摘 要：為改善瀝青路面路用耐久性能，延長(zhǎng)其使用年限，選取納米SiO 2 、玄武巖纖維（BF）2種改性劑對(duì)SMA-13瀝青混合料進(jìn)行復(fù)合改性并開(kāi)展相關(guān)性能試驗(yàn)。在瀝青、SiO 2 、玄武巖纖維等原材料的基礎(chǔ)上制備SiO 2 -BF復(fù)合改性瀝青，通過(guò)瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)評(píng)價(jià)SiO 2 、玄武巖纖維對(duì)道路石油瀝青性能的的影響；通過(guò)高低溫及水穩(wěn)定性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)SMA-13、SMA-13（7%BF）、SMA-13（7%BF+2%SiO 2 ）3種瀝青混合料的路用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，BF、SiO 2 的摻入會(huì)改善道路石油瀝青的高溫性能，但會(huì)降低其抗塑性變形能力；7%BF、7%BF+2%SiO 2 的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的高低溫及抗水損害能力。

關(guān)鍵詞：納米材料；玄武巖纖維；礦料級(jí)配；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號(hào)：TQ522.65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）03-0063-04

Study on the properties of nano-SiO 2 /basalt fiber compositemodified SMA-13 asphalt mixtureHUANG Jianshe 1 ，LI Juntao 2 ，LI Wenkai 3 ，SHAO Jinggan 3

（1. Henan Hongsheng Engineering Supervision Co.，Ltd.，Ltd，Zhoukou 466299，China；

2. Henan Yutong Shengding Engineering Testing Co.，Ltd.，Zhoukou 466299，China；

3. Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：In order to improve the road performance of asphalt pavement and prolong its service life，two modifiers，nano SiO 2 and basalt fiber （BF），were selected to modify SMA-13 asphalt mixture and carry out related performancetests. On the basis of the research of asphalt，SiO 2 ，basalt fiber and other raw materials，SiO 2 -BF composite modifiedasphalt was prepared，and the effects of SiO 2 and basalt fiber on the properties of road petroleum asphalt were evalu?ated by three index tests of asphalt. The road performance of SMA-13，SMA-13（7%BF）and SMA-13（7%BF+2%SiO 2 ）was evaluated by high and low temperature and water stability tests. The test results showed that the addition of BF and SiO 2 could improve the high-temperature performance of road petroleum asphalt，but reduce its anti-plas?tic deformation ability. The addition of 7%BF，7%BF+2%SiO 2 could improve the high and low temperature and wa?ter damage resistance of SMA-13 asphalt mixture.

Key words：nano material；basalt fiber；aggregate gradation；asphalt mixture；pavement performance

瀝青路面作為道路工程中最常用的路面結(jié)構(gòu)層，具有施工技術(shù)成熟、行車舒適性好、后期養(yǎng)護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛推廣 [1] 。但隨著交通量的增加，尤其重軸載車輛的增加及后期管養(yǎng)不到位，瀝青路面往往在通車運(yùn)營(yíng)5～8年就會(huì)陸續(xù)進(jìn)入大中修階段 [2-3] 。相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如將Al 2 O 3 材料摻入到橡膠瀝青混合料當(dāng)中并開(kāi)展相關(guān)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Al 2 O 3 材料的摻入能夠改善瀝青路面的高溫抗車轍及抗水損害能力 [4] 。選取不同類型的纖維并開(kāi)展纖維瀝青混合料性能研究發(fā)現(xiàn)，合理的纖維摻量能夠改善瀝青路面的低溫抗開(kāi)裂能力 [5] 。將玄武巖礦物纖維摻入到瀝青混合料當(dāng)中并開(kāi)展相關(guān)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合理的纖維摻量下，瀝青混合料低溫及抗水損害性能得到顯著提升 [6] 。目前關(guān)于納米SiO 2 材料及玄武巖礦物纖維復(fù)合改性瀝青混合料的研究較少，選取SMA-13礦料級(jí)配類型開(kāi)展SiO 2 -BF復(fù)合改性瀝青混合料性能研究，評(píng)價(jià)SiO 2 -BF復(fù)合改性劑對(duì)SMA-13瀝青混合料相關(guān)路用性能的改善效果，為SiO 2 -BF復(fù)合改性瀝青混合料的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料

1.1 瀝青

瀝青的品質(zhì)對(duì)瀝青路面的路用性能及使用年限至關(guān)重要，試驗(yàn)選用的70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青由山東京博石油化工有限公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 玄武巖纖維

試驗(yàn)選用的玄武巖纖維（BF）由炬石玄纖科技（安陽(yáng)）有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為6 mm-21 μm，主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

1.3 納米材料

試驗(yàn)選用SiO 2 納米材料對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性，由東莞福寧新材料有限公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

2 復(fù)合改性瀝青

2.1 復(fù)合改性瀝青制備

為保證玄武巖纖維及SiO 2 能夠在70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青中均勻分散，選用高速剪切攪拌方法分階段制備SiO 2 -BF復(fù)合改性瀝青。復(fù)合改性瀝青的制備過(guò)程如下：①稱取一定質(zhì)量的 SiO 2 改性劑放入120 ℃的烘箱內(nèi)備用；②將一定質(zhì)量的70號(hào)瀝青放入150 ℃的烘箱內(nèi)烘至流動(dòng)狀態(tài)，然后將SiO 2 改性劑摻入瀝青當(dāng)中，邊加入邊攪拌，待SiO 2 完全加入后再人工攪拌10 min，直至瀝青中無(wú)白色粉末狀顆粒存在，再用高速剪切機(jī)以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切20 min；③將瀝青質(zhì)量7%的BF人工緩慢加入SiO 2 改性瀝青當(dāng)中，并用玻璃棒攪拌均勻；④以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì) SiO 2 -BF 復(fù) 合 改 性 瀝 青 剪 切 10 min，最后將SiO 2 -BF復(fù)合改性瀝青放入150℃的烘箱內(nèi)靜置30min制得復(fù)合改性瀝青。

2.2 瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)

結(jié)合課題組前期大量試驗(yàn)結(jié)果，SiO 2 -BF復(fù)合改性瀝青中玄武巖纖維摻量為7%（占瀝青質(zhì)量）、納米SiO 2 的摻量分別為0%、1%、2%、3%、4%（占瀝青質(zhì)量），參照 JTG E20—2011 試驗(yàn)規(guī)程中的規(guī)定對(duì)SiO 2 -BF復(fù)合改性瀝青開(kāi)展三大指標(biāo)試驗(yàn)，其中延度試驗(yàn)溫度為15 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，BF摻量相同時(shí)，隨著SiO 2 摻量的增加針入度及延度試驗(yàn)結(jié)果均降低，軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果升高，表明BF、SiO 2 的摻入會(huì)改善70號(hào)瀝青的高溫性摻量超過(guò)2%時(shí)，針入度及延度試驗(yàn)結(jié)果降低幅度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果升高幅度均變緩，因此SiO 2 的摻量應(yīng)控制在合理的范圍。

3 配合比設(shè)計(jì)及路用性能

3.1 配合比設(shè)計(jì)

選取SMA-13間斷級(jí)配對(duì)復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行性能研究，粗集料分別為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm玄武巖碎石，細(xì)集料為0～3 mm的機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，SMA-13級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)合課題組前期研究成果，選取玄武巖纖維摻量為7%（占瀝青質(zhì)量），SiO 2 摻量為2%（占瀝青質(zhì)量）對(duì)復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料進(jìn)行研究，其馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

3.2 路用性能

3.2.1 高溫穩(wěn)定性

在“溫室效應(yīng)”作用下，近年來(lái)高溫天氣持續(xù)時(shí)間逐漸增加，尤其40 ℃以上的極炎熱天氣時(shí)有發(fā)生，車轍、泛油等路面病害的出現(xiàn)是瀝青路面高溫穩(wěn)定性差的表現(xiàn)形式[7-10] 。選用車轍試驗(yàn)進(jìn)行SiO 2 -BF復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料高溫抗車轍能力研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入SMA-13瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果較普通SMA-13瀝青混合料分別提高52.9%、100.8%，表明BF、SiO 2 2種改性劑的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

3.2.2 低溫抗裂性

低溫環(huán)境下，瀝青抗塑性變形能力降低，表現(xiàn)出脆性增強(qiáng)，韌性降低，在車輛軸載及溫縮應(yīng)力作用下，瀝青路面會(huì)因低溫性能不足而發(fā)生開(kāi)裂 [11-15] 。選用低溫彎曲試驗(yàn)進(jìn)行SiO 2 -BF復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料低溫性能研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入SMA-13瀝青混合料彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果較普通SMA-13瀝青混合料分別提高12.9%、20.7%，表明BF、SiO 2 2種改性劑的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的低溫抗開(kāi)裂能力。

3.2.3 水穩(wěn)定性

瀝青在氧化作用、雨水沖刷及紫外線等外界環(huán)境長(zhǎng)期綜合作用下會(huì)逐漸老化，南方多雨地區(qū)，水損害是瀝青路面最常見(jiàn)的病害形式之一 [16-20] 。選取浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行SiO 2 -BF復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料水穩(wěn)定性研究，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖4、圖5。

由圖4、圖5可知，7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入，SMA-13瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果較普通SMA-13瀝青混合料分別提高4.2%、9.8%，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果分別提高 11.0%、14.3%，表明 BF、SiO 2 2 種改性劑的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）7%纖維及SiO 2 的摻入，瀝青針入度及延度試驗(yàn)結(jié)果均降低，軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果升高；SiO 2 的摻量超過(guò)2%時(shí)，瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果降低及增加幅度變緩，SiO 2 摻量應(yīng)控制在合理范圍；

（2）7%BF、7%BF+2%SiO 2 摻入SMA-13瀝青混合料高溫抗車轍、低溫抗開(kāi)裂及抗水損害的性能均得到改善，其中7%BF+2%SiO 2 復(fù)合改性SMA-13瀝青混合料性能最優(yōu)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王樂(lè)東. 玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[2] 文月皎. 玄武巖纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及路用性能研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2017.

[3] 郭學(xué)東，李濟(jì)鱸，孫明志，等. 季凍區(qū)瀝青混合料疲勞壽命的組成及變化特性[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18 （16）：271-277.

[4] AL-MANSOB R A，ISMAIL A，RAHMAT R A O K，et al.The performance of Epoxidised Natural Rubber modifiedasphalt using nano-alumina as additive [J]. Constructionand Building Materials，2017，155（35）：680-687.

[5] 傅珍，王博雅，李杰，等. 基于纖維加筋性能的纖維瀝青混合料設(shè)計(jì)方法[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2018，35 （5）：122-126.

[6] 程永春，余地，譚國(guó)金，等. 玄武巖纖維瀝青混合料的凍融損傷演化規(guī)律[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（3）：518-524.

[7] 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.

[8] 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(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，19（2）：61-69.

[9] 馮松鍇，楊廣軍. 碳納米SBS復(fù)合改性瀝青路用性能研究[J]. 粘接，2023，50（4）：62-66.

[10] 包惠明，王青松. PPA/TPU復(fù)合改性瀝青及其混合料制備與性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，45 （5）：64-71.

[11] 高林麗，李文凱，王新嚴(yán)，等. 建筑垃圾再生骨料瀝青混合料性能研究[J]. 粘接，2022，49（9）：44-49.

[12] 鎖利軍. 納米 SiO 2 改性瀝青混合料的制備及性能研究[J]. 功能材料，2022，53（5）：5199-5204.

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

[14] 龔貴林，劉宗斌. 納米材料改性瀝青混合料路用性能對(duì)比研究[J]. 粘接，2023，50（6）：56-59.

[15] 白翔宇，呂娜. OMMT/ZnO 納米復(fù)合 SBS、SBR 聚合物改性瀝青與混合料性能研究[J]. 公路，2021，66（10）：308-314.

[16] 孔令紳，李文凱. 不同纖維瀝青混合料性能研究[J]. 河南科學(xué)，2020，380（5）：791-796.

[17] 劉濤. 醋酸鈉融雪劑對(duì)納米ZnO改性瀝青混合料性能評(píng)價(jià)分析[J]. 粘接，2023，50（2）：69-72.

[18] 馬峰，彭沖，傅珍，等. PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青及混合料性能研究[J]. 功能材料，2023，54（1）：1001-1006.

[19] 張海峰. 高性能橡塑復(fù)合 ESMA 瀝青混合料性能研究[J]. 公路，2023，68（3）：349-353.

[20] 胡文娟. 水泥改性乳化瀝青混合環(huán)保路面材料的性能試驗(yàn)[J]. 粘接，2023，50（6）：60-63.

（責(zé)任編輯：平 海）