孟秀元

（山西路橋集團(tuán) 陽(yáng)蟒高速公路有限公司，山西 陽(yáng)城 048100）

0 引言

隨著我國(guó)高速公路的發(fā)展，原材料消耗巨大，礦質(zhì)石料的使用逐年增加。以往的工程之中大多將礫石用于鋪筑基層或低等級(jí)公路的面層，因此如何將礫石用于路面鋪筑研究具有十分重要的意義。在瀝青混合料中添加纖維，纖維在其間可以起到加筋、吸附、穩(wěn)定等作用，有效提高瀝青混合料的抗拉性能、低溫開裂性能；另外，纖維具有比表面積大的特點(diǎn)，其可以有效地減小瀝青路面泛油，提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。目前，我國(guó)在工程中大量使用的纖維包括聚合物纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和石棉纖維。鑒于玄武巖纖維具有使用溫度范圍較廣，物理、化學(xué)性能較好的特點(diǎn)[1]，本文擬采用在礫石瀝青混合料中加入玄武巖纖維，以研究其配合比設(shè)計(jì)方法及路用性能。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 玄武巖纖維礫石瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法研究

礫石是一種酸性集料，礫石與瀝青的黏附性不好，應(yīng)用于瀝青面層時(shí)極易發(fā)生水損害，從而導(dǎo)致道路損害[2]。而玄武巖纖維的摻量和施工工藝對(duì)礫石瀝青混合料的路用性能又有很大的影響[3]。因此，在進(jìn)行玄武巖纖維礫石瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該著重考慮以下幾點(diǎn)：

a）鑒于礫石在瀝青路面面層中的應(yīng)用還很少，且礫石與瀝青的黏附性較差，易造成水損害。本文只考慮玄武巖纖維礫石瀝青混合料下面層混合料的配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)玄武巖纖維礫石瀝青混合料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出玄武巖纖維礫石瀝青混合料瀝青路面面層的設(shè)計(jì)指標(biāo)[4]；具體將玄武巖纖維礫石瀝青混合料應(yīng)用于其他面層時(shí)，應(yīng)該綜合考慮瀝青路面的交通量和氣候、地質(zhì)條件，根據(jù)面層所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

b）考慮到礫石的特殊集料性質(zhì)，在進(jìn)行瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該選擇合適的級(jí)配類型，并考慮到礦粉的用量以及是否需要添加堿性集料以改善混合料的性能。

c）在通過(guò)玄武巖纖維尺寸和摻量的優(yōu)選后，應(yīng)該以最佳摻量為中心，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定不同玄武巖纖維摻量下的瀝青用量，并分析玄武巖纖維摻量與馬歇爾指標(biāo)之間的關(guān)系。

d）確定原材料類型、礦料級(jí)配、最佳瀝青用量后，應(yīng)該進(jìn)行玄武巖纖維礫石瀝青混合料路用性能的研究，研究玄武巖纖維摻量與礫石瀝青混合料路用性能之間的關(guān)系。

1.2 原材料

本試驗(yàn)采用的玄武巖纖維是陜西奧卡抗裂纖維廠生產(chǎn)的，通過(guò)對(duì)玄武巖纖維尺寸和摻量的優(yōu)選，本試驗(yàn)采用的玄武巖纖維的規(guī)格均為直徑17 um，長(zhǎng)度6 mm；鑒于礫石是酸性集料，不能簡(jiǎn)單地用瀝青膠漿試驗(yàn)結(jié)果所得的玄武巖纖維最佳摻量作為配合比設(shè)計(jì)的最佳玄武巖纖維摻量，因此取玄武巖纖維的摻量為0.3%、0.35%、0.4%、0.45、0.5%。

本試驗(yàn)所用的礦粉是夏河安多建材制品有限公司生產(chǎn)的石灰石礦粉，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果得知，玄武巖纖維礫石瀝青混合料設(shè)計(jì)所用礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）中（T 0352—2005）相關(guān)規(guī)定要求，可將其用于玄武巖纖維礫石瀝青混合料設(shè)計(jì)當(dāng)中。

本試驗(yàn)采用的瀝青為中海油生產(chǎn)的70號(hào)重交通瀝青，經(jīng)檢驗(yàn)，瀝青的技術(shù)規(guī)格符合規(guī)范要求。

用于瀝青混合料設(shè)計(jì)的集料主要由天然礫石破碎而成，首先通過(guò)篩分試驗(yàn)對(duì)破碎礫石的級(jí)配進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 破碎礫石集料篩分?jǐn)?shù)據(jù) %

經(jīng)檢測(cè)，破碎礫石的級(jí)配符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42－2005）中對(duì)瀝青混合料級(jí)配的要求，可以滿足玄武巖纖維礫石瀝青混合料設(shè)計(jì)的要求。

1.3 玄武巖纖維礫石瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

鑒于礫石的特殊性能，在以往的道路建設(shè)中，礫石幾乎不用于瀝青路面的面層之中，本試驗(yàn)將只對(duì)應(yīng)用于瀝青路面下面層的AC-25礫石瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合表1中對(duì)破碎礫石的篩分情況，采用貝雷法對(duì)AC-25礫石瀝青混合料的級(jí)配進(jìn)行推薦設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如表2、圖1所示，其中：1號(hào)20～30 mm，2號(hào) 10～20 mm，3號(hào) 5～10 mm，4 號(hào) 3～5 mm，5號(hào)0～3 mm。

圖1 礫石瀝青混合料AC-25推薦級(jí)配曲線圖

在貝雷法級(jí)配設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于公稱最大粒徑為25 mm的混合料，其四級(jí)控制篩孔分別為9.5 mm、4.75 mm、1.18 mm以及0.3 mm。結(jié)合實(shí)體工程下面層混合料類型以及設(shè)計(jì)范圍，推薦貝雷三參數(shù)CA、FAC和 FAf的取值范圍分別為 0.60～0.80、0.50～0.55、0.55～0.65。由推薦級(jí)配在各級(jí)控制篩孔的通過(guò)率可以計(jì)算出貝雷三參數(shù)取值如表3所示。

表2 礫石瀝青混合料AC-25級(jí)配擬選 %

表3 AC-25級(jí)配貝雷三參數(shù)取值

1.4 最佳瀝青用量的確定

在確定玄武巖纖維礫石瀝青混合料的礦料級(jí)配后，還需要分別對(duì)不同玄武巖纖維摻量下的最佳油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)確定[5]。

以優(yōu)選出的玄武巖纖維最佳摻量為中心，分別取玄武巖纖維的摻量為0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照擬定的級(jí)配曲線成型試件，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。每組玄武巖纖維摻量分別以3.4%、3.7%、4.0%、4.3%、4.6%五個(gè)油石比進(jìn)行試件成型，并計(jì)算瀝青混合料的最佳油石比，如表4所示。

表4 玄武巖纖維摻量對(duì)應(yīng)的最佳油石比 %

玄武巖纖維不同摻量下的最佳油石比確定后，按照最佳油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，在最佳瀝青用量下進(jìn)行馬歇爾指標(biāo)的檢測(cè)，試驗(yàn)過(guò)程如下。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011中對(duì)馬歇爾試驗(yàn)的要求，首先通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到馬歇爾試件的高度，并確定其總質(zhì)量。再通過(guò)貝雷法所得到的礦料級(jí)配，分別計(jì)算每檔料的總質(zhì)量，均勻混合后，將其放入烘箱內(nèi)部，在175℃的溫度條件下恒溫6 h以上；同時(shí)，將瀝青也加熱至175℃。然后，先將礦質(zhì)混合料倒進(jìn)拌鍋，再倒入玄武巖纖維，干拌30 s，再倒進(jìn)瀝青濕拌60 s；然后把玄武巖纖維礫石瀝青混合料倒入試模并碾壓成型，將試件冷卻并在24 h后脫模，然后測(cè)定并計(jì)算其毛體積密度，空隙率VV，瀝青飽和度VFA，礦料間隙率VMA，并用穩(wěn)定度儀測(cè)量試件的穩(wěn)定度和流值。

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同玄武巖纖維摻量下的馬歇爾指標(biāo)

由表5可知，隨著纖維摻量的不斷增加，最佳瀝青用量、流值、空隙率、礦料間隙率均逐漸增大，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了，隨著玄武巖纖維摻量的繼續(xù)增加，最佳瀝青用量增長(zhǎng)的幅度減緩。另外，隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料的毛體積密度減小，馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小，在玄武巖纖維摻量為0.4%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大值，同時(shí)其他的馬歇爾指標(biāo)均滿足要求。

2 玄武巖纖維礫石瀝青混合料路用性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單便捷的高溫性能試驗(yàn)方法，本試驗(yàn)采用車轍試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維礫石瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。

取玄武巖纖維的摻量為0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011中的車轍試驗(yàn)方法分別成型試件，并對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生24 h。

車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同玄武巖纖維摻量的礫石瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

圖2 玄武巖纖維摻量與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系折線圖

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加玄武巖纖維可以大幅度地提升礫石瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度；并且隨著玄武巖纖維摻量的增大，礫石瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大，在玄武巖纖維的摻量為0.4%時(shí)達(dá)到峰值，這表明：玄武巖纖維可以有效地提升礫石瀝青混合料的高溫性能，且當(dāng)玄武巖纖維的摻量為0.4%時(shí)，礫石瀝青混合料的高溫性能最佳。

2.2 低溫穩(wěn)定性

玄武巖纖維礫石瀝青混合料的低溫抗裂性是非常重要的路用性能，本文簡(jiǎn)便便捷且試驗(yàn)價(jià)值較大的小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行玄武巖纖維礫石瀝青混合料低溫性能的檢測(cè)。

取玄武巖纖維的摻量為0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011中的小梁彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)方法分別成型試件。小梁彎曲試驗(yàn)由輪子碾壓成型的車轍板切割而制成，試件成型后，在恒溫箱中保持溫度約6 h，試驗(yàn)時(shí)的低溫溫度為零下10℃，所使用的加載機(jī)器為MTS-810試驗(yàn)機(jī)。

小梁彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同玄武巖纖維摻量下的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖3 玄武巖纖維摻量與最大彎拉應(yīng)變的關(guān)系

圖4 玄武巖纖維摻量與抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)表7、圖3、圖4的小梁彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，分析可知隨著玄武巖纖維摻量的增加，玄武巖纖維礫石瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變逐漸增大，在玄武巖纖維的摻量達(dá)到0.45%時(shí)到達(dá)峰值，比不摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變提升了約27.1%；但當(dāng)玄武巖纖維的摻量大于0.45%后，玄武巖纖維礫石瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變又逐漸下降，但仍然遠(yuǎn)大于不摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料。

小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明：玄武巖纖維可以有效地改善礫石瀝青混合料的低溫性能，玄武巖纖維礫石瀝青混合料的低溫性能可以滿足規(guī)范要求，而被應(yīng)用于瀝青路面的下面層中。

2.3 水穩(wěn)定性

本文采用凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，取玄武巖纖維的摻量為0、0.3%、0.35%、0.4%、0.45%、0.5%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011中的凍融劈裂試驗(yàn)方法分別成型兩組試件，每組試件各3個(gè)，試件的擊實(shí)次數(shù)是兩面各50次，試驗(yàn)時(shí)的溫度保持在25℃，加載的速率保持在50 mm/min，用MTS-810萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

不同玄武巖纖維摻量下的礫石瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8、圖5所示。

表8 纖維礫石瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖5 纖維礫石瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比

由表8、圖5得知，摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比均高于沒有摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料，這表明在礫石瀝青混合料中摻加玄武巖纖維不但可以提高礫石瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度，還可以提高礫石瀝青混合料抵抗凍融水損害的能力。

3 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)可知，玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%，當(dāng)玄武巖纖維的摻量為0.4%時(shí)，礫石混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大，且比不摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料其動(dòng)穩(wěn)定度提升了約50%。而且通過(guò)小梁彎曲試驗(yàn)可知，當(dāng)玄武巖纖維的最佳摻量為0.4%時(shí)，其低溫抗裂性最好，且其凍融劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比也高于沒有摻加玄武巖纖維的礫石瀝青混合料，達(dá)到峰值89.4%。