摘 要：【目的】為改善瀝青路面整體路用性能，選用玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維對(duì)AC-13C瀝青混合料進(jìn)行復(fù)合改性?！痉椒ā扛鶕?jù)課題組前期的研究成果，確定纖維總摻量為0.4%，并擬定復(fù)摻方案。通過對(duì)AC-13C瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定不同纖維復(fù)摻方案下的最佳油石比；通過開展高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害等試驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)摻纖維AC-13C瀝青混合料的路用性能。【結(jié)果】玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時(shí)，高低溫性能最優(yōu)；摻配比例為3∶2時(shí)，混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu)?！窘Y(jié)論】玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維的摻入能夠改善瀝青路面的路用性能。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；木質(zhì)素纖維；礦料級(jí)配；路用性能

中圖分類號(hào)：U 416.217" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " "文章編號(hào)：1003-5168（2023）12-0081-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.015

Study on Performance and Benefit of Fiber AC-13C Asphalt Mixture

XUE Bing1，2" " SHAO Jinggan1，2" " "LI Wenkai1，2" " KONG Lingyu1，2" " WANG Junchao1，2

JI Xiaoxiang2，3

（1.Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450046， China; 2.Research and

Development Center of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry， Zhengzhou 450046， China; Henan College of Transportation，" Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] To improve the overall road performance of asphalt pavement， basalt fiber and lignin fiber were selected for composite modification of AC-13C asphalt mixture. [Methods] Based on the research results of the previous research group， the total fiber content was determined to be 0.4%， and a composite blending plan was proposed. By designing the mix proportion of AC-13C asphalt mixture， the optimal asphalt aggregate ratio under different fiber blending schemes were determined; by conducting tests such as high-temperature resistance to rutting， low-temperature resistance to cracking， and water damage， the road performance of composite fiber AC- 13C asphalt mixture was evaluated. [Findings] When the ratio of basalt fiber to lignin fiber is 2∶3， the high and low temperature performance is optimal， and when the ratio is 3∶2， the water stability performance of the mixture is optimal. [Conclusions] The addition of basalt fiber and lignin fiber can improve the road performance of asphalt pavement.

Keywords： basalt fiber; lignin fiber; aggregate gradation; road performance

0 引言

隨著通車年限的增加及車流量的增大，早期建成并通車的道路由于后期管養(yǎng)不到位，瀝青路面逐漸形成不同程度的病害。影響瀝青路面使用年限及耐久性的因素很多，主要包括礦料及瀝青質(zhì)量、混合料加工及施工工藝、外加劑的種類及摻量等。

纖維作為外加劑，在瀝青路面施工過程中被廣泛應(yīng)用。玄武巖纖維屬于礦物纖維，是由玄武巖碎石在高溫熔融狀態(tài)下通過一定的工藝?yán)z制得。玄武巖纖維是偏堿性材料，與瀝青相容性較好，混合料與礦料相互搭接形成三維亂相分布狀態(tài)，具有吸附、穩(wěn)定瀝青的性能。木質(zhì)素纖維屬于植物纖維范疇，以植物的莖為原材料，通過一定工藝加工制得，具有較強(qiáng)的吸油能力。鑒于不同纖維的不同特性，本研究將玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維按照一定的摻配比例復(fù)摻到常見的AC型密級(jí)配瀝青混合料當(dāng)中，為復(fù)摻纖維工藝在瀝青路面中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

瀝青作為一種膠凝材料，在混合料中發(fā)揮著重要作用。瀝青品質(zhì)的好壞是影響瀝青路面使用年限的關(guān)鍵因素，因此需要選擇高低溫性能好、抗長期老化、與其他材料具有較好相容性的瀝青作為膠凝材料。本研究選用常用的SBS I-C聚合物改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

1.2 纖維

纖維在混合料內(nèi)部形成三維亂相的狀態(tài)，具有穩(wěn)定、吸附膠凝材料的效果，使結(jié)構(gòu)瀝青膜厚度增加，增強(qiáng)瀝青路面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本研究選取玄武巖和木質(zhì)素纖維作為改性劑，主要指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

1.3 礦料

礦料作為混合料用量最大的材料，其性能及級(jí)配對(duì)瀝青路面性能起著決定性影響。礦料應(yīng)堅(jiān)硬、密實(shí)、風(fēng)化程度低及與瀝青具有較好的黏附性。本研究粗集料由粒徑分別為5～10 mm、10～15 mm的碎石構(gòu)成，細(xì)集料由粒徑為0～5 mm的機(jī)制砂、礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)制得。

1.4 配合比設(shè)計(jì)

選取AC-13C密級(jí)配混合料進(jìn)行研究，兩種纖維的總摻量為0.4%（占瀝青混合料質(zhì)量），配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，兩種纖維的混摻比例方案見表4，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2 路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

近年來，隨著溫室效應(yīng)的作用，氣溫逐年升高。河南地區(qū)夏季會(huì)出現(xiàn)極端炎熱天氣，中午室外溫度有時(shí)會(huì)達(dá)到40 ℃，瀝青路面的顏色多為黑色，具有極強(qiáng)的吸熱能力。在這樣炎熱的天氣環(huán)境下，瀝青路面結(jié)構(gòu)表層溫度超過70 ℃，而一般改性瀝青的軟化點(diǎn)為60 ℃左右［1-2］。因此，極端炎熱天氣環(huán)境下，瀝青路面在車輛軸載（尤其重軸載）的作用下極易出現(xiàn)永久性塑性變形。同時(shí)瀝青路面是一種柔性路面結(jié)構(gòu)，高溫環(huán)境下韌性降低、塑性增強(qiáng)，更增加了車轍病害出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)［3］。

本研究參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中車轍試驗(yàn)方法對(duì)不同纖維摻量下AC-13C混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗(yàn)結(jié)束后試件動(dòng)穩(wěn)定度按式（1）計(jì)算求得，車轍深度及動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

式中：DS為動(dòng)穩(wěn)定度，次/ mm；t1、t2分別為45 min、60 min；d1、d2為對(duì)應(yīng)t1、t2時(shí)的車轍深度，mm；N為小輪每分鐘行走次數(shù)，42次/ min；C1、C2為常數(shù)，均取1.0。

由圖1、圖2可知：與未摻纖維的試件相比，纖維的摻入均降低了試件的車轍深度，而試件動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果均得到了提升。當(dāng)玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時(shí)，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性最優(yōu)。

2.2 低溫抗裂性

瀝青作為一種柔性膠凝材料，與水硬性膠凝材料的性能差異較大，低溫條件下瀝青的脆性增強(qiáng)，韌性降低。同時(shí)，由于混合料各組成材料性能的差異，導(dǎo)致在溫度變化時(shí)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部收縮不一致，當(dāng)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫縮應(yīng)力大于允許抗拉應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)層就會(huì)形成開裂病害，尤其在季節(jié)交替時(shí)節(jié)更容易出現(xiàn)［4-6］。本研究參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中瀝青混合料低溫試驗(yàn)方法對(duì)不同纖維摻量下AC-13C混合料的低溫抗開裂性能進(jìn)行試驗(yàn)。試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，由車轍板試件通過雙刀片切割機(jī)加工而成。試件彎拉強(qiáng)度、彎曲破壞應(yīng)變結(jié)果分別如圖3、圖4所示，分別按式（2）、（3）求得。

以上式中：RB為彎拉強(qiáng)度，MPa；εB為彎拉破壞應(yīng)變，με；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm；L為試件跨徑，mm；PB為破壞時(shí)最大荷載，N；d為破壞時(shí)跨中撓度，mm。

由圖3、圖4可知：相較未摻纖維的試件，纖維的摻入，試件彎拉強(qiáng)度及彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果均得到了提升。當(dāng)玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時(shí)，瀝青混合料低溫抗開裂性能最優(yōu)。

2.3 水穩(wěn)定性

在外界環(huán)境多重因素作用下，瀝青路面隨著使用年限的增加，瀝青逐漸老化，與礦料間的黏結(jié)能力逐步降低。夏季多雨地區(qū)，瀝青路面易受到雨水沖刷而造成水損害病害［7-8］。本研究參照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)方法，對(duì)不同纖維摻量下AC-13C混合料的水穩(wěn)定性能進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果分別如圖5、圖6所示，分別按式（4）、式（5）求得。

以上式中：S0為殘留穩(wěn)定度，%；S1為未浸水穩(wěn)定度，kN ；S2為浸水穩(wěn)定度， kN ；TSR為殘留強(qiáng)度比，%；RT2為凍融后強(qiáng)度，MPa；RT1為未凍融強(qiáng)度，MPa。

由圖5、圖6可知：與未摻纖維的試件相比，纖維摻入后，馬歇爾試件殘留穩(wěn)定度及殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均得到了提升。當(dāng)玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為3∶2時(shí)，瀝青混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu)。

3 結(jié)語

不同纖維復(fù)摻方案下，混合料高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害性能均得到不同程度的提高。玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的復(fù)摻比例為2∶3時(shí)，混合料高低溫性能最優(yōu)；復(fù)摻比例為3∶2時(shí)，混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)：

［1］張四恒，黃運(yùn)軍，邵景干，等.礦料級(jí)配與瀝青對(duì)薄層罩面路用性能的影響［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，19（3）：59-68.

［2］李志剛.DXG-1抗車轍劑瀝青混合料路用性能研究［J］.河南科學(xué)，2020，38（8）：1264-1269.

［3］石宜清，李文凱，邵景干，等.降黏溫拌瀝青混合料路用性能研究［J］.交通科學(xué)與工程，2022，38（3）：11-18.

［4］李俊峰，李文凱，李正強(qiáng)，等.玄武巖纖維排水高黏瀝青混合料性能研究［J］.公路交通科技，2022，39（9）：1-8.

［5］吳金榮，崔善成，李飛，等.煤矸石粉/聚酯纖維瀝青混合料低溫抗裂性研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（6）：6078-6085.

［6］魏婷婷，顧坤，李文凱.城市生活垃圾焚燒底渣瀝青混合料路用性能研究［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，19（2）：61-69.

［7］嚴(yán)超，魏顯權(quán)，方楊.瀝青混合料水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)方法研究［J］.公路，2019，64（10）：29-33.

［8］寧毅，李文凱，劉向杰.水-溫耦合作用對(duì)高模量瀝青混合料性能的影響［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，18（2）：17-25.