线位于玄武岩纤维沥青混合料拟合曲线上方，两条曲线随冻融损伤次数的增加，曲线间的离差也逐渐增大。而标记阴影图层的面积大小则表征玄武岩纤维混合料较普通沥青混合料性能提升的多少，研究表明玄武岩纤维掺入沥青混合料中能够提升材料的综合使用性能，尤其在冻融循环作用下也能减低性能衰退的速率。

4 结语

以玄武岩纤维沥青混合料和普通沥青混合料为研究对象，探究了不同冻融循环次数下沥青混合料在稳定度、单轴抗压强度、低温抗裂及疲劳寿命的性能衰变规律。研究表明，玄武岩纤维以三维空间网络结构分散在沥青混合料中，能够全面提升混合料的整体性和均匀性，随着冻融循坏次数的增加，玄武岩纤维沥青混合料仍然能够延缓混合料性能的下降速率，适用于高海拔和存在冻融循环损伤严寒地区，具有较大的应用推广价值。