作者簡(jiǎn)介：

梁懷?。?988—），主要從事公路橋梁工程項(xiàng)目管理方面的工作。

摘要：為了提升瀝青混凝土的路用性能，減少其在極端氣候條件下的開(kāi)裂問(wèn)題，文章通過(guò)采用不同長(zhǎng)度和摻量的玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行改良后研究其性能。結(jié)果表明：摻入玄武巖纖維可以顯著提升瀝青混凝土的高、低溫性能和水穩(wěn)定性，但是纖維長(zhǎng)度和摻量不宜過(guò)大；當(dāng)玄武巖摻量為0.3%、長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，瀝青混凝土的各項(xiàng)路用綜合性能最佳，在最佳改良方案下，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到2 150.16次/mm，殘留穩(wěn)定度達(dá)到83.3%，25 ℃、-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃下的最大彎拉應(yīng)變分別達(dá)到10 008.6 με、8 652.8 με、8 220.4 με和6 895 με，均較未摻入玄武巖纖維時(shí)有較大幅度提升。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；瀝青混凝土；動(dòng)穩(wěn)定度；殘留穩(wěn)定度；最大彎拉應(yīng)變

中圖分類號(hào)：U414 A 20 066 3

0 引言

在氣溫低、晝夜溫差大、輻射強(qiáng)、降雨多的地區(qū)，瀝青混凝土路面的耐久性會(huì)受到顯著影響，許多路段在運(yùn)行不久后出現(xiàn)面層開(kāi)裂的現(xiàn)象，不僅影響了正常使用功能，而且還增大了路面的維護(hù)費(fèi)用。因此，有必要對(duì)極端氣候地區(qū)的瀝青混凝土耐久性展開(kāi)專項(xiàng)研究［1-2］。

對(duì)瀝青混凝土耐久性進(jìn)行改良最直接的方法就是摻入外摻料，其中利用纖維高強(qiáng)、高彈以及抗拔等特性對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行改良不失為一種有效的方法［3-4］。然而傳統(tǒng)的木質(zhì)素纖維、聚酯纖維改良瀝青混凝土在上述特殊氣候條件下的耐久性表現(xiàn)并不理想，很多路面仍然出現(xiàn)了不同程度的溫度型裂縫，因此有必要尋找一種材料來(lái)替代原有的改性材料。玄武巖纖維作為一種天然纖維，具有斷裂強(qiáng)度高、吸濕性小、吸油性好、導(dǎo)熱系數(shù)低等諸多特性，對(duì)于瀝青混凝土的路用性能具有較好的改善作用，具備廣闊的應(yīng)用前景［5-7］。

本文以90#基質(zhì)瀝青、集料和礦粉作為原材料配制AC-13瀝青混凝土，然后利用不同長(zhǎng)度和摻量的玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改良，以期能為特殊氣候地區(qū)瀝青混凝土路面耐久性方面的研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

瀝青基質(zhì)：選用90#基質(zhì)瀝青，針入度（25 ℃，0.1 mm）為83，軟化點(diǎn)為46 ℃，延度（15 ℃，cm）為150。玄武巖纖維：長(zhǎng)度有3 mm、6 mm和9 mm三種，單絲直徑為11 μm，密度為2.65 g/cm3，斷裂強(qiáng)度為3 000 MPa，吸濕率為0.8%，受熱質(zhì)量損失為2%，吸油率為57%，彈性模量為100 GPa，粘結(jié)溫度為1 050 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 W/（m·K）。礦料：粒徑范圍為0～15 mm，吸水率為1.1%，含泥量為1.3%，壓碎值為21.2%。礦粉：石灰石礦粉，表觀密度為2.69 g/cm3，粒徑＜0.6 mm，其中＜0.075 mm粒徑含量為82%。

1.2 配合比方案設(shè)計(jì)

利用上述原材料，配制AC-13型瀝青混合料，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度和不同摻量玄武巖纖維試驗(yàn)組，玄武巖纖維長(zhǎng)度分為3 mm、6 mm和9 mm三種，玄武巖纖維摻量分為0.1%、0.3%和0.5%三種，礦粉摻量均為5%。具體試驗(yàn)方案配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

高溫穩(wěn)定性：采用車轍試驗(yàn)，按照各組配合比將改性瀝青混凝土制成300 mm×300 mm×50 mm的試件，將成型的試件放至恒溫試驗(yàn)箱（溫度為60 ℃）中進(jìn)行保溫8 h，然后對(duì)試件進(jìn)行反復(fù)碾壓，碾壓速率為42次/min，分別取45 min和60 min后的車轍變形量計(jì)算試件的動(dòng)穩(wěn)定度DS=（t60-t45）×N/（d60-d45）。

水穩(wěn)定性：采用浸水馬歇爾試驗(yàn)，將不同配合比下的改性瀝青混凝土分為兩組，一組置于60 ℃恒溫水中35 min，然后測(cè)其穩(wěn)定度MS；另外一組置于60 ℃恒溫水中48 h，然后測(cè)其穩(wěn)定度MS1。根據(jù)兩組試驗(yàn)的穩(wěn)定度計(jì)算殘留穩(wěn)定度MS0=MS1/MS×100%。

低溫穩(wěn)定性：采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，按照各組配合比將改性瀝青混凝土制成250 mm×30 mm×35 mm的試件，然后將試件分別在25 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃四種溫度的恒溫中養(yǎng)護(hù)45 min，再進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)得彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量和最大彎拉應(yīng)變等參數(shù)。

玄武巖纖維改性瀝青混凝土性能研究/梁懷健

2 高溫穩(wěn)定性

不同玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量下的改性瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知：相同纖維長(zhǎng)度下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸減小，相同玄武巖纖維摻量下，長(zhǎng)度越大，瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度越小。除了試驗(yàn)9組（長(zhǎng)度9 mm，摻量0.5%）外，摻入玄武巖纖維后，瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定較不摻入時(shí)均有不同程度提高，說(shuō)明玄武巖纖維可以在一定程度上增強(qiáng)瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，減小因車輪碾壓而產(chǎn)生的變形。這是因?yàn)樾鋷r纖維作為一種惰性材料，在高溫下很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其性能指標(biāo)變化很小；同時(shí)玄武巖纖維的吸油性很強(qiáng)，可以與瀝青基質(zhì)很好地粘結(jié)在一起，從而減小出現(xiàn)“拔絲”現(xiàn)象的概率。而玄武巖纖維在瀝青混凝土中錯(cuò)綜復(fù)雜的排列與分布可以形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅具有吸附瀝青和填充的效果，還可以在瀝青混凝土中形成分界層，從而加強(qiáng)隔熱性能，提高高溫穩(wěn)定性，而且玄武巖纖維具有較高的斷裂強(qiáng)度和彈性模量，在瀝青混凝土中可以起到加筋作用，從而增強(qiáng)抵抗剪切變形的能力。

但是，當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度太長(zhǎng)或者摻量過(guò)多時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致纖維在瀝青混凝土中的分散性變差，出現(xiàn)局部團(tuán)聚的現(xiàn)象，從而形成薄弱面，反而不利于穩(wěn)定性。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%、長(zhǎng)度為3 mm時(shí)，改性瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性最佳。

3 水穩(wěn)定性

不同玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量下的改性瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度呈先增大后減小的變化特征。當(dāng)摻量為0.3%時(shí)，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度最大；當(dāng)玄武巖纖維摻量一定時(shí)，隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度逐漸減小；摻入纖維的改良試驗(yàn)組殘留穩(wěn)定度相比未摻入試驗(yàn)組均有不同程度的提高，說(shuō)明玄武巖纖維對(duì)于瀝青混凝土的水穩(wěn)定性有一定的增強(qiáng)作用。這是因?yàn)閾饺胄鋷r纖維后，會(huì)增大瀝青用量，從而增加了瀝青膜的厚度，瀝青膜與錯(cuò)綜分布的纖維一起，組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少因水力作用而出現(xiàn)的剝落現(xiàn)象，從而增強(qiáng)在水壓作用下的穩(wěn)定性。但是纖維長(zhǎng)度增加后，會(huì)導(dǎo)致纖維與瀝青結(jié)合體的空間結(jié)構(gòu)增大，瀝青混凝土所能承受的極限水壓力就會(huì)隨之減小，因而殘留穩(wěn)定度降低。

但是玄武巖纖維的摻量并不是越高越好，當(dāng)摻量過(guò)高時(shí)，玄武巖纖維在瀝青混凝土中團(tuán)聚的現(xiàn)象越來(lái)越多，而結(jié)團(tuán)中的瀝青主要以自由瀝青為主，從而會(huì)使瀝青混凝土的用油量增大，反而不利于瀝青混凝土整體的力學(xué)性質(zhì)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長(zhǎng)度為3 mm時(shí)，改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性最佳。

4 低溫穩(wěn)定性

不同玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量下的改性瀝青混凝土三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖4。由圖4可知：彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均呈先增大后減小的變化特征。試驗(yàn)5組（玄武巖摻量為0.3%、長(zhǎng)度為6 mm）的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變最大，當(dāng)溫度在25 ℃、-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃時(shí)，試驗(yàn)5組的彎拉強(qiáng)度分別較未摻入玄武巖試驗(yàn)組（10組）提升10.8%、11.1%、11.3%和11%，最大彎拉應(yīng)變分別提升17.3%、20.5%、23.9%和26.9%；相同玄武巖摻量下，溫度越低，瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變?cè)叫。划?dāng)溫度為室溫25 ℃時(shí)，試驗(yàn)5組的改性瀝青混凝土的彎曲勁度模量最大，當(dāng)溫度為-5 ℃、-10 ℃和-20 ℃時(shí)，試驗(yàn)5組的彎曲勁度模量最小或者接近于最小，分別較未摻入時(shí)減小7.8%、10.2%和12.5%。玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變的影響最大，其次為彎拉強(qiáng)度，最小的為彎曲勁度模量。

摻入3 mm長(zhǎng)度纖維的試件雖然在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較為優(yōu)異，但是由于長(zhǎng)度有限，導(dǎo)致在瀝青混凝土中粘結(jié)的瀝青顆粒數(shù)量有限，因而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性相對(duì)有限；而摻入9 mm長(zhǎng)度纖維的試件則容易導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，在受力作用下抵抗變形的能力也會(huì)降低。因此，6 mm長(zhǎng)度纖維在瀝青混凝土中的分散效果更好，起到的加筋作用更明顯。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，改性瀝青混凝土的低溫穩(wěn)定性最佳。

5 討論

從前文高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫性能試驗(yàn)結(jié)果可知：玄武巖纖維對(duì)于瀝青混凝土的各項(xiàng)性能具有較好的提升作用，但長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，摻量不宜過(guò)大。當(dāng)纖維摻量為0.1%～0.3%，長(zhǎng)度為3～6 mm時(shí)，綜合性能可以達(dá)到最佳。通過(guò)各項(xiàng)性能的綜合考量，最終決定采用摻量為0.3%、長(zhǎng)度為6 mm的玄武巖纖維對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行改良，在此改良方案下改性瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變參數(shù)見(jiàn)表2。從表2可知：在該改良方案下，瀝青混凝土的各項(xiàng)路用性能均滿足技術(shù)規(guī)范要求，特別是高低溫性能較未摻入玄武巖纖維時(shí)有較大幅度的提升。

6 結(jié)語(yǔ)

采用玄武巖纖維對(duì)AC-13瀝青混凝土進(jìn)行改性試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）動(dòng)穩(wěn)定度隨著玄武巖纖維摻量和長(zhǎng)度的增加，瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸下降，但相比未摻入纖維試驗(yàn)組，動(dòng)穩(wěn)定度均有不同程度提升，當(dāng)纖維摻量為0.1%、長(zhǎng)度為3 mm時(shí)，改性瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性最佳。

（2）隨著玄武巖纖維摻量增加，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度先增大后減小，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，殘留穩(wěn)定度逐漸減小，纖維摻量為0.3%、長(zhǎng)度為3 mm時(shí)，改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性最佳。

（3）當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變最大，瀝青混凝土的低溫穩(wěn)定性最佳。

（4）綜合玄武巖纖維改性瀝青混凝土的各項(xiàng)路用性能，認(rèn)為當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%、長(zhǎng)度6 mm時(shí)，瀝青混凝土的綜合性能最佳。

參考文獻(xiàn)

［1］周仕文.瀝青混凝土路面裂縫的產(chǎn)生原因與養(yǎng)護(hù)分析［J］.安徽建筑，2019，26（5）：109-110.

［2］甘云峰.公路瀝青混凝土路面裂縫原因與對(duì)策［J］.黑龍江交通科技，2021，44（4）：76，78.

［3］來(lái) 靜，卞德存，趙鴻彬，等.瀝青混凝土路面裂縫修復(fù)材料的研究進(jìn)展［J］.廣州建筑，2020，48（5）：42-48.

［4］林增華，王鳳池.組合纖維瀝青混凝土的抗裂性能試驗(yàn)［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，36（3）：500-506.

［5］馬海鵬，余 沛.高寒高海拔地區(qū)玄武巖纖維瀝青混凝土損傷自愈合性能分析［J］.硅酸鹽通報(bào)，2021，40（8）：2 803-2 810.

［6］呂耀華.玄武巖纖維瀝青混凝土優(yōu)選及疲勞壽命預(yù)估［J］.中外公路，2020，40（3）：303-307.

［7］邱國(guó)洲，房建宏，徐安花，等.玄武巖纖維瀝青混凝土高溫性能研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2019，38（12）：3 890-3 896.

收稿日期：2022-10-10