熊　剛，張　航

（1.新疆交通建設(shè)集團股份有限公司，烏魯木齊　830016；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶　400067）

玄武巖纖維瀝青混合料路用性能試驗研究

熊剛1，張航2

（1.新疆交通建設(shè)集團股份有限公司，烏魯木齊830016；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶400067）

玄武巖纖維瀝青混合料具有優(yōu)良的技術(shù)性能，在道路工程領(lǐng)域備受關(guān)注。通過車轍試驗、間接拉伸試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗分別評價不同纖維摻量玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明：與普通AC-13瀝青混合料相比，摻加玄武巖纖維的瀝青混合料其高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能均有所改善；當玄武巖纖維摻量為0.15%時，瀝青混合料能獲得最佳綜合路用性能。

道路工程；玄武巖纖維瀝青混合料；纖維摻量；路用性能試驗

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，道路設(shè)施的建設(shè)水平較以往得到很大的改善，瀝青混合料已成為最常用的路面材料［1］。但相較于發(fā)達國家，我國瀝青路面的建設(shè)質(zhì)量仍存在諸多問題，主要表現(xiàn)為耐久性不足和早期損壞等。因此，改善瀝青路面的使用品質(zhì)，減少瀝青路面早期病害并延長道路使用壽命，是道路工程的研究熱點。近年來，國內(nèi)研究者在這方面開展了大量研究，而添加纖維以有效改善瀝青混合料的綜合路用性能便是其中之一。

目前應(yīng)用于瀝青路面的纖維主要有鋼纖維［2］、木質(zhì)素纖維［3］、聚合物纖維［4］、水鎂石纖維［5］、玄武巖纖維［6-7］等。最早用于改善瀝青混合料性能的是石棉纖維，但由于其具有致癌性，目前已被禁止在瀝青路面中使用。鋼纖維的韌性和抗拉強度較高，但使用時容易結(jié)團、易腐蝕。木質(zhì)素纖維具有良好的溫度穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，但易吸水，且氧化產(chǎn)物會污染瀝青。聚合物纖維具有較高的強度、較好的抗酸堿腐蝕和抗氧化能力，但其彈性模量低、耐高溫性能差。玄武巖纖維作為一種新型礦物纖維，不僅具有高拉伸強度、高彈性模量、良好耐酸堿性能、耐輻射和紫外線，與瀝青和集料有較好的親和力等優(yōu)點，而且在整個生產(chǎn)和應(yīng)用過程中對環(huán)境無污染。因此，玄武巖纖維是一種綠色、環(huán)保的新型生態(tài)材料［8］，將其應(yīng)用于瀝青混合料能有效改善瀝青混合料的路用性能，在道路工程中具有很大的開發(fā)和應(yīng)用前景。本文針對玄武巖纖維用于密級配瀝青混合料AC-13進行試驗研究，探討不同摻量的玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的改善效果，以期為玄武巖纖維瀝青混合料的研究和應(yīng)用提供參考。

1　試驗原材料

1.1瀝青

試驗采用國產(chǎn)重交AH-90道路石油瀝青，其主要性能指標見表1。

表1　AH-90瀝青的主要性能指標

1.2玄武巖纖維

用于瀝青混合料的纖維通常存在一個最佳長度，若纖維過長，則將導(dǎo)致拌和困難，且大量纖維會成束或結(jié)團，不能很好地分散于瀝青混合料中；若過短，則不能很好地發(fā)揮連接作用，抗拉拔能力弱。綜合考慮并結(jié)合相關(guān)研究［6］，本次試驗選取玄武巖纖維長度為6 mm，其技術(shù)指標見表2。

1.3集料和集料級配

粗、細集料均采用玄武巖，堅硬無雜質(zhì)。礦粉為石灰石磨制而成，無結(jié)團現(xiàn)象。粗、細集料及填料基本技術(shù)指標均按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的相關(guān)試驗方法進行測試，其各級粒徑集料的測試結(jié)果見表3和表4。根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，本次試驗采用AC-13型級配范圍的中值，其級配范圍及合成級配曲線見表5和圖1。此外，采用相同礦料級配對不同摻量的玄武巖纖維瀝青混合料進行對比試驗，以尋求玄武巖纖維的最佳摻量，分析玄武巖纖維對瀝青混合料路用性能的改善效果。

表2　玄武巖纖維的技術(shù)指標

表3　粗集料基本技術(shù)指標

表4　細集料基本技術(shù)指標

表5　AC-13瀝青混合料級配組成

圖1　AC-13合成級配曲線

圖2　玄武巖纖維摻量對動穩(wěn)定度的影響

1.4最佳油石比確定

通過馬歇爾試驗確定最佳油石比。以5組油石比進行試驗，試件采用雙面擊實75次。馬歇爾試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維混合料的最佳油石比為5.0%。

2　纖維混合料路用性能

2.1纖維瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

夏季高溫時，在汽車荷載的反復(fù)作用下，瀝青混合料路面會產(chǎn)生推移、擁包、車轍等高溫變形，不僅影響行車安全，而且還會縮短瀝青路面的使用壽命［9］。因此，分析玄武巖纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性是十分必要的。本次試驗按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中車轍試驗方法來評價玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，其中動穩(wěn)定度的計算公式為：

式中：DS為動穩(wěn)定度；t1、t2均為荷載輪作用時間，t1=45 min，t2=60 min；d1為t1時的車轍深度；d2為t2時的車轍深度。

試驗結(jié)果見表6和圖2。

表6　玄武巖纖維瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果

從圖2可以看出，與普通瀝青混合料相比，玄武巖纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯提高，經(jīng)過車轍試驗后的輪轍深度也有所減小，且當玄武巖纖維摻量為0.15%時，其動穩(wěn)定度最大，呈現(xiàn)峰值，此時輪轍深度最小?？梢姡瑩郊有鋷r纖維有效改善了瀝青混合料的高溫性能，提高了瀝青混合料的抗剪切能力，且玄武巖纖維的最佳摻量為0.15%。

玄武巖纖維在瀝青基體內(nèi)是三向隨機分布的，縱橫交錯的纖維所形成的纖維骨架網(wǎng)和結(jié)構(gòu)瀝青網(wǎng)能有效提高瀝青混合料的強度參數(shù)，并起到傳遞應(yīng)力的作用。當玄武巖纖維摻量低于0.15%時，纖維在混合料中的分布相對均勻，但此時纖維絲數(shù)量較少，在試件體中的空間密度小，形成的局部空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳遞應(yīng)力的能力弱，因此混合料的高溫穩(wěn)定性較低；當纖維摻量高于0.15%時，玄武巖纖維在瀝青混合料中會出現(xiàn)絲束及結(jié)團現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)瀝青相對減少，導(dǎo)致混合料的高溫穩(wěn)定性下降；當玄武巖纖維摻量為0.15%時，纖維骨架網(wǎng)和結(jié)構(gòu)瀝青網(wǎng)都處于理想的范圍，所以混合料的高溫穩(wěn)定性得到大幅度提高。

2.2纖維瀝青混合料低溫穩(wěn)定性

瀝青路面低溫收縮裂縫是造成瀝青路面損壞的主要原因之一，是目前尚未完全解決的道路病害問題之一，受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注［10］。路面產(chǎn)生裂縫后，會加劇水損害的破壞程度，降低路面的使用壽命。瀝青混合料的低溫性能主要與混合料的組成設(shè)計及原材料性質(zhì)有關(guān)。評價瀝青低溫穩(wěn)定性的方法主要有小梁彎曲試驗和間接拉伸試驗。間接拉伸試驗方法簡單易行，且試件完整性較好，故本次試驗采用間接拉伸試驗法來評價玄武巖纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果見表7和圖3～5。

從圖3可知，摻加玄武巖纖維能一定程度提高瀝青混合料的劈裂破壞強度，但總體上影響不大。這是因為在低溫時，瀝青混合料基體的粘結(jié)力非常大，此時瀝青混合料在抵抗外力破壞時主要依賴于自身的粘結(jié)力，而非纖維的增強作用。從圖4和圖5可以看出，摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料的破壞勁度模量大大減小，破壞應(yīng)變明顯提高，即玄武巖纖維瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性高于普通瀝青混合料，且玄武巖纖維的最佳摻量為0.15%。

表7　玄武巖纖維瀝青混合料低溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果

圖3　玄武巖纖維摻量對劈裂破壞強度的影響

圖4　玄武巖纖維摻量對破壞勁度模量的影響

圖5　玄武巖纖維摻量對破壞應(yīng)變的影響

玄武巖纖維的存在會有效阻止瀝青混合料內(nèi)部微裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，提高瀝青混合料的受力變形值，增加低溫時的韌性，改善瀝青混合料的低溫脆性。當纖維摻量低于0.15%時，纖維在混合料中形成的纖維骨架網(wǎng)相對較小，且纖維絲數(shù)量相對較少，加筋作用有限。隨著纖維摻量增大，瀝青混合料中的纖維骨架網(wǎng)會擴大，纖維絲數(shù)量相應(yīng)增多，加筋作用明顯。當纖維摻量超過0.15%時，纖維絲將出現(xiàn)彎曲、結(jié)團，彎曲會導(dǎo)致纖維的有效長度變短，纖維結(jié)團會增加混合料內(nèi)部的先天損傷，因此混合料的低溫穩(wěn)定性逐漸下降。當纖維摻量為0.15%時，承受拉應(yīng)力的纖維絲較多，纖維骨架網(wǎng)較理想，玄武巖纖維的高韌性使混合料的低溫穩(wěn)定性顯著提高。

2.3纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性

水損害是瀝青混凝土路面早期病害中最常見的一種病害。水損害是指在水及行車荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生的動水壓力會加劇裂紋擴展，并降低瀝青與集料的粘附性能，致使瀝青路面破壞，主要表現(xiàn)為路面掉粒、麻面、松散、坑槽等現(xiàn)象。瀝青混合料抵抗水損害的能力用水穩(wěn)定性評價，水穩(wěn)定性越好，瀝青路面抵抗水損害的能力就越強［11］。根據(jù)JTG F40—2004的要求，本文通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見表8和圖6、圖7。

從圖6和圖7可以看出，摻加玄武巖纖維的瀝青混合料浸水48 h后其馬歇爾穩(wěn)定度和凍融循環(huán)后的劈裂強度均有所提高，混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比都明顯增大，說明玄武巖纖維瀝青混合料具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性。由于玄武巖纖維親水性差，可避免其在界面發(fā)生膨脹，因此混合料的水穩(wěn)定性得以提高。

從試驗結(jié)果還可以看出，玄武巖纖維的加入能有效降低瀝青混合料對水的敏感性，表明纖維與瀝青有較高的界面能，能有效降低水的置換作用，保護瀝青混合料在有水狀況下的宏觀性能，并延緩瀝青路面發(fā)生水損害。由于玄武巖纖維本身的成分與集料成分類似，不是親水性石料，只是形狀上的改變，故其不僅與瀝青混合料的相容性良好，而且還能彌補集料本身因形狀而造成的粘結(jié)不足。

綜合考慮玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性，選擇纖維摻量為0.15%時玄武巖纖維瀝青混合料能獲得較優(yōu)良的綜合路用性能。

表8　玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

圖6　玄武巖纖維摻量對殘留穩(wěn)定度的影響

圖7　玄武巖纖維摻量對凍融劈裂強度比的影響

3　結(jié)論

本文介紹了針對不同摻量的玄武巖纖維瀝青混合料分別進行的車轍試驗、低溫間接拉伸試驗及浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，并將玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能與普通AC-13瀝青混合料的路用性能進行了對比，得到如下結(jié)論：

1）玄武巖纖維能增大瀝青混合料的動穩(wěn)定度，改善瀝青混合料的高溫性能，提高瀝青混合料的抗剪切能力。

2）玄武巖纖維能增大瀝青混合料的劈裂破壞強度、變形量和破壞應(yīng)變，提高瀝青混合料的低溫抗開裂能力。

3）玄武巖纖維瀝青混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比有所增加，水穩(wěn)定性能得到提高。

4）當玄武巖纖維的摻量為0.15%時，瀝青混合料能獲得最佳的綜合路用性能。

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Study on Road Performance Test of Basalt Fiber Asphalt Mixture

XIONG Gang1，ZHANG Hang2

The basalt fiber asphalt mixture has premium technical performance and is becoming a focus in road engineering.We use wheel track test，indirect tensile test，Immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test to evaluate the high temp.stability，low temp.stability and water stability of basalt fiber asphalt mixture with different proportion of fiber mixing.Test results show：comparing with common AC-13 asphalt mixture，asphalt mixture added with basalt fiber has better high/low temperature stability and water stability.The asphalt mixture obtains best comprehensive road performance when the basalt fiber mixing rate is 0.15%.

road project；basalt fiber asphalt mixture；fiber mixing amount；road performance test

1009-6477（2016）04-0026-05

U416.217

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.006

重慶交通大學研究生教育創(chuàng)新基金項目（20150103）

2016-03-14

熊剛（1970-），男，四川省樂至縣人，本科，高工。