1 引言

瀝青混合料對(duì)應(yīng)力和溫度等較為敏感， 導(dǎo)致瀝青混合料路面容易出現(xiàn)車轍和裂縫等病害， 不利于路面的使用性能[1]。玄武巖纖維是新型環(huán)保礦物纖維，具備強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在瀝青混合料中摻入玄武巖纖維可以起到加筋和增韌等效果，使混合料各項(xiàng)性能有效提高，但當(dāng)前對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的設(shè)計(jì)研究仍不夠全面和深入。 基于此，本文將以長(zhǎng)沙市瀟湘北路為研究對(duì)象， 通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)和劈裂破壞試驗(yàn)、高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)等開展玄武巖纖維瀝青混合料的設(shè)計(jì)研究。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料性能

粗集料選用碎石或軋制的碎礫石， 表面層采用玄武巖或輝綠巖，細(xì)集料選用機(jī)制砂、天然砂以確保石料強(qiáng)度。 礦粉采用石灰石等堿性石料磨細(xì)的石粉[2]。綜合考慮長(zhǎng)沙市夏季溫度較高且有較多重載交通等，選用AC-13 作為混合料級(jí)配，合成級(jí)配見表1。

表1 AC-13 瀝青混合料骨料級(jí)配

按照所得到得骨料級(jí)配和相對(duì)密度可計(jì)算得到合成礦料的相對(duì)密度分別是：毛體積相對(duì)密度2.73、表觀相對(duì)密度2.79和有效相對(duì)密度2.77。

本文所用瀝青為SBS 改性瀝青， 所用玄武巖纖維為玄武巖短切纖維，長(zhǎng)度6 mm。

2.2 瀝青混合料最佳油石比

2.2.1 試件制備

根據(jù)JTG E20—2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 有關(guān)要求制備馬歇爾試件， 具體尺寸為φ101.5 mm×63.6 mm。 首先，以擊實(shí)試驗(yàn)確定試件高度，明確原材料總質(zhì)量， 再在105 ℃±5 ℃的烘箱中放入適量集料烘干4~6 h 直到恒重，再根據(jù)所得合成級(jí)配稱取各檔集料質(zhì)量，再在盤中均勻混合。 在加熱到180 ℃的烘箱中放入一組4 個(gè)試樣的集料以做備用， 并在烘箱中放入SBS 改性瀝青加熱到165 ℃以做備用， 最后進(jìn)行混合料拌和。 為使纖維均勻分布到瀝青混合料中，瀝青混合料拌和流程為：加熱集料、玄武巖纖維至180 ℃并一同放入拌和機(jī)干拌30 s；加入SBS 改性瀝青并濕拌60 s，加入礦粉并拌和90 s， 總拌和時(shí)間應(yīng)和普通混凝土拌和時(shí)間相同。 最后，將拌和后混合料倒入試模冷卻到140~150 ℃，采用馬歇爾擊實(shí)儀進(jìn)行75 次擊實(shí)，試模橫向放置直到冷卻至室溫，脫模后即可得到馬歇爾試件[3]。

2.2.2 馬歇爾試驗(yàn)

在60 ℃±1 ℃的恒溫水槽中放入同組4 個(gè)試件進(jìn)行浸水保溫，并將試驗(yàn)儀上下壓頭放進(jìn)烘箱中加溫到相同溫度。 在保溫35 min 后，在馬歇爾穩(wěn)定度儀上放置試件，以測(cè)出其穩(wěn)定度和流值，以50 mm/min±5 mm/min 作為加載速度。

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)獲取最佳油石比：先基于現(xiàn)有研究預(yù)估，選擇以5%作為最佳油石比， 馬歇爾試驗(yàn)中共有5 級(jí)油石比，每組有0.5%間隔值，由4%變化到6%。 以不加入玄武巖纖維的SBS 改性瀝青混合料為依托， 探討計(jì)算最佳瀝青用量的流程。 從結(jié)果看，馬歇爾試件的毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度以及礦料間隙率隨著不斷變化的油石比而有一個(gè)極值。 隨著不斷增大的油石比，孔隙率不斷減??；隨著不斷增大的瀝青用量，瀝青飽和度和流值不斷增大。

計(jì)算在0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的玄武巖纖維摻量下，不同油石比條件下SBS 改性瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，其中，干密度最大值、穩(wěn)定度最大值、目標(biāo)孔隙率中值、瀝青飽和度范圍的中值4 項(xiàng)相加平均值為OAC1；最小瀝青用量為、最大瀝青用量為、 最小瀝青用量與最大瀝青用量平均值為OAC2，OAC1與OAC2平均值為最佳瀝青用量OAC，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果匯總

從結(jié)果看， 混合料的最佳瀝青用量隨著不斷增加的玄武巖纖維摻量而不斷增大， 表明玄武巖纖維的瀝青吸附能力較強(qiáng)，隨著不斷增加的纖維摻量，使其比表面積不斷增大，也使所需瀝青總量不斷增大。在0%~0.3%的纖維摻量下，最佳油石比在纖維量增長(zhǎng)0.1%時(shí)隨之增長(zhǎng)0.06%； 在0.3%~0.5%的纖維摻量下，最佳油石比在纖維量增長(zhǎng)0.1%時(shí)隨之增長(zhǎng)0.07%。

2.3 最佳油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步探討瀝青混合料性能和玄武巖纖維摻量的聯(lián)系，和瀝青混合料在最佳瀝青用量下各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足要求，本文將簡(jiǎn)要探討最佳油石比下瀝青混合料各項(xiàng)性能受玄武巖纖維摻量變化的影響。

依托標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，通過(guò)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》所提供試驗(yàn)方法開展各項(xiàng)測(cè)試，各組均設(shè)置4 個(gè)平行試樣。 從結(jié)果看，SBS 改性瀝青混合料穩(wěn)定度值隨著不斷增加的玄武巖纖維摻量呈現(xiàn)先上升后降低的變化規(guī)律，在0.4%摻量時(shí)有最大值。 但纖維量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致聚結(jié)成團(tuán)的情況，進(jìn)而減小穩(wěn)定度值。 觀察0.5%玄武巖摻量時(shí)，瀝青混合料拌和后攪拌器上殘余情況可知，纖維摻量越多時(shí)，拌和時(shí)纖維結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象越嚴(yán)重。 此外，瀝青量的增長(zhǎng)會(huì)增加自由瀝青含量，導(dǎo)致穩(wěn)定度值有所減小。

隨著玄武巖纖維摻量的變化，流值也不斷變化，但兩者變化規(guī)律不顯著，原因在于流值自身離散性較大；隨玄武巖纖維摻量的變化， 玄武巖纖維瀝青混合料毛體積相對(duì)密度表現(xiàn)出先上升后減小的規(guī)律，在0.3%的纖維摻量下有最大值，但繼續(xù)增加纖維摻量時(shí)毛體積相對(duì)密度會(huì)不斷減小， 且最終要比不摻入纖維時(shí)的毛體積相對(duì)密度要小；在0.3%的玄武巖纖維摻量下，空隙率有最小值，且纖維摻入后，瀝青混合料孔隙率要小于不摻入纖維時(shí)的情況， 說(shuō)明玄武巖纖維可填充瀝青混合料部分空隙。

3 玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能

3.1 劈裂破壞性能

SBS 改性瀝青混合料在摻入纖維后的劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞拉伸應(yīng)變均出現(xiàn)增長(zhǎng)，其中，通過(guò)劈裂抗拉強(qiáng)度表示材料抗拉性能，通過(guò)破壞拉伸應(yīng)變表示材料拉伸韌性[4]。 纖維摻量不同時(shí)，SBS 改性瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度從小到大排序?yàn)椋?%＜0.2%＜0.5%＜0.3%＜0.4%；破壞拉伸應(yīng)變?yōu)椋?%＜0.2%≈0.3%＜0.5%＜0.4%。 說(shuō)明SBS 改性瀝青混合料在0.4%的纖維摻量下的抗拉性能和韌性最佳。 SBS 改性瀝青的強(qiáng)度和應(yīng)變?cè)谛鋷r纖維加入后均有所提高， 原因在于玄武巖纖維在混合料中構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)，且纖維“拉筋作用”可分擔(dān)部分拉應(yīng)力， 加強(qiáng)各部分錨固， 增強(qiáng)了瀝青混合料的強(qiáng)度及拉伸應(yīng)變。 以劈裂應(yīng)變能密度臨界值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，不同玄武巖纖維摻量下混合料抗裂性能從小到大的排序?yàn)?%＜0.3%≈0.2%＜0.5%＜0.4%，類似于以破壞拉伸應(yīng)變作為指標(biāo)所得到結(jié)果。

3.2 高溫穩(wěn)定性

3.2.1 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果（平均值）

從結(jié)果看， 瀝青混合料中玄武巖纖維的摻入可以使其動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)值有1 倍以上的增長(zhǎng)， 使其高溫抗變形性能有顯著提高，且在0.3%的玄武巖纖維摻量下有最顯著的動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)。以動(dòng)穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，不同玄武巖纖維摻量下SBS 改性瀝青混合料從小到大的排序?yàn)椋?%＜0.2%＜0.5%＜0.4%＜0.3%。 此外，從永久變形數(shù)據(jù)看，在0.3%的玄武巖纖維摻量下，經(jīng)過(guò)1 h 重復(fù)的輪碾后，車轍板試件的永久變形最小。

3.2.2 重復(fù)加載永久變形試驗(yàn)

由圖2 可知，在重復(fù)加載條件下，玄武巖纖維瀝青混合料的應(yīng)變隨著不斷荷載作用次數(shù)的增加而增大； 在60 ℃時(shí)，瀝青混合料在不同纖維摻量下的應(yīng)變都表現(xiàn)出和蠕變過(guò)程相似的壓密變形、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)變形和破壞3 個(gè)階段的變形特征；纖維的摻入導(dǎo)致瀝青混合料的永久變形有所減小。 此外，在0.3%的玄武巖纖維摻量下有最小的變形， 即此時(shí)有最佳的高溫抗永久變形能力。 纖維含量不同時(shí)的瀝青混合料有不同的高溫累計(jì)永久應(yīng)變，在0.3%的纖維摻量下有最小的高溫永久應(yīng)變。

圖2 60 ℃時(shí)變形與加載次數(shù)關(guān)系曲線

3.2.3 高溫動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

高溫動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 60 ℃下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量| E*| 測(cè)試結(jié)果

從上述3 種試驗(yàn)的結(jié)果看： 瀝青混合料的高溫性能在摻入玄武巖纖維后有顯著增長(zhǎng)，在0.3%的玄武巖纖維摻量下有最佳的抗車轍性能，從累計(jì)永久應(yīng)變和動(dòng)態(tài)模量看，抗車轍性能排名相同， 從高到低分別是0.3%＞0.4%＞0.2%＞0.5%＞0%，而從動(dòng)穩(wěn)定度看，抗車轍性能排名為0.3%＞0.4%＞0.5%＞0.2%＞0%，分析原因可知：平板試件加載平面更大，纖維在各加載方向上的分布有所不同。

從結(jié)果看， 動(dòng)態(tài)模量、 累計(jì)永久應(yīng)變和動(dòng)穩(wěn)定相關(guān)性較好，三者直接相關(guān)系數(shù)均在0.8 以上，說(shuō)明結(jié)果具備一致性，都能較好反映瀝青混合料的高溫性能。

4 結(jié)語(yǔ)