复掺高模量剂及玄武岩纤维对沥青混合料性能的影响研究

摘要：为延长路面的使用寿命，文章通过掺入高模量改性剂（HM）和玄武岩纤维（BF）对混合料性能进行改善，选用AC-20级配进行HM和BF对混合料整体性能影响的试验研究，并基于扫描电镜（SEM）分析HM和BF对混合料性能的增强机理。结果表明：复掺HM和BF后，沥青混合料最佳油石比提升了0.3%，沥青混合料整体性能提升，MS0提高了1.0%，TSR提高了3.9%，DS提高了约7.1倍，最大弯拉应变提高了2.3%，疲劳寿命提高了8.9倍；利用SEM观察到HM能充分熔融，与沥青形成新的聚合物，增加混合料界面粘结力，BF能均匀分散在混合料体系中，形成空间网状结构，起加筋、桥接作用，承担、分散混合料内部应力。

关键词：沥青混合料；高模量改性剂；玄武岩纤维；路用性能

中图分类号：U414.1" " 文献标识号：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.003

文章编号：1673-4878（2024）11-0007-04

引言

沥青路面因施工便利、维修成本低、行车舒适性好等优势备受欢迎，是我国高等级公路主要的路面形式之一［1］。然而，随着汽车保有量不断增长以及交通载荷不断增大，多数沥青路面在未达到设计寿命时，便产生车辙、裂缝等一系列病害，严重影响行车舒适性和安全性［2］。改善沥青路面材料性能能提升沥青路面的使用寿命，常见方法有添加改性剂、添加纤维提高混合料内部粘结力，从而增强混合料性能［3］。张涛等［4］通过室内试验研究了中国标准高模量沥青混合料HMAM-13，推荐混合料沥青膜厚度为8.8～10.0 [WTBZ]μm，空隙率为3%～6%。李九苏等［5］采用金刚砂制备超高模量沥青混合料（UHMAC），通过室内试验发现混合料高、低温性能大幅提升。张争奇等［6］基于荧光显微镜和红外光谱仪研究了高聚物复合改性高模量沥青SBS-PE和CR-PPA，揭示了不同高模量沥青改性机理。栾利强等［7］研究发现通过掺入玄武岩纤维能有效降低聚氨酯沥青混合料空隙变化率，增强沥青-集料界面粘结力。孙亚辉等［8］研究发现通过掺入0.2%～0.3%的玄武岩纤维能提升PAC-13沥青混合料高、低温性能及抗水损性能。已有研究表明，高模量改性剂及玄武岩纤维均能对沥青混合料部分性能提升起促进作用，而两者复合改性对混合料整体性能的影响研究相对较少。因此，本文通过室内试验研究高模量改性剂（HM）和玄武岩纤维（BF）对沥青混合料性能的影响，并基于扫描电镜（SEM）分析其作用机理，为玄武岩纤维高模量沥青混合料的应用推广提供参考。

1原材料

1.1沥青

试验采用的沥青为70#A级道路石油沥青，主要性能检测结果见表1。

1.2高模量改性剂

选用直投式聚合物类的高模量改性剂（HM），其主要性能指标见表2。

1.3玄武岩纤维

选用短切玄武岩纤维（BF），长度为6 mm，其主要性能检测结果见下页表3。

1.4矿料

粗集料采用石灰岩碎石，规格为15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm；细集料采用石灰岩机制砂，规格为0～5 mm；填料采用矿粉，规格为0～0.6 mm。各档集料主要性能指标检测结果见下页表4。

2沥青混合料组成设计

试验采用AC-20型沥青混合料，矿料合成级配曲线图见图1。

设置70#沥青AC-20、SBS改性沥青AC-20作为参照组，单掺HM、单掺BF、复掺HM+BF为试验组。根据前期研究，HM最佳掺量为沥青用量的0.5%，BF最佳掺量为混合料质量的0.4%，通过马歇尔试验确定五种沥青混合料的最佳油石比。最佳油石比下五种沥青混合料马歇尔试验结果见表5。

由表5可知，掺入HM和BF后，沥青混合料最佳油石比提高了0.3%，表明HM和BF会对混合料体积指标产生影响，这可能是因为HM在熔融后与沥青混合成高黏度聚合物，增强了沥青胶浆粘滞性，而BF在混合料体系中形成了致密的网状结构，阻碍了沥青胶浆流动，导致混合料空隙率提高。此外，BF会吸收少部分沥青，导致混合料最佳油石比提高。

3路用性能试验研究

3.1水稳定性能

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究HM和BF对沥青混合料的水稳定性能影响，试验结果分别见图2、图3。

由图2、图3可知，单掺HM和复掺HM+BF组MS0和TSR接近于SBS改性沥青AC-20组，较70#沥青AC-20组有所提升，MS0分别提升了1.4%、1.0%，TSR分别提升了6.0%、3.9%。混合料水稳定性能提高主要取决于HM的界面改性和嵌挤增强机理，充分熔融的HM与沥青形成高分子聚合物，两者相互渗透，界面作用力增强。此外，高分子聚合物在击实作用下被挤压变细变长，容易渗入集料孔隙中，使沥青与集料接触面积增大，集料-沥青界面粘聚力增强，混合料水稳定性能提高。掺入BF后，混合料稳定度MS0、冻融劈裂强度比TSR略有降低，这可能是因为BF难以得到完全分散拌和均匀，导致混合料空隙率增大，对水稳定性能产生了不利影响。因此，考虑到混合料水稳定性能，建议玄武岩纤维掺量不宜过高。

3.2高温稳定性能

通过60 ℃车辙试验研究HM和BF对沥青混合料的高温稳定性能影响，试验结果见图4。

由图4可知，HM对混合料动稳定度（DS）改善明显，单掺HM组较AC-20动稳定度提升了约5.2倍，较SBS改性沥青AC-20提升了46.2%。这是因为高温条件下HM与沥青充分融合成高黏聚合物，在压实功作用下，高分子聚合物被挤压延展，嵌挤进混合料空隙中，形成网状结构，进而增强沥青与集料之间的粘结力，使得混合料抗变形能力大幅提高。[JP3]此外，在HM改性作用下沥青软化点升高、温度敏感性降低。掺入BF后，混合料动稳定度进一步提升，相较于AC-20，复掺HM+BF组动稳定度提高了7.1倍，表明BF对混合料高温稳定性提升起促进作用。

3.3低温抗裂性能

采用-10 ℃低温小梁弯曲试验研究HM和BF对沥青混合料的低温稳定性能影响，试验结果见图5。

由图5可知，掺入BF后，沥青混合料最大弯拉应变提升了11.0%，表明掺入BF有利于提高混合料低温抗裂性能，主要是因为BF在混合料中分散形成网状结构，承担和分散混合料部分内部应力；当混合料受力时，BF能有效阻滞混合料变形，当力消失后，产生部分变形恢复。此外，BF起加筋和桥接作用，能有效阻碍裂缝发展，提高混合料的抗开裂能力。[JP3]而HM的掺入会使混合料的低温性能变劣，单掺HM组最大弯拉应变较70#沥青AC-20下降15.1%，表明HM不利于混合料低温抗裂性能。

3.4疲劳性能

采用四点弯曲疲劳试验分析HM和BF对沥青混合料疲劳性能影响，试验温度为15 ℃，偏正弦波加载频率为10 Hz。试验结束条件为劲度模量下降为初始劲度模量的50%。应变控制水平选用400 [WTBX]με、600 [WTBX]με、800 [WTBX]με。试验结果见图6。

由图6可知，HM和BF的掺入有利于提升沥青混合料耐疲劳性能。较70#沥青AC-20，单掺HM组混合料在不同应变控制水平下的疲劳寿命增加约2.5～8.9倍，单掺BF组混合料的疲劳寿命提升约0.5～2.1倍，但单掺改性后混合料抗疲劳性能低于SBS改性沥青AC-20。复掺HM和BF后，混合料耐疲劳性能进一步提高，较SBS改性沥青AC-20，不同应变控制水平下疲劳寿命提升约10.2%～27.6%。掺入HM后，沥青混合料初始劲度模量大幅提升，达到同等破坏所需加载次数增加。而BF弹性模量远高于沥青，在混合料中产生加筋作用，提升了混合料弹性恢复能力。因此，复掺HM和BF能大大提升混合料疲劳寿命。

4微观试验分析

基于以上试验，HM和BF掺入对混合料整体性能产生影响。因此，通过扫描电子显微镜（SEM）进行玄武岩纤维及沥青混合料微观形貌观察，分析高模量改性剂（HM）及玄武岩纤维（BF）对沥青混合料性能改善机理。扫描结果见图7。

由图7（b）可知，BF均匀分散在沥青混合料中，形成网状结构，起到承担和分散应力的作用，降低混合料内部应力集中对其破坏影响。由图7（c）可知，混合料中并未出现明显的HM颗粒，表明HM能充分熔融于沥青中，与沥青相互渗透，形成新的聚合物，增强与集料之间的界面粘结力；BF在混合料中起加筋、桥接作用，降低荷载作用下混合料的变形和破坏，并在荷载消除后，产生一定的变形恢复。由破坏后混合料断面图7（d）可知，当混合料破坏时，破坏处BF端部不平整，表明BF与沥青胶浆间存在较好的吸附能力，在外力作用下，BF不仅阻滞了混合料变形，还承担了混合料的部分内部应力。

5结语

（1）HM和BF的掺入对混合料体积指标产生影响，复掺HM和BF后，沥青混合料最佳油石比提升了0.3%。

（2）HM和BF对混合料整体性能产生影响。其中，BF不利于混合料水稳定性能，HM不利于混合料低温抗裂性能；复掺HM和BF后，混合料整体性能提高，较70#沥青AC-20，MS0提高了约1.0%，TSR提高了约3.9%，DS提高了约7.1倍，最大弯拉应变提高了约2.3%，疲劳寿命提高了约8.9倍。

（3）HM能与沥青充分熔融，形成新的聚合物，增加混合料界面粘结力；BF能均匀分散在混合料体系中，起加筋和桥接作用，形成空间网状结构，承担和分散混合料内部应力，阻滞混合料变形破坏。

参考文献：

［1］徐鸥明，金林通，郭嘉，等.沥青路面抗滑耐久性研究与发展［J］.公路，2024（3）：6-14.

［2］周亮，凌建明，林小平.考虑环境因素的沥青路面疲劳开裂预估模型［J］.中国公路学报，2013，26（6）：47-52.

［3］辛雪，苏林萍，梁明，等.废胶粉改性制备高模量沥青及其动态力学性能［J］.材料导报，2020，34（18）：18 060-18 064.

［4］张涛，陈实，柯文豪.基于法国标准EME14的中国标准高模量沥青混合料HMAM-13性能研究［J］.公路，2023，68（11）：57-64.

［5］李九苏，保安青，姜舜君.超高模量沥青混凝土的制备与路用性能研究［J］.交通科学与工程，2023，39（2）：8-15.

［6］张争奇，郑文章，桂增俭，等.高聚物复合改性高模量沥青的流变性能与改性机理［J］.材料科学与工程学报，2023，41（1）：51-57.

［7］栾利强，余和德，文双寿，等.玄武岩纤维对聚氨酯改性沥青混合料水稳定性提升研究［J］.化工新型材料，2024（5）：269-273.

［8］孙亚辉.玄武岩纤维增强排水沥青混合料路用性能研究［J］.市政技术，2023，41（2）：150-154.

作者简介：卢振龙（1973—），高级工程师，主要从事道路桥梁施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18