不同类型玄武岩纤维薄层罩面沥青混合料路用性能研究

摘 要：【目的】常规薄层罩面沥青混合料性能存在不足，将玄武岩纤维掺入沥青混合料当中，以达到改善薄层罩面沥青混合料路用性能，延长其使用年限的效果。【方法】在玄武岩纤维掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的基础上分别对AC-10C、SMA-10两种薄层罩面沥青混合料开展配合比设计及相关路用性能研究。【结果】当纤维掺量为0.4%时，AC-10C、SMA-10两种混合料高低温性能最优，动稳定度试验结果分别为4 769、5 498次/mm，贯入强度试验结果分别为0.92、1.17 MPa，弯曲破坏应变试验结果分别为3 418、3 578 µε；当纤维掺量为0.6%时，AC-10C、SMA-10两种混合料水稳定性能最优，残留稳定度试验结果分别为91.8%、94.6%，残留强度比试验结果分别为89.2%、89.4%。【结论】从高低温性能方面考虑，玄武岩纤维推荐掺量为0.4%；从水稳定性能方面考虑，玄武岩纤维推荐掺量为0.6%。

关键词：玄武岩纤维；矿料级配；油石比；沥青混合料；路用性能

中图分类号：U418.6 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）16-0076-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.16.015

Research on the Road Performance of Different Types of Basalt Fiber Thin Layer Covering Asphalt Mixtures

WANG Haiyang1，2 MA Haojie1，2 SHAO Jinggan1，2 WANG Pengpeng1，2 LI Wenkai1，2

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450046， China; 2.R & D Center of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] There are shortcomings in the performance of conventional thin layer overlay asphalt mixture. Basalt fibers are added to the asphalt mixture to improve its road performance and extend its service life. [Methods] On the basis of basalt fiber content of 0%， 0.2%， 0.4%， 0.6%， and 0.8%， mix design and related road performance research were carried out on AC-10C and SMA-10 thin layer overlay asphalt mixtures. [Findings] When the fiber content is 0.4%， the AC-10C and SMA-10 mixtures have the best high and low temperature performance. The dynamic stability test results are 4 769 and 5 498 times/mm， respectively. The penetration strength test rNa+fM7mmbq3RIVf7gcxXBhSqW+utMlf/oS4B03O/97I=esults are 0.92 and 1.17 MPa， and the bending failure strain test results are 3 418 and 3 578 µε， respectively; when the fiber content is 0.6%， AC-10C and SMA-10 mixtures have the best water stability performance， with residual stability test results of 91.8% and 94.6%， and residual strength ratio test results of 89.2% and 89.4%， respectively. [Conclusions] From the perspective of high and low temperature performance， the recommended content of basalt fiber is 0.4%; from the perspective of water stability performance， the recommended content of basalt fiber is 0.6%.

Keywords： basalt fiber; mineral aggregate grading; oil stone ratio; asphalt mixture; road performance

0 引言

目前，我国交通基础设施建设不断完善，公路总里程逐年增加，尤其高等级公路的发展更为显著。截至2023年底，河南省高速公路通车总里程已突破8 300 km。早期建成的高速公路在通车运营一定年限后，车辙、裂缝、松散、坑槽等路面病害逐渐出现，不仅影响道路美观，而且会影响车辆行车安全。近年来，我国公路建设的重心已逐渐从新建为主，向管养结合的方向发展，但随着高速公路大中修里程的逐年增加，养护资金日益紧张，给管养单位带来了巨大的经济压力。沥青混合料薄层罩面的铺筑厚度一般为2 cm，不仅可以达到修复路面的效果，而且还能够大大降低养护成本，近年来被广泛应用到高速公路大中修养护工程当中。本研究为改善薄层罩面结构层的路用性能，将玄武岩纤维掺入到沥青混合料当中，并在不同玄武岩纤维掺量的基础上对AC-10C、SMA-10两种薄层罩面沥青混合料开展配合比设计及相关路用性能研究，为玄武岩纤维沥青薄层罩面在养护工程中的推广应用提供指导。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

1.1.1 沥青。沥青路面薄层罩面厚度一般为2 cm左右，较薄的结构层却直接长期承受车辆荷载的作用，因此，应选用性能优异的改性沥青才能保证薄层罩面的路用性能及使用年限。本研究选用的SBS I-D聚合物改性沥青，主要参数试验结果见表1。

1.1.2 玄武岩纤维。玄武岩纤维作为稳定剂能够有效吸附、稳定沥青，增加矿料之间结构沥青膜的厚度，同时在沥青路面结构层内部起到加筋的效果，从而延长薄层罩面沥青路面的使用年限。本研究选用的玄武岩纤维主要参数试验结果见表2。

1.2 配合比设计

本研究选用AC-10C、SMA-10两种薄层罩面沥青混合料展开研究，矿料级配设计结果见表3，不同玄武岩纤维掺量下（占沥青混合料质量）马歇尔试验结果见表4。

2 路用性能

2.1 高温稳定性

沥青薄层罩面作为路表结构层，是一种柔性结构，且直接承受车辆轴载尤其重轴载的作用，其性能受环境温度影响较大。夏季天气炎热，沥青黏韧性降低，塑性增强，高温环境及车辆轴载作用下，沥青路面因其承载能力不足而出现车辙病害，不仅影响行车舒适性，而且对行车安全造成严重威胁［1-2］。本研究选用车辙及贯入强度试验来评价不同玄武岩纤维掺量下两种混合料的高温性能，动稳定度及贯入强度试验结果分别如图1、图2所示。

由图1、图2可知，随着纤维掺量的增大，AC-10C、SMA-10两种混合料高温性能试验结果均呈现先增大后减小的趋势。当纤维掺量为0.4%时，高温性能最优，AC-10C混合料动稳定度及贯入强度试验结果分别为4 769次/mm和0.92 MPa，SMA-10混合料动稳定度及贯入强度试验结果分别为5 498次/mm和1.17 MPa；当玄武岩纤维掺量相同时，SMA-10混合料动稳定度及贯入强度试验结果均优于AC-10C混合料。原因是玄武岩纤维与热骨料在拌和过程中能够均匀分散成微米级的单丝状，且能够均匀分散在沥青混合料中，起到吸附、稳定沥青的效果，从而改善沥青路面结构层的稳定性，但掺量过大时，玄武岩纤维在混合料中会出现冗余，从而降低玄武岩纤维在矿料之间的桥接效果，降低混合料的高温稳定性能；SMA-10薄层罩面混合料属于间断级配，相较于密级配的AC-10C混合料粗骨料用量较大，且结构内部的嵌挤能力较强，具有更强的高温稳定性能。

2.2 低温抗裂性

冬季天气寒冷，沥青黏韧性降低，脆性增强，沥青路面抵抗温缩应变塑性变形的能力降低［3-4］。本研究选用小梁弯曲试验来评价不同玄武岩纤维掺量下两种混合料的低温性能，试验结果如图3所示。

由图3可知，随着纤维掺量的增大，AC-10C、SMA-10两种混合料低温性能试验结果均呈现先增大后减小的趋势。当纤维掺量为0.4%时，低温性能最优，AC-10C混合料弯曲破坏应变试验结果为3 418 µε，SMA-10混合料弯曲破坏应变试验结果为3 578 µε；当玄武岩纤维掺量相同时，SMA-10混合料弯曲破坏应变试验结果均优于AC-10C混合料。原因是玄武岩纤维的掺入使AC-10C、SMA-10两种薄层罩面沥青混合料的最佳油石比均得到了提高，油石比的增加会改善沥青路面的韧性，增强沥青路面的低温抗开裂能力，当掺量超过0.4%时，玄武岩纤维在混合料中会出现冗余，反而影响玄武岩纤维在矿料之间的加筋效果。

2.3 水稳定性

薄层罩面沥青路面结构层的厚度为2 cm左右，且直接承受车辆荷载、轮胎揉搓、空气老化及雨水冲刷等外界环境的综合作用。随着沥青路面运营年限的延长沥青逐渐老化，老化后的沥青与矿料之间的黏附能力减弱，沥青路面水稳定性降低［5-6］。本研究选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来评价不同玄武岩纤维掺量下两种混合料的水稳定性能，试验结果分别如图4、图5所示。

由图4、图5可知，随着纤维掺量的增大，AC-10C、SMA-10两种混合料水稳定性能试验结果均呈现先增大后减小的趋势，当纤维掺量为0.6%时，水稳定性能最优。究其原因，纤维与热骨料在拌和过程中能够均匀分散成微米级的单丝状，具有很强吸附、稳定沥青的作用，使得玄武岩纤维沥青胶浆在沥青路面结构层中更加稳固，水损害作用下抗剥落能力增强，玄武岩纤维掺量过高时会导致更多的沥青被吸附，而矿料表面的沥青占比降低，从而降低沥青路面的抗水损害能力。

3 结论

本研究在玄武岩纤维掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的基础上对AC-10C、SMA-10两种混合料开展配合比设计及路用性能研究，得出以下结论。

①随着纤维掺量的增大，AC-10C、SMA-10两种混合料的高低温性能均呈现先增大后减小的趋势，当纤维掺量为0.4%时，AC-10C、SMA-10两种混合料高低温性能最优。

②随着纤维掺量的增大，AC-10C、SMA-10两种混合料水稳定性能均呈现先增大后减小的趋势，当纤维掺量为0.6%时，AC-10C、SMA-10两种混合料水稳定性能最优。

参考文献：

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［3］谭敬儒，刘尊青，谢海巍，等.玄武岩纤维AC-13C沥青混合料路用性能研究［J］.公路与汽运，2023（5）：62-67.

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