玄武岩纤维改善再生沥青混合料路用性能研究

张勤玲， 杨保存, 王　荣， 杨　柳， 王　成

(塔里木大学 水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔　843300)



玄武岩纤维改善再生沥青混合料路用性能研究

张勤玲， 杨保存, 王荣， 杨柳， 王成

(塔里木大学 水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔843300)

[摘要]在国内外对玄武岩纤维改善再生沥青混合料路用性能鲜有研究的情况下，以新的视角来研究BF对再生沥青混合料路用性能的改善。首先通过马歇尔试验确定再生沥青混合料中最佳玄武岩纤维的掺量及新沥青掺量，然后通过车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验研究玄武岩纤维对再生沥青混合料高温稳定性、水稳定性、低温稳定性等路用性能的改善效果。试验表明：与未掺加纤维的再生沥青混合料相比，掺加0.3%玄武岩纤维的再生沥青混合料的动稳定度提高45%，抗弯拉强度提高7.5%，马歇尔残留稳定度提高6.4%，表明玄武岩纤维可以明显改善再生沥青混合料的路用性能。

[关键词]再生沥青混合料； 路用性能； 玄武岩纤维； 马歇尔试验； 车辙试验

0前言

随着中国交通运输业的飞速发展，重载车逐渐增多，荷载逐渐增大，沥青路面早期破坏现象愈来愈普遍，许多路面仅在2～3 a便出现了明显的病害。重载、超载已成为影响路面使用性能及缩短路面使用寿命的重要因素之一[1]。南疆新建城市阿拉尔市，周边分布较大面积的盐渍土，2003年建市前后相继修建多条城市道路。近几年来，随着本市经济的蓬勃发展，人民生活水平的提高，城市交通日益渠化，加之盐渍土年复一年的盐——冻胀作用，致使多条城市道路出现较为严重的病害。目前，多条城市主干道正在改重建当中。翻挖、铣刨下来的沥青面层材料如能再生利用，一方面将节约大量的沥青和砂石材料，降低工程成本，同时又有利于处置废料，保护环境，具有显著的经济、社会及环境效益。

玄武岩纤维(Basalt Fiber，简称BF)是以天然的火山喷出岩——玄武岩作为原料，破碎后加入电热或燃气熔窑中，经1500 ℃左右高温熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板拉制而成的无机矿物连续纤维[2]。因其具有高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、耐老化、低吸湿、可再生、耐环境性能等很多独特的优点，广泛的被应用于改善沥青混凝土路面与水泥混凝土路面的性能。目前，BF改善沥青混合料路用性能方面的研究已经很多了，但其对再生沥青混合料路用性能的改善研究却很少。因此，本文以阿拉尔市主干道翻挖、铣刨下来的沥青上面层材料为研究对象，以新的视角来研究BF对再生沥青混合料路用性能的改善。首先由马歇尔试验确定再生沥青混合料中最佳BF掺量及相应的新沥青用量，然后以此最佳BF掺量制备试件，进行高温稳定性能、水稳定性能及低温劈裂性能等路用性能的研究，探究BF的掺加对再生沥青混合料路用性能的改善效果，以期为盐渍地区BF在再生沥青混合料中的应用提供参考。

1原材料

1.1回收沥青路面材料(reclaimed asphalt pavement，RAP)

旧沥青混合料在使用过程中，受自然环境、行车荷载等多种因素的影响，粗集料不断细化，细料增多，沥青老化，因而其在再生过程中，将会导致再生沥青混合料性能的衰减。本试验中用于再生RAP取自阿拉尔主干道塔里木大道铣刨下来的沥青路面上面层，原级配为AC-13F。经过室内检测可知该旧料中含油量较高，沥青老化程度较低，含一定数量的粗细集料，粗集料磨细程度较低，整体情况较好(见图1)，可直接用于再生试验设计。

图1　铣刨沥青路面上面层废料Figure 1　Surface layer waste of Milling asphalt pavement

1.2新沥青

为了恢复旧沥青的性能，可以使用标号高于回收沥青混合料废料中老化沥青标高的新沥青，与之调和掺配后达到路用沥青使用标准。结合工程实际，本试验选用产地为克拉玛依的等级A级，标号为90号道路石油沥青作为新沥青对旧沥青进行调和再生。其各项指标见表1。

表1 克拉玛依90#道路石油沥青技术标准Table1 Technicalstandardsofroadno.90petroleumas-phaltofKaramay指标技术要求针入度(25°,5s,100g)/(0.1mm)80～100适用气候分区1～2针入度指数PI-1.5～+1.0软化点不小于/℃4560°动力粘度不小于/(Pa·s)160蜡含量不大于/%2.2闪点不小于/℃245溶解度不小于/%99.510°延度不小于/cm3015°延度不小于/cm100

1.3BF

选用新疆拓新玄武岩实业有限公司企业生产的沥青路面用的BF。原材料为玄武岩矿石；其外观色泽均匀、表面无污染(见图2)，技术指标见表2。

图2　玄武岩纤维Figure 2　basalt fiber

表2 玄武岩纤维技术指标Table2 SpecificationofBF项目直径/μm长度/mm拉伸强度/MPa技术指标11～253～12±1.5≥1800断裂伸长率/%含水率/%(以重量计)耐热性,220℃,2h≥2.0≤2.0体积无变化

2马歇尔试验

依据规范[3]中T0702—2011中的击实法制作再生BF沥青混合料马歇尔试件，采用表干法(T0705—2011)测定试件的吸水率、毛体积密度，并计算出空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度等物理指标；按照沥青混合料马偕尔试验(T0709—2011)测定其稳定度和流值。参考控制指标[4]见表3。

表3 再生沥青混合料马歇尔试验指标Table3 MarshalltestindexofRecycledasphaltmixture稳定度MS流值/(0.1mm)空隙率/%饱和度/%矿料间隙率/%>5.020～404～1060～75>15

2.1试验要点

对于外掺BF的再生沥青混合料，其试件的制作同普通沥青混合料试件的制作有所不同，主要有以下几点：

① 拌和温度和压实温度：按规范[3]中T 0702—2011规定，外掺纤维的再生沥青混合料的拌合温度宜取170 ℃，压实温度宜取160 ℃。要求在击实试验中，混合料拌和好后，立即装入试模进行击实，且要求马歇尔试模在烘箱中预热1 h以上备用。

② 拌和时间和顺序：参考文献[5]，采用干拌法，即先将旧料加热至80～100 ℃，放进拌缸内拌和90 s，接着加入BF，共同拌和约60 s大体均匀后，再加入新沥青拌和60 s，总拌和时间约3.5 min。这一拌和时间根据拌和中BF在集料中的分散情况而定的，一般不超过5 min。

③ 击实次数： 本据我国现行标准规范[6]对城市道路除快速路和主干道外其他等级城市道路，沥青混凝土制备击实次数为两面各50次。

2.2最佳BF掺量的确定

本文采用马歇尔试验法确定最佳BF掺量。首先确定零BF掺加下再生沥青混合料新沥青的最佳掺量。先由经验公式初步确定5个新沥青掺量(3%、3.5%、4%、4.5%、5%)，制备标准试件进行马歇尔试验并确定其最佳新沥青掺量为3.5%。其次确定最佳BF掺量。根据已有纤维增强沥青混凝土的研究[7，8]，纤维的用量一般在 0.2 %～0.4%。初步确定3个BF掺量(0.2%、0.3%、0.4%)，其中每个BF掺量下均设定5个新沥青掺量分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，制备标准试件进行马歇尔试验，综合分析试验结果确定最佳的BF掺量及其相应的新沥青掺量。其马歇尔试验结果见表4。

根据表4马歇尔试验分布别绘制新沥青用量、稳定度、流值、密度、空隙率、饱和度与BF掺量的关系曲线(图略)。经过分析可知，BF的掺量对再生沥青混合料马歇尔各项指标均有一定影响，BF的掺量不是越多越好，存在一个最佳的BF掺量和新沥青掺量，得出再生BF沥青混合料中BF的最佳掺量为0.3%，相应的最佳新沥青掺量为4.5%。

表4 BF掺量对马歇尔试验结果的影响Table4 TheinfluenceofBFcontentonmarshallexperimentalresultBF掺量/%新沥青掺量/%毛体积密度/(g·cm-3)空隙率VV/%沥青饱和度VFA/%稳定度MS/kN流值FL/(0.1mm)0.03.52.2989.8560.9227.9038.600.24.02.3307.0865.4527.9530.130.34.52.3146.5274.1227.9825.680.44.62.3167.2080.2827.9133.83规范要求4～1060～75>5.020～40

3路用性能试验

3.1高温稳定性

沥青混合料作为一种黏弹性材料,当气温较高时,沥青混合料路面会在重复交通荷载作用下产生车辙、推移、拥包等永久变形,进而影响行车安全[9，10]。本文在最佳BF掺量下进行了再生沥青混合料车辙试验。按照规范[3]中T0719-2011沥青混合料车辙试验相关规程进行车辙试验，以车辙试验的动稳定度来评价BF掺入前后再生沥青混合料的抗车辙能力。试验结果见表5。

从表5中可知: 掺0.3%BF的再生沥青混合料试件的辙槽深度明显小于普通再生沥青混合料。掺0.3%玄武岩纤维的再生沥青混合料与不掺玄武岩纤维的普通再生沥青混合料相比，动稳定度提高了1241次/mm，提高率约为45%，说明BF的掺入改善了再生沥青混合料的高温性能，提高了再生沥青混合料的抗剪切能力。

表5 再生沥青混合料车辙试验结果Table5 Ruttingtestresultofrecycledasphaltmixture再生沥青混合料类型车辙试验结果45min深度/mm60min深度/mm动稳定度/(次·mm-1)不掺BF1.6521.88042758掺0.3%BF1.2051.36253999

原因分析： 玄武岩纤维的强度及模量较大，耐高温性能强，所以在温度较高及应力较大时更加凸显其优越性[11]。由于BF的吸油特性，增大了再生沥青混合料中的沥青含量，使其软化点上升，提高力再生沥青混合料的温度稳定性能；再者，在最佳BF掺量下，BF在混合料中分散较为均匀，形成一定的空间网格，促使BF“加筋”和“桥接”作用的发挥，从而分散和传递了应力，并且阻碍了集料间的相对移动，进一步提高了再生沥青混合料的抗车辙能力。

3.2低温抗裂性

沥青混合料的低温性能是指混合料抵抗低温收缩裂缝的能力。由于再生沥青混合料中含有已老化沥青，经过再生后的混合料的低温性能不知是否已经恢复到使用要求范围内，所以有必要对再生沥青混合料的低温性能进行评价。按照规范[3]中的T0715-2011中的沥青弯曲试验(试验温度为-10 ℃)来评价再生沥青混合料的低温性能(见表6)。

表6 再生沥青混合料-10℃弯曲破坏试验结果Table6 bendingfailureresultcomparisonofrecycledas-phaltmixtureunder-10℃再生沥青混合料类型低温(-10℃)弯曲试验结果最大弯拉应变/με抗弯拉强度/MPa弯曲劲度模量/MPa不掺BF2196.89.1284155掺0.3%BF2263.69.8164336

由表6可知: 掺0.3%BF的再生沥青混合料与不掺BF的普通再生沥青混合料相比，在最大弯拉应变、抗弯拉强度和劲度模量方面分别提高了3.0%、7.5%、4.3%，这说明BF的掺入能够有效地提高再生沥青混合料的低温抗拉强度，并提高了再生沥青混合料的低温抗变形能力。

原因分析： 由于BF自身的“高强度、高模量”特点提高了再生沥青混合料的韧性，使得再生BF沥青混合料的最大弯拉应变和抗弯拉强度都优于普通再生沥青混合料；同时由于BF在再生沥青混合料中的“桥接”与“加筋”作用，进一步阻碍了混合料的开裂。再者，由表4可看出: BF加入后增大了再生沥青混合料的沥青用量，也就增大混合料的柔性，而在混合料中均匀分散的BF有助于对分散和扩散应力，因此再生BF沥青混合料的蠕变速率比普通再生沥青混合料的要大。这表明BF掺加有利于改善再生沥青混合料的低温性能。

3.3水稳定性能

水稳定性主要用于评价沥青混凝土路面抗水损害的能力[12，13]，本文按照规范[3]中T0709-2011和T0729-2011要求的对再生沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，对比分析及评价普通再生沥青混合料和再生BF沥青混合料的水稳定性。

3.3.1浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验反映沥青混合料的抗水损坏能力。试验数据见表7。

表7 浸水马歇尔试验数据Table7 DataofimmersionMarshalltest再生沥青混合料类型空隙率标准马歇尔试验稳定度MS不掺BF9.8527.90掺0.3%BF6.5227.98浸水48h后的稳定度MS1残留稳定度MS0MS0=(MS1/MS)×100规范值24.2987.41>8026.0393.03

由表7可知: 二者的水稳定性均满足要求。BF对再生沥青混合料的浸水马歇尔稳定度和残留稳定度都有一定的提高，对浸水马歇尔稳定度提高为7.2%，马歇尔残留稳定度提高约6.4%。BF的掺加对再生沥青混合料的马歇尔浸水残留稳定度有都有较明显的改善作用，表明BF能够改善再生沥青混合料的抗水损坏能力。

原因分析：在最佳BF掺量下，BF在混合料中分散较为均匀，有助于防止沥青流失。同时，由于BF的吸油特性，BF可吸附较多的沥青，减少自由沥青的数量，增加集料表面有效的沥青薄膜厚度，从而改善了沥青与矿料间的粘附性，增强集料间的粘结力，降低水对沥青与集料的侵蚀破坏。再者，由表4可知: 在最佳BF的掺量下，再生BF沥青混合料的空隙率较普通再生沥青混合料的空隙率低，较低的空隙率将会增强再生BF沥青混合料的残留稳定度，提高再生BF沥青混合料的水稳定性能。

3.3.2冻融劈裂试验

冻融劈裂试验检验的是沥青混合料的抗水损害能力，而冻融劈裂强度比(TSR)则可直接反应出沥青混合料抗水损害破坏能力。试验结果见表8。

由表8可知： 二者的冻融劈裂强度比均满足要求。在最佳BF掺量下，再生BF沥青混合料的未冻融劈裂强度较普通再生沥青混合料的未冻融劈裂强度高，但提高幅度不大，仅为0.6%。试件经过冻融劈裂试验后，再生沥青混合料的冻融劈裂强度及冻融劈裂抗拉强度比都有所下降。

表8 冻融劈裂试验数据Table8 Dataoffreeze-thawsplittingtest再生沥青混合料类型空隙率冻融条件未冻/RT1冻融/RT2冻融劈裂抗拉强度比TSR=(RT2/RT1)×100规范值不掺玄武岩纤维9.850.70390.588783.63≥80掺0.3%玄武岩纤维6.520.70840.587582.93

原因分析： 经过-18 ℃低温下冰冻后，试件内部空隙中的水溶液结冻后将产生一定的冻胀力，致使空隙增大，混合料的强度都将减弱。再者，在低温作用下，混合料内部BF和沥青间的变形不协调，促使部分BF与沥青产生一定的剥离，增大空隙裂隙，进一步削弱再生BF沥青混合料的抗冻胀能力。因此，BF的掺入对再生沥青混合料冻劈裂强度比的改善作用有待进一步研究。

4结论

① 本文研究中，为了恢复旧沥青的性能，使用标号高于旧料老化沥青标高的新沥青，与之掺配调和使混合后的沥青具有合适的性能。试验证明，该种沥青再生方式简便、低成本、能够取得较好的效果，是值得进一步研究再生利用方法。

② 通过马歇尔试验可知，不同的BF掺量对再生沥青混合料马歇尔各项指标均有一定影响。BF的掺量不是越多越好，存在一个最佳的BF掺量，对再生沥青混合料BF的最佳掺量推荐为0.3%。

③ 室内试验研究表明：在最佳BF掺量下，再生沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性能、抗疲劳性能、水稳定性能均有明显改善。再生BF沥青混合料路用性能要优于普通再生沥青混合料。这说明，BF的掺入能够改善再生沥青混合料的路面性能。在改善再生沥青混合料路用性能方面，掺加BF是一个不错的尝试。

④ 本文用于再生的RAP含油量较高，沥青老化程度较低，粗集料磨细程度较低，整体情况较好，掺配率为100%，可以直接用于再生设计，进一步简化再生沥青混合料的设计与生产，并降低施工成本。对于其它不同RAP掺配率的再生BF沥青混合料的路用性能有待于进一步的研究。

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Study on Pavement Performance of Basalt Fiber-improved the Recycled Asphalt Mixture

ZHANG Qinling， YANG Baocun， WANG Rong， YANG Liu， WANG Cheng

(College of Water Conservancy and Architecture Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300, China)

[Abstract]Few research has been done on the improvement of basalt fiber to improve pavement performance of recycled asphalt mixture at home and abroad，First through Marshall test to determine the optimal content of basalt fiber and new asphalt of the recycled asphalt mixture，and then by rutting test，low-temperature bending test，immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test to research the pavement performance effect of the basalt fiber improved the recycled asphalt mixture with high temperature stability，water stability，low temperature stability et al. The test results show that：compared with recycled asphalt mixture with not adding fiber，adding 0.3% basalt fiber of recycled asphalt mixture of dynamic stability increased 45% and the flexural strength increased by 7.5%， the residual Marshall stability increased by 6.4%，show that basalt fiber can obviously improve the pavement performance of the recycled asphalt mixture.

[Key words]recycled asphalt mixture； pavement performance； basalt fiber； marshall test； rutting test

[收稿日期]2015-03-16

[基金项目]国家自然科学基金项目(51168042)；塔里木大学校长基金项目(TDZKSS201417);塔里木大学校长基金创新群体研究项目(TDZKPY201401)

[作者简介]张勤玲(1982-)，女，河南商丘人，硕士，讲师，主要从事道路工程新材料的研究与应用。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0017-04