宋書(shū)彬

（鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州450000）

玄武巖纖維是通過(guò)玄武巖礦石在1450℃～1500℃條件下呈熔融狀態(tài)時(shí)拉絲形成的一種無(wú)機(jī)環(huán)保型材料，它具有強(qiáng)度高、耐久性好、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，玄武巖纖維加入瀝青中可增強(qiáng)瀝青混合料的高溫、低溫和耐疲勞性能。Morova 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以大幅度改善混合料的高溫抗車(chē)轍變形性能[1]；Liu 等研究了不同纖維對(duì)瀝青及其混合料的低溫性能變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠使瀝青或?yàn)r青混合料的低溫性能得到提升[2]；陳建榮等利用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析驗(yàn)證了玄武巖纖維瀝青混合料具備優(yōu)良的耐疲勞特性[3]。但大量研究結(jié)果表明，玄武巖纖維對(duì)于瀝青混合料的抗水損害性能不佳[4-5]。

硅藻土本質(zhì)上是一種含有較多微空隙的沉積巖，其有著比表面積大、熱穩(wěn)定性好、吸附性強(qiáng)的特點(diǎn)。相關(guān)研究表明硅藻土用于瀝青路面材料中具有很好的路用性能，集中體現(xiàn)在低溫抗裂性和抗水損害性能[6-7]。關(guān)于硅藻土改性瀝青與玄武巖纖維改性瀝青，及其混合料的性能研究比較多，但是對(duì)于兩種摻加劑復(fù)合改性的研究很少，本文基于兩種材料的各自特點(diǎn)，擬通過(guò)硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青，研究其對(duì)瀝青路面各方面路用性能的影響規(guī)律，以期這種復(fù)合材料能夠在瀝青路面的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用70#A 級(jí)石油瀝青，瀝青的技術(shù)性質(zhì)都滿足規(guī)范要求，見(jiàn)表1。

表1 A-70# 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of A-70# base asphalt

粗集料采用性能較好的石灰?guī)r，表觀相對(duì)密度2.688，洛杉磯磨耗值為10.1%，壓碎值為12.4%，針片狀含量是4.9%。細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，其表觀相對(duì)密度為2.722，含泥量為1.15%。填料是石灰?guī)r磨細(xì)后的礦粉，其表觀相對(duì)密度為2.783，含泥量是0.19%。經(jīng)試驗(yàn)，礦料的各項(xiàng)性質(zhì)都滿足規(guī)范要求。硅藻土為臨江市某化工公司產(chǎn)，主要成分為SiO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.34%，還含有Al2O3、Fe2O3和CaO 等成分，其用量為瀝青用量的11%～13%。玄武巖纖維選擇常州某公司產(chǎn)的短切纖維，纖維長(zhǎng)6mm，廠家推薦用量范圍為0.2%～0.4%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料級(jí)配采用AC-13 型級(jí)配中值，見(jiàn)表2。按照馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比的方法確定基質(zhì)瀝青、硅藻土改性瀝青、玄武巖纖維改性瀝青及硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青等四種瀝青混合料的最佳油石比為4.7%、5.0%、5.1%、5.3%。其中硅藻土和玄武巖纖維已根據(jù)前期大量室內(nèi)試驗(yàn)確定，硅藻土最佳用量為12%，玄武巖纖維最佳用量為0.3%。

表2 AC-13 礦料級(jí)配Table 2 AC-13 Mineral aggregate gradation

2 混合料性能試驗(yàn)研究

2.1 高溫性能

瀝青混合料作為一種粘塑性材料，在高溫及車(chē)輪荷載共同作用下會(huì)發(fā)生塑性變形，路面出現(xiàn)車(chē)轍、擁包等形式的破壞。為緩解或避免病害的發(fā)生，在鋪筑瀝青路面前應(yīng)選用高溫性能好的瀝青混合料，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行大量試驗(yàn)驗(yàn)證。評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的方法比較多，本文采用國(guó)內(nèi)廣泛使用的車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)溫度選擇60℃，采用42min 至60min 之間產(chǎn)生的車(chē)轍變形量對(duì)應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 和圖1。

表3 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of rutting test

圖1 四種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.1 Dynamic stability of four kinds of mixture

從圖1 和表3 可以發(fā)現(xiàn)，四種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度從小到大分別是70# 基質(zhì)瀝青＜玄武巖纖維＜硅藻土＜復(fù)合改性瀝青，單摻硅藻土或玄武巖纖維時(shí)，硅藻土改性瀝青混合料和玄武巖纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于70# 基質(zhì)瀝青分別提高了102%、48%。硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大，是70#基質(zhì)瀝青的2.45 倍。說(shuō)明硅藻土和玄武巖纖維都可以改善瀝青混合料的高溫性能，其中硅藻土的改善效果更明顯。一方面，由于硅藻土加入瀝青中依靠其自身的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能夠吸附瀝青中的輕質(zhì)組分和自由瀝青，使結(jié)構(gòu)瀝青的比重增加，從而增加了瀝青膠結(jié)料的粘度，提高了感溫性能。除此之外，硅藻土具有比表面積大的特點(diǎn)，摻入瀝青后，提高了瀝青膠結(jié)料與集料的界面粘結(jié)力[8]。另一方面，玄武巖纖維加入瀝青后可以與瀝青形成相互纏繞的三維密集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一定程度上降低了瀝青的流動(dòng)性，不但增加了瀝青的黏度，加強(qiáng)了瀝青與集料的界面力，而且可以起到加筋阻裂的效果。硅藻土與玄武巖纖維發(fā)揮各自的特點(diǎn)共同作用改善了瀝青混合料的高溫抗變形能力，使硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能得到最顯著的提升。

2.2 低溫性能

在氣溫急劇變化時(shí)，路面會(huì)因?yàn)闇乜s應(yīng)力的積累而開(kāi)裂，通常我們稱(chēng)這種裂縫為溫縮裂縫。由于裂縫的存在，路表的水會(huì)浸入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，水一旦浸入路面內(nèi)部，就會(huì)在行車(chē)作用下形成動(dòng)水壓力，對(duì)礦料間的瀝青薄膜進(jìn)行切削和沖刷，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水損害，嚴(yán)重時(shí)使路面出現(xiàn)局部凹陷，最終出現(xiàn)網(wǎng)裂和坑槽惡化道路的行使質(zhì)量。

本文通過(guò)低溫劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂特性，試驗(yàn)溫度為-10℃，荷載施加速度為1mm/min， 直至試件破壞，得到荷載極值和豎向最大位移，從而計(jì)算出劈裂強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和勁度模量等技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4 和圖2。

表4 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of low temperature splitting test

圖2 四種混合料的低溫破壞應(yīng)變和勁度模量Fig.2 Low temperature failure strain and stiffness modulus of four mixtures

從圖2 和表4 可知，加入硅藻土或者玄武巖纖維后瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變?cè)黾樱瑒哦饶Ａ繙p小，但顯然硅藻土對(duì)低溫性能的作用效果更加顯著，硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青的破壞應(yīng)變最大，勁度模量最小。說(shuō)明硅藻土或者玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性都有一定的改善作用，硅藻土和玄武巖纖維兩種改性劑共同作用時(shí)的效果更佳。一方面，由于玄武巖纖維加入到瀝青內(nèi)部與瀝青結(jié)合在一起形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在瀝青與集料之間起到了增韌加強(qiáng)和橋接錨固的作用，瀝青路面在低溫和荷載的作用下，玄武巖纖維能夠起到抑制裂紋繼續(xù)發(fā)展的作用。另一方面，硅藻土加入瀝青后增大了瀝青膠結(jié)料的薄膜厚度，提高了瀝青與集料的粘附性，而且硅藻土具備多孔性質(zhì)，多余的自由瀝青會(huì)浸入孔隙內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)瀝青，提高了瀝青膠結(jié)料與集料的機(jī)械咬合力，改善了混合料的低溫抗裂性。

2.3 水穩(wěn)定性

在雨季或春融季節(jié)，不可避免地會(huì)有大量的雨水流經(jīng)瀝青路面，由于車(chē)輛的沖擊荷載和自重荷載會(huì)使進(jìn)入瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙水產(chǎn)生很大的動(dòng)水壓力或負(fù)壓抽吸作用，空隙水在動(dòng)水圧力的作用下對(duì)瀝青與集料的接觸面產(chǎn)生切削和沖刷作用，使其粘附性減小，瀝青膜逐漸從集料表面脫落，最終使瀝青路面因掉粒、松散等形成水損害。特別是南方降雨量大和北方高寒積雪地區(qū)，路面水損害情況更為嚴(yán)重。

本文采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的抗水損害性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5 和圖3。

表5 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of immersion Marshall and freeze-thaw splitting

圖3 四種混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.3 Residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio of four mixtures

從圖3 和表5 可以看出，四種瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果具有一致的趨勢(shì)。加入玄武巖纖維的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比較70# 基質(zhì)瀝青都有一定程度的降低，而加入硅藻土后得到了有效的改善和提高。說(shuō)明玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的抗水損害性能起到相反的效果，硅藻土能顯著增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的抗水損害性能僅次于硅藻土改性瀝青混合料。由于加入玄武巖纖維后，部分纖維存在于瀝青和集料的結(jié)合面上，導(dǎo)致這部分結(jié)合面區(qū)域比較脆弱，水分會(huì)沿著纖維到達(dá)結(jié)合面，在低溫凍融的條件下，水分發(fā)生凍脹反應(yīng)，瀝青結(jié)合料逐漸從集料表面散落，降低了其粘附性，最終使混合料的水穩(wěn)定性變差。而硅藻土加入瀝青后吸附多余的自由瀝青形成較多的結(jié)構(gòu)瀝青，增加了瀝青的粘附性，從而改善了混合料的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)硅藻土/ 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）動(dòng)穩(wěn)定度大小依次為70# 基質(zhì)瀝青＜玄武巖纖維＜硅藻土＜復(fù)合改性瀝青，硅藻土和玄武巖纖維均能改善瀝青混合料的高溫性能，其中硅藻土的改善效果更理想。

（2）硅藻土或玄武巖纖維均可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性，硅藻土的作用效果更顯著，復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能最好。

（3）玄武巖纖維不利于瀝青混合料的抗水損害性能，硅藻土能明顯改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，摻硅藻土后的玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性有所改善。