老化玄武岩纤维沥青混合料冻融劈裂试验研究

唐智勇， 刘富强

(1.甘肃公路航空旅游研究院有限公司， 兰州 730000； 2.河北大学建筑工程学院， 保定 071002； 3.河北大学河北省土木工程监测与评估技术创新中心， 保定 071002)

沥青路面完全暴露于大自然之中，必然会受紫外线辐射、冻融循环等自然气候条件对其产生的不利影响。沥青材料是典型的黏弹性材料，夏季高温时沥青混凝土路面容易出现高温车辙，冬季寒冷季节又易出现低温开裂。很多学者对玄武岩纤维沥青混合料的不同性能进行了研究，但对紫外老化和冻融循环、热氧老化和冻融循环条件下不同玄武岩纤维掺量沥青混合料的冻融劈裂性能的研究未见报道。

于保阳等[1]研究了玄武岩纤维掺量、高黏改性剂掺量和油石比对复合改性透水沥青混合料性能的影响，结果表明高黏改性剂和玄武岩纤维的最佳掺配比为12%和1%，试验研究得出的最佳油石比为5.1%。蒋梦雅等[2]研究了玻璃纤维掺量对基质和改性沥青混合料高温稳定性、低温性能、中温抗裂性能和水稳定性的影响，结果表明玻璃纤维掺量为0.30%的改性沥青混合料具有最佳的路用性能，相同玻璃纤维掺量时，改性沥青混合料的高中低温稳定性、马歇尔模数、破坏拉伸应变、劈裂抗拉强度、断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变都要高于基质沥青混合料，流值和破坏劲度模量都小于基质沥青混合料。Luo 等[3]通过低温弯曲、冻融循环及扫描电子显微镜等试验研究了不同包浆玄武岩纤维对沥青混合料性能的影响，研究结果表明玄武岩纤维可提高沥青混合料的高温抗车辙、低温抗开裂及耐疲劳性能。杨程程等[4]通过研究玄武岩纤维掺量、长径比和模量等因素对沥青混合料弯拉性能的影响可知，玄武岩纤维掺量对沥青混合料弯拉性能的影响最大，其次是纤维长径比，纤维模量对沥青混合料弯拉性能影响可忽略。顾倩俪等[5]研究了混合长度玄武岩纤维对沥青混合料性能的影响，结果表明3、6、9 mm玄武岩纤维的掺配比为2∶3∶1时，沥青混合料的综合性能达到最优。Guo等[6]研究表明玄武岩纤维、聚酯纤维和木质素纤维中玄武岩纤维对沥青混合料性能的改善作用最显著，最佳纤维长度及掺量分别为6 mm和0.4%。徐咏梅等[7]、魏庆军等[8]研究了纤维对SMA-13沥青混合料路用性能的影响，结果表明纤维的掺入能够改善SMA-13沥青混合料的路用性能。Li等[9]研究了玄武岩纤维对冰冻区沥青混合料性能的影响，研究结果表明玄武岩纤维能够显著提高冰冻区沥青混合料的低温性能。李震南等[10]研究了玄武岩纤维对沥青胶浆的改善作用，结果表明玄武岩纤维可有效改善沥青胶浆的低温性能和热稳定性。Guo等[11]、邱国洲等[12]研究了玄武岩纤维沥青混合料的高、中、低温性能。樊兴华等[13]研究表明，玄武岩纤维对新疆大温差地区沥青混合料的路用性能有显著的改善作用。何静[14]研究了岩沥青和玄武岩纤维复合改性沥青混合料的性能，结果表明岩沥青和玄武岩纤维复合改性沥青混合料具有良好的路用性能。Liu等[15]研究了玄武岩纤维增强沥青混合料的弯拉性能敏感性。Cheng等[16]通过室内试验对玄武岩纤维增强苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer，SBS)改性沥青混合料在冻融循环下的性能进行了研究，结果表明随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的力学性能先快速减小，然后保持不变，15～18次冻融循环后，力学性能发生突变。Ameri等[17]对玄武岩和玻璃纤维增强热拌沥青混凝土的性能进行了研究，结果表明两种玄武岩均可增强沥青混合料的耐久性能，但同时也会增加沥青用量。许多道路研究者将玄武岩纤维应用于透水沥青混凝土路面并开展相关研究，结果表明玄武岩纤维的掺入可提高透水混凝土路面的有效空隙率和渗水系数，从而保证透水混凝土路面具有良好的排水和力学性能[18-22]。

基于此，为分析玄武岩纤维沥青混合料在老化和冻融循环双重作用下的劈裂性能变化，对不同玄武岩纤维掺量的沥青混合料在紫外老化和冻融循环、热氧老化和冻融循环条件下的冻融劈裂性能进行研究。

1 材料与试验

1.1 材料

1.1.1 集料

SMA(stone matrix asphalt)-13沥青混合料粗、细集料采用洁净、无杂质的石灰岩。细集料、粗集料各指标测试结果分别如表1、表2所示，SMA-13级配曲线如图1所示。

表1 细集料技术指标与实测值Table 1 Technical index and measured value of fine aggregate

表2 粗集料技术指标与实测值Table 2 Technical index and measured value of coarse aggregate

图1 SMA-13沥青混合料级配曲线图Fig.1 Grading chart of SMA-13 asphalt mixture

1.1.2 沥青

沥青选择SBS改性沥青，其基本性能指标如表3所示。

表3 SBS改性沥青基本性能指标Table 3 Basic performance index of SBS modified asphalt

1.1.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维为金褐色集束状短切玄武岩纤维，具有良好的分散性，主要性能指标如表4所示。

表4 玄武岩纤维的主要性能指标Table 4 The main performance index of basalt fiber

1.2 试验方法

1.2.1 紫外老化条件下的冻融劈裂试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[23]制备10组SMA-13沥青马歇尔标准试件，每组5个，其中5组试件分别进行不同次数的冻融循环，5组先进行紫外老化再进行不同次数的冻融循环，然后测其劈裂强度，测试温度为-10 ℃，测试试验如图2所示。其中紫外老化是利用紫外老化箱对沥青混合料试件老化7 d。

图2 劈裂试验Fig.2 Splitting test

1.2.2 热氧老化条件下的冻融劈裂试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[23]制备10组SMA-13沥青混合料马歇尔标准试件，每组5个，其中5组试件分别进行不同次数的冻融循环，5组先进行热氧老化再进行不同次数的冻融循环，然后测其劈裂强度。老化过程依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[23]中的T0734—2000热拌沥青混合料加速老化试验方法，即将试件放置在85 ℃的通风烘箱内120 h。

2 试验结果与分析

2.1 未老化下冻融劈裂试验结果与分析

未紫外和未热氧老化条件下冻融劈裂试验结果如图3所示。

在未冻融条件下，玄武岩纤维掺量为0.60%的沥青混合料劈裂强度较未掺加玄武岩纤维增大12.67%，说明玄武岩纤维对沥青混合料的抗劈裂性能有所改善。但当玄武岩纤维掺量为1.00%时，在未冻融条件下掺玄武岩纤维沥青混合料的劈裂强度较玄武岩纤维掺量为0.60%减小2.52%。

在未掺加玄武岩纤维时，4次冻融循环下较未冻融循环分别增大2.70%、6.70%、10.06%、14.31%，但4次冻融循环条件下0.60%玄武岩掺量沥青混合料的劲度模量较未冻融未掺玄武岩纤维下分别减小10.30%、5.81%、2.86%、0.25%。这是由于随着冻融循环次数的增加，沥青混合料中的沥青胶结料发生老化变脆，进而其劲度模量增加，但由于沥青混合料中掺加了玄武岩纤维，对其劲度模量的增大程度有一定的缓解。

随着冻融循环次数的增加，相同玄武岩纤维掺量沥青混合料的劈裂强度逐渐减小，但劲度模量逐渐增大，4次冻融循环条件下0.60%玄武岩纤维掺量沥青混合料的劲度模量较未冻融条件下分别增大1.11%、6.18%、9.49%、12.44%。总体而言，玄武岩纤维可有效改善沥青混合料的低温抗裂性能。

由图3(c)可知，在未老化的条件下，不同玄武岩纤维掺量的沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比差异性不显著，但掺有玄武岩纤维的沥青混合料抗冻融劈裂性能优于未掺玄武岩纤维的沥青混合料。

图3 未老化冻融试件的劈裂试验结果Fig.3 Splitting test results of unaged freeze-thaw specimens

基于上述分析可知，随着冻融循环次数的增加，劈裂强度和抗拉强度比(tensile strength ratio,TSR)逐渐减小，但劲度模量逐渐增大，玄武岩纤维可改善沥青混合料的抗冻融劈裂性能，这是因为随着冻融循环次数的增大，沥青胶结料的韧性变差，玄武岩纤维可在一定程度补充增强老化沥青的韧性，进而达到改善混合料抗冻融劈裂的目的。

2.2 紫外老化冻融劈裂试验结果与分析

紫外老化条件下冻融劈裂试验结果如图4所示。

图4 紫外老化冻融试件的劈裂试验结果Fig.4 Splitting test results of the freeze-thaw specimens with ultraviolet aging

在未冻融条件下，玄武岩纤维掺量为0.60%的沥青混合料劈裂强度较未掺加玄武岩纤维增大了12.66%，说明玄武岩纤维对沥青混合料的抗劈裂性能改善效果显著；但当玄武岩纤维掺量为1.00%时，在未冻融条件下掺玄武岩纤维沥青混合料的劈裂强度较玄武岩纤维掺量为0.60%减小2.52%。

在未掺加玄武岩纤维时，4次冻融循环下沥青混合料的劲度模量较未冻融循环分别增大2.60%、6.65%、9.98%、13.79%，但4次冻融循环条件下0.60%玄武岩纤维掺量沥青混合料的劲度模量较未冻融条件下分别增大1.09%、5.93%、9.03%、12.14%。这是由于随着冻融循环次数的增加，沥青混合料中的沥青胶结料发生老化变脆，进而其劲度模量增加，但由于沥青混合料中掺加了玄武岩纤维，对其劲度模量的增大程度有一定的缓解。

随着冻融循环次数的增加，相同玄武岩纤维掺量沥青混合料的劈裂强度逐渐减小，但劲度模量逐渐增大，4次冻融循环条件下0.60%玄武岩纤维掺量沥青混合料的劲度模量较未冻融未掺玄武岩纤维分别减小10.14%、5.84%、3.08%、0.32%。总体而言，玄武岩纤维可有效改善沥青混合料在紫外老化条件下的低温抗裂性能。

由图4(c)可知，当玄武岩纤维掺量为0～0.30%时，冻融劈裂抗拉强度比逐渐减小，但当玄武岩纤维掺量高于0.60%时，冻融劈裂抗拉强度比较0.30%掺量下有所增加，当冻融循环次数小于3次时，0.60%和1.0%掺量下冻融劈裂抗拉强度比大于未掺玄武岩纤维沥青混合料，经历3次冻融循环后，冻融劈裂抗拉强度比迅速减小，其值小于未掺玄武岩纤维沥青混合料，这是因为沥青胶结料在紫外老化和冻融循环双重作用下，沥青胶结料的老化程度比较严重，掺加一定量的玄武岩纤维对其冻融劈裂性能有一定的改善作用。

基于上述分析可知，紫外老化和冻融循环双重作用下，沥青的老化程度更高，玄武岩纤维可改善其性能，但玄武岩纤维掺量存在一定的掺量范围，并非掺量越大越好。根据该试验数据显示，玄武岩纤维掺量为0.60%时，玄武岩纤维沥青混合料的抗冻融劈裂性能较好。

2.3 热氧老化条件下的冻融劈裂试验结果与分析

热氧老化条件下冻融劈裂试验结果如图5所示。

图5 热氧老化冻融试件的劈裂试验结果Fig.5 Splitting test results of the freeze-thaw specimens with thermo-oxidative aging

在未冻融条件下，玄武岩纤维掺量为0.60%的沥青混合料劈裂强度较未掺加玄武岩纤维增大11.68%，说明玄武岩纤维对沥青混合料的抗劈裂性能改善效果显著；但当玄武岩纤维掺量为1.00%时，在未冻融条件下掺玄武岩纤维沥青混合料的劈裂强度较玄武岩纤维掺量为0.60%减小2.55%。

在未掺加玄武岩纤维时，4次冻融循环下沥青混合料的劲度模量较未冻融循环分别增大2.12%、5.20%、8.79%、10.11%，但4次冻融循环条件下0.60%玄武岩纤维掺量沥青混合料的劲度模量较未冻融条件下分别增大1.00%、4.35%、15.89%、17.47%。这是由于随着冻融循环次数的增加，沥青混合料中的沥青胶结料发生老化变脆，进而其劲度模量增加，但由于沥青混合料中掺加了玄武岩纤维，对其劲度模量的增大程度有一定的缓解。

随着冻融循环次数的增加，相同玄武岩纤维掺量沥青混合料的劈裂强度逐渐减小，但劲度模量呈现逐渐增大趋势，1次、2次冻融循环条件下0.60%玄武岩掺量沥青混合料的劲度模量较未冻融未掺玄武岩纤维分别减小8.57%和2.64%，3次、4次冻融循环条件下0.60%玄武岩纤维掺量沥青混合料的劲度模量较未冻融未掺玄武岩纤维分别增大1.54%和2.93%。总体而言，玄武岩纤维可有效改善沥青混合料在热氧老化条件下的低温抗裂性能。

由图5(c)可知，随着冻融循环次数的增加，冻融劈裂抗拉强度比逐渐减小。当玄武岩纤维掺量为0.30%时，冻融劈裂抗拉强度比小于未掺玄武岩纤维沥青混合料，但当玄武岩纤维掺量大于0.30%及逐渐增大时，冻融劈裂抗拉强度比较0.30%玄武岩纤维掺量下有所增加，3次冻融循环以内，0.60%和1.0%玄武岩纤维掺量的冻融劈裂抗拉强度比大于未掺玄武岩纤维沥青混合料，但当冻融循环次数超过3次时，冻融劈裂抗拉强度比较未掺玄武岩纤维沥青混合料逐渐减小，且1.0%玄武岩纤维掺量下TSR值小于0.60%掺量。

基于上述分析可知，在热氧老化和冻融循环双重作用下，沥青混合料的劈裂强度较未老化和紫外老化条件下沥青混合料小，但劲度模量较未老化和紫外老化条件下沥青混合料大，分析认为热氧老化和冻融循环对沥青胶结料的老化程度比较显著。

3 结论

通过对掺加玄武岩纤维的马歇尔试件在老化与未老化条件下进行不同冻融循环次数的劈裂试验，分析了紫外老化和冻融循环、热氧老化和冻融循环条件下玄武岩纤维沥青混合料劈裂性能的变化规律。得出如下结论。

(1)玄武岩纤维可改善沥青混合料的抗劈裂性能，随着玄武岩纤维掺量的增大，劈裂强度呈现先增大后减小的趋势。掺加0.60%玄武岩纤维时，未老化未冻融条件下，沥青混合料的劈裂强度较未掺加玄武岩纤维时增大12.67%，劲度模量减小11.28%。

(2)玄武岩纤维可缓解沥青混合料的冻融循环紫外老化作用。玄武岩纤维掺量为0.60%时，4次冻融循环及未老化条件下，沥青混合料的劈裂强度较未冻融未老化及未掺玄武岩纤维下分别减小0.52%、14.47%、21.45%、31.78%；4次冻融循环及紫外老化条件下，0.60%玄武岩纤维掺量沥青混合料的劈裂强度较未冻融老化及未掺玄武岩纤维下分别减小5.94%、19.64%、27.65%、39.28%。

(3)玄武岩纤维可缓解沥青混合料的冻融循环热氧老化作用。4次冻融循环及热氧老化条件下，0.60%玄武岩纤维掺量沥青混合料的劈裂强度较相同条件下未掺玄武岩纤维分别增大13.91%、12.79%、10.64%、10.26%。