玄武岩/水镁石纤维改性沥青混合料试验研究

胡志博，胡春华，陈金龙

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)

沥青路面在中国被广泛使用，随着中国经济的快速增长，国内机动车越来越多，导致沥青路面承受的车辆荷载作用越来越大，加上周围不良环境的不利影响，沥青路面病害愈来愈重[1]。为了加强其路用性能，许多学者进行了研究，彭波[2]等通过试验分析了沥青胶浆的作用机理，得出纤维能提高沥青路面的耐久性、抗裂性能；Abdelaziz Mahrez[3]等在沥青混合料中加入了玻璃纤维，结果表明玻璃纤维能增加其抗裂性；陈思坤[4-7]等对玄武岩纤维沥青胶浆的三大指标等进行了研究，认为单掺玄武岩纤维的最佳掺入量为0.3%，此时沥青混合料的各项路用性能有显著提升。玄武岩纤维是一种环保型无机纤维材料，具有耐高温、抗裂性能好等优势[8]。水镁石纤维是一种天然碱性矿产纤维，具有良好的抗碱性能、力学性能，但很少应用在沥青路面上[9-10]。国内外有很多关于向沥青混合料中加入纤维的研究，但大多只加入一种纤维。由于加入纤维能增强沥青路面的使用性能，本文把玄武岩与水镁石纤维以七种配比掺加到沥青混合料中，来探究混掺纤维掺量对沥青混合料性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料选择

1)沥青:沥青使用山东某厂生产的SBS I-D改性沥青，其指标见表1。

表1 SBS改性沥青

2)集料:集料采用河北某地的石灰岩及0～5 mm石屑。石灰岩指标见表2，石屑指标见表3。

表2 石灰岩性能指标

表3 石屑性能指标

3)填料: 矿粉来自河北某厂，其指标见表4。

表4 矿粉技术指标

4)玄武岩纤维:玄武岩纤维简称BF，由浙江某公司提供，其指标见表5。

表5 玄武岩纤维性能指标

5)水镁石纤维:水镁石纤维简称FB,由河南某公司提供，其技术指标见表6。

表6 水镁石纤维性能指标

1.2 试验设计

本试验共有七组配合比，按照规范要求进行试验。将这七组配合比的沥青混合料分别进行车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验。

2 试验结果分析

2.1 车辙试验

用车辙试验研究沥青混合料的高温稳定性。相对变形率曲线图见图1,动稳定度结果见表7。

图 1 混掺纤维沥青混合料相对变形率曲线图

表7 混掺纤维沥青混合料动稳定度试验结果

由表7知，加入玄武岩和水镁石纤维的后六组配合比高温性能均优于第一组配合比。从动稳定度来看，第五组配合比的最高，说明第五组配合比的效果最好；而第一组配合比的最低，说明第一组配合比的效果最差；第四组配合比第二高，但比第五组配合比低18.1%。

由图1知，第六组配合比的动稳定度第三高，但是相对变形率却是最小。第五组配合比的动稳定度最高，但是相对变形率却是第二小。第一组配合比的相对变形率最大，其效果也是最差的。

加入玄武岩和水镁石纤维的后六组配合比高温性能均优于第一组配合比，这是因为在玄武岩与水镁石纤维作用下，沥青混合料变成空间网路构造，整体性变得更好，导致其高温性能也大幅提升。在七组配合比中，掺量为60%玄武岩和40%水镁石纤维的第五组配合比动稳定度最高，表明高温稳定性最好。

2.2 小梁弯曲试验

利用小梁弯曲试验来评价混掺纤维沥青混合料的低温抗裂性，其结果见表8，抗弯拉强度和劲度模量见图2、3。

从表8和图2可知，加入玄武岩和水镁石纤维的后六组配合比低温抗裂性均优于第一组配合比。从抗弯拉强度来看，第五组配合比的最大，说明低温性最好；第一组配合比的最低，表明效果最差；第五组配合比较第一组配合比提升了16.8%。

表8 混掺纤维沥青混合料小梁弯曲试验结果

从图3知，掺加玄武岩和水镁石纤维的后六组配合比弯曲劲度模量均低于第一组配合比。从劲度模量来看，第五组配合比的最小，为第一组配合比的87%；第七组配合比的第二小，为第一组配合比的91%；第一组配合比的最大。

图 2 混掺纤维沥青混合料的抗弯拉强度

图 3 混掺纤维沥青混合料的劲度模量

在低温环境下，掺加玄武岩和水镁石纤维的后六组配合比低温抗裂性均优于第一组配合比，这是因为玄武岩和水镁石纤维在温度较低时仍表现出较好的拉伸强度，将其加入到沥青混合料中，可以起到加筋作用，增进了沥青混合料的韧性，间接增大了其低温性。在七组配合比中，掺量60%玄武岩和40%水镁石纤维的第五组配合比低温抗裂性最好。

2.3 冻融劈裂试验

冻融劈裂强度比表征沥青混合料抵抗水损害破坏的能力，利用冻融劈裂试验来探究混掺纤维沥青混合料的水稳定性。冻融劈裂试验结果见表9，冻融劈裂强度比见图4。

根据表9和图4知，掺加玄武岩和水镁石纤维的后六组配合比水稳定性均优于第一组配合比。从冻融劈裂强度来看，第五组配合比的最大，表明第五组配合比的效果最好；第一组配合比的最小，表明第一组配合比的效果最差；后六组配合比中最小的比第一组配合比高12.7%。

根据表9和图4，从冻融劈裂强度比来看，第五组配合比的最高，比第一组配合比高了12.24%，比第七组配合比高了2.51%；第四组配合比为92.1%，比第五组配合比低了1.7%，比第一组配合比高了10.54%，比第七组配合比高了0.81%。

表9 混掺纤维沥青混合料冻融劈裂试验结果

图 4 混掺纤维沥青混合料冻融劈裂强度比

掺加玄武岩和水镁石纤维的后六组配合比水稳定性均优于第一组配合比，这是因为玄武岩和水镁石纤维能够附着沥青，减小了矿料之间的间隙，使沥青混合料更加紧密，从而改进了其水稳性。七组配合比中，掺量60%玄武岩和40%水镁石纤维的第五组配合比水稳定性最好。

3 结论

通过对系列车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验等室内试验结果进行分析，得出如下结论

1)与基质沥青和单独掺加玄武岩或水镁石纤维相比，混掺玄武岩/水镁石纤维改性沥青可有效改进热拌沥青混合料的路用性能。

2)在所有七组不同配比中，当掺量为60%玄武岩+40%水镁石纤维时，沥青混合料的动稳定度为7224次/mm、抗弯拉强度为9.12 MPa、冻融劈裂强度为0.92 MPa，此时的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性最好。