高黏改性玄武岩纤维开级配沥青混合料性能研究*

孙 黎，邵景干，黄运军，李文凯

（1 河南中州路桥建设有限公司，河南 周口 466000；2 河南交院工程技术集团有限公司，河南 郑州 450046；3 绿色高性能材料应用技术交通运输行业研发中心，河南 郑州 450046）

为改善OGFC开级配沥青混合料的承载能力及矿料之间的黏结能力，需对常规SBS改性沥青进一步改性，其中高黏剂是最常用的改性剂[1]。玄武岩纤维是一种矿物纤维，被誉为21世纪新型绿色高性能材料，与沥青混合料具有良好的相融性，能够均匀乱相分散到矿料之间，具有吸附、稳定沥青及在混合料中起到加筋、搭桥的作用，从而改善OGFC开级配沥青路面结构层的承载能力及抗飞散能力。

近年来，相关学者针对高黏剂及玄武岩矿物纤维对沥青路面路用性能的改善效果也开展了大量研究。谭由容[2]以增黏、增韧剂作为原材料自制出T-HVA 高黏、高韧沥青来弥补常规高黏沥青黏结能力的不足，与常规高黏沥青相比，T-HVA 高黏、高韧沥青混合料具有更好的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性。马嘉琛[3]利用废旧胎粉、再生塑料对道路石油沥青进行复合改性，并制备复合高黏改性沥青，通过 RTFOT、PAV老化试验评价复合高黏改性沥青的抗老化能力，选用动力黏度试验、频率温度扫描试验及BBR 试验评价复合高黏改性沥青与矿料的黏附能力及黏弹特性，结果表明，废旧胎粉、再生塑料的掺入使沥青的高低温性能得到增强，温度敏感性降低。贺玉莹等[4]将不同掺量的高黏剂掺入到沥青当中开展延度试验，提出了拉伸柔量理论，并与传统延度试验结果进行比较，同时对开级配沥青混合料进行路用性能试验，评价飞散损失、析漏损失、稳定度及车辙试验结果与拉伸柔量的相关性，结果表明，JTG E20-2011中的延度试验指标评价沥青路面的低温性能与实践应用效果存在较大差异。曹学禹等[5]将玄武岩矿物纤维与TiO2/ZnO掺入到AC-13C沥青混合料中，并开展相关路用性能试验得出，玄武岩矿物纤维掺量为6%（占沥青质量）时，沥青混合料的高低温性能、水稳定性能及抗疲劳性能均得到了显著改善。

课题组选用HVA-H高黏改性剂及玄武岩纤维开展OGFC开级配沥青混合料性能研究，并以HVA、SEBS两种常见的高黏剂作为对比，评价HVA-H高黏改性剂及玄武岩纤维对OGFC开级配沥青混合料路用性能的改善效果，为高黏改性玄武岩纤维沥青混合料在工程中的应用提供理论支撑。

1 原材料与试验

1.1 沥青

沥青作为沥青路面的胶凝材料，其性能直接影响沥青路面的使用年限及路用性能。本研究选用的SBS I-D聚合物改性沥青由佛山市创立信化工有限公司生产，其主要指标试验结果见表1。

表1 沥青主要指标试验结果Table 1 Test results of main indicators of asphalt

1.2 高黏剂

随着技术的进步，高黏剂的种类逐渐增多，市场上高黏剂的品质参差不齐，其对沥青路面的改性效果存在较大差异。本研究选用的HVA-H型高黏剂由深圳路特新材料科技有限公司生产，同时选用HVA 型及SEBS型两种高黏剂作为对比。三种高黏剂主要指标试验结果见表2。

表2 高黏剂主要指标试验结果Table 2 Test results of main indicators of high viscosity agents

1.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维是一种新型绿色高性能矿物纤维，由玄武岩矿石通过高温熔融、拉丝等一定工艺制备而成，与沥青混合料具有较强的相融性，能够均匀分散到矿料之间，起到吸附、稳定沥青的效果。本研究选用的玄武岩纤维由炬石玄纤科技(安阳)有限公司生产，规格型号为BF9mm-17μm，主要指标试验结果见表3。

表3 玄武岩纤维主要指标试验结果Table 3 Test results of main indicators of basalt fiber

1.4 高黏改性沥青

1.4.1 高黏改性沥青制备

通过前期课题组大量试验研究表明，当HVA-H、HVA、SEBS在SBS改性沥青中的掺量为8%（占沥青质量）时，高黏改性沥青的整体性能较好，因此本研究中三种高黏剂在沥青中的掺量均为8%。将SBS改性沥青加热至185℃备用，将沥青质量8%的高黏剂加入到SBS改性沥青中，在185℃温度下用高速剪切机以4000r/min的转速高速剪切25min，然后在175℃的烘箱中静置15min，制得高黏改性沥青。

1.4.2 三大指标试验

参照JTG E20-2011试验规程对SBS I-D改性沥青、HVA-H 高黏改性沥青、HVA 高黏改性沥青、SEBS高黏改性沥青开展针入度、延度、软化点试验，试验结果见表4。

表4 三大指标试验结果Table 4 Test results of three major indicators

由表4可知，三种高黏剂的掺入，SBS改性沥青的针入度试验结果均降低，延度、软化点试验结果均升高，表明三种高黏剂均能改善沥青的高温性能及低温韧性，其中HVA-H型高黏剂改善效果最优。

1.4.3 黏度试验

60℃动力黏度是表征沥青高温性能的重要指标之一，与沥青路面的抗塑性变形能力息息相关，60℃动力黏度试验结果大于50000Pa·s是判定是否为高黏沥青的重要控制指标。布氏旋转黏度对沥青路面的施工温度有着重要影响，是评价施工和易性的重要指标。动力黏度试验结果如图1所示，布氏旋转黏度试验结果如图2所示。

图1 动力黏度试验结果 Fig.1 Dynamic viscosity test results

图2 布氏黏度试验结果Fig.2 Brinell viscosity test results

由图1可知，HVA-H、HVA、SEBS三种高黏剂的掺入，使SBS改性沥青60℃动力黏度试验结果分别增加至2746721、2257906、1868250 Pa·s，较SBS改性沥青分别提高了109.8倍、91.1倍、74.4倍，其中HVA-H对SBS改性沥青60℃动力黏度试验结果改善效果最优。究其原因，三种高黏剂的掺入能够吸附沥青中的轻组分，并与沥青发生相融、溶胀反应，改善沥青的黏性。

由图2可知，HVA-H、HVA、SEBS三种高黏剂的掺入使SBS改性沥青135℃、155℃和175℃布氏旋转黏度试验结果均得到显著增加，其中HVA-H高黏剂的增幅最大，但三种高黏改性沥青175℃布氏旋转黏度均小于 3Pa·s，表明三种高黏改性沥青混合料均具有良好的施工和易性，易于摊铺碾压，且不会出现胶凝材料流淌现象，其中HVA-H高黏改性沥青对矿料的黏结能力最强。

2 配合比设计

本文选用开级配OGFC-13沥青混合料展开研究，粗集料为玄武岩碎石，细集料为机制砂，填料为矿粉，玄武岩纤维掺量为0.4%（占沥青混合料质量）。矿料级配设计结果见表5，不同改性沥青混合料主要技术指标试验结果见表6。

表5 矿料级配设计结果Table 5 Design results of mineral aggregate grading

表6 最佳油石比及马歇尔试验结果Table 6 Optimal oil-stone ration and Marshall test results

3 路用性能

3.1 高温稳定性

OGFC-13属于开级配沥青路面结构层，其设计空隙率为18%～25%，矿料之间的嵌挤能力易存在不足，高温环境下，在沥青路面车辆轴载作用下会因抗塑性变形能力不足而发生车辙病害[6-7]。随着温室效应的作用，近年来极端炎热天气逐年增多，常规60℃车辙试验评价沥青路面的高温抗车辙能力已不能满足要求，本研究选用60℃和70℃室内车辙试验来评价SBS、HVA-H+SBS、HVA+SBS、SEBS+SBS四种沥青混合料的高温性能，试验结果分别如图3和图4所示。

图3 60℃动稳定度试验结果Fig.3 60℃ Dynamic stability test results

图4 70℃动稳定度试验结果Fig.4 70℃ Dynamic stability test results

由图3、图4可知，HVA-H、HVA、SEBS的掺入，60℃动稳定度试验结果较SBS沥青混合料分别提高了154.4%、113.6%、82.3%，70℃动稳定度试验结果较SBS沥青混合料分别提高了215.5%、134.4%、96.9%，且随着试验温度的增加提高效果越显著；随着试验温度的增加，四种沥青混合料的动稳定度均有显著降低，但HVA-H、HVA、SEBS三种高黏改性沥青混合料的70℃动稳定度试验结果均不低于6000次/mm。表明三种高黏剂的掺入对沥青混合料高温抗车辙能力均有显著改善，其中HVA-H高黏剂对OGFC-13沥青混合料高温抗车辙能力的改善效果最优。

3.2 低温抗裂性

低温环境下，沥青胶结料脆性增强、韧性降低，开级配OGFC-13沥青混合料具有较大的内部孔隙，北方季节性冰冻区，因昼夜温差的存在会在沥青路面结构层内部出现温缩应力，当温缩应力大于矿料之间的允许拉应力时，沥青路面就会发生开裂[8-9]。本研究选用-10℃室内低温小梁弯曲试验来评价SBS、HVA-H+SBS、HVA+SBS、SEBS+SBS四种沥青混合料的低温抗开裂能力，试验结果如图5所示。

图5 弯曲破坏应变试验结果Fig.5 Bending failure strain test results

由图5可知，HVA-H、HVA、SEBS的掺入，三种混合料的弯曲破坏应变试验结果较SBS沥青混合料分别提高了48.3%、21.2%、13.3%，且均不低于改性沥青混合料2500με的要求，表明三种高黏剂的掺入均能显著改善沥青路面的低温性能，其中HVA-H高黏剂对OGFC-13沥青混合料低温抗开裂能力改善效果最优。

3.3 水稳定性

水损害是南方季节性多雨地区最常见的路面病害形式，开级配OGFC-13沥青混合料设计空隙率较大，导致结构层内部的孔隙相互贯通，沥青路面中的沥青胶结材料长期在车辆轴载、动水压力、紫外线照射及空气氧化等综合外界环境作用下逐渐老化，沥青与矿料之间的黏附能力降低，沥青胶浆极易从结构层矿料间剥落，坑槽、松散等路面病害的出现是沥青路面水稳定性差的主要表现形式[10-12]。研究选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来评价SBS、HVA-H+SBS、HVA+SBS、SEBS+SBS四种沥青混合料的抗水损害能力，试验结果如图6和图7所示。

图6 浸水马歇尔试验结果Fig.6 Immersion Marshall test results

图7 冻融劈裂试验结果Fig.7 Results of freeze-thaw splitting test

由图6、图7可知，HVA-H、HVA、SEBS的掺入，三种混合料的残留稳定度试验结果较SBS沥青混合料分别提高了8.3%、5.9%、2.6%，残留强度比试验结果较SBS沥青混合料分别提高了12.6%、6.8%、8.6%，其中HVA-H高黏剂对OGFC-13沥青混合料抗水损害能力改善效果最优，HVA+SBS沥青混合料的残留稳定度试验结果优于SEBS+SBS沥青混合料，但SEBS+SBS沥青混合料的残留强度比试验结果优于HVA+SBS沥青混合料，因此，HVA、SEBS两种高黏剂对沥青混合料水稳定性改善效果的优劣不易判定。

4 结论

（1）高黏剂掺量为8%时，三种高黏剂均能改善沥青的高温性能及低温韧性，其中HVA-H型高黏剂改善效果最优；HVA-H高黏改性沥青对矿料的黏结能力最强。

（2）HVA-H、HVA、SEBS三种高黏剂掺入后，OGFC-13沥青混合料的60℃和70℃动稳定度、弯曲破坏应变、浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比均得到显著提高，且70℃动稳定度均不低于6000次/mm，其中HVA-H高黏剂对OGFC-13沥青混合料高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害能力改善效果均最优。