玄武岩纤维沥青混合料路用性能试验研究

熊　刚，张　航

（1.新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐　830016；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067）

玄武岩纤维沥青混合料路用性能试验研究

熊刚1，张航2

（1.新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐830016；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067）

玄武岩纤维沥青混合料具有优良的技术性能，在道路工程领域备受关注。通过车辙试验、间接拉伸试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分别评价不同纤维掺量玄武岩纤维沥青混合料的高温稳定性、低温稳定性和水稳定性。试验结果表明：与普通AC-13沥青混合料相比，掺加玄武岩纤维的沥青混合料其高温性能、低温性能和水稳定性能均有所改善；当玄武岩纤维掺量为0.15%时，沥青混合料能获得最佳综合路用性能。

道路工程；玄武岩纤维沥青混合料；纤维掺量；路用性能试验

近年来，随着我国城镇化进程加快，道路设施的建设水平较以往得到很大的改善，沥青混合料已成为最常用的路面材料［1］。但相较于发达国家，我国沥青路面的建设质量仍存在诸多问题，主要表现为耐久性不足和早期损坏等。因此，改善沥青路面的使用品质，减少沥青路面早期病害并延长道路使用寿命，是道路工程的研究热点。近年来，国内研究者在这方面开展了大量研究，而添加纤维以有效改善沥青混合料的综合路用性能便是其中之一。

目前应用于沥青路面的纤维主要有钢纤维［2］、木质素纤维［3］、聚合物纤维［4］、水镁石纤维［5］、玄武岩纤维［6-7］等。最早用于改善沥青混合料性能的是石棉纤维，但由于其具有致癌性，目前已被禁止在沥青路面中使用。钢纤维的韧性和抗拉强度较高，但使用时容易结团、易腐蚀。木质素纤维具有良好的温度稳定性和化学稳定性，但易吸水，且氧化产物会污染沥青。聚合物纤维具有较高的强度、较好的抗酸碱腐蚀和抗氧化能力，但其弹性模量低、耐高温性能差。玄武岩纤维作为一种新型矿物纤维，不仅具有高拉伸强度、高弹性模量、良好耐酸碱性能、耐辐射和紫外线，与沥青和集料有较好的亲和力等优点，而且在整个生产和应用过程中对环境无污染。因此，玄武岩纤维是一种绿色、环保的新型生态材料［8］，将其应用于沥青混合料能有效改善沥青混合料的路用性能，在道路工程中具有很大的开发和应用前景。本文针对玄武岩纤维用于密级配沥青混合料AC-13进行试验研究，探讨不同掺量的玄武岩纤维对沥青混合料路用性能的改善效果，以期为玄武岩纤维沥青混合料的研究和应用提供参考。

1　试验原材料

1.1沥青

试验采用国产重交AH-90道路石油沥青，其主要性能指标见表1。

表1　AH-90沥青的主要性能指标

1.2玄武岩纤维

用于沥青混合料的纤维通常存在一个最佳长度，若纤维过长，则将导致拌和困难，且大量纤维会成束或结团，不能很好地分散于沥青混合料中；若过短，则不能很好地发挥连接作用，抗拉拔能力弱。综合考虑并结合相关研究［6］，本次试验选取玄武岩纤维长度为6 mm，其技术指标见表2。

1.3集料和集料级配

粗、细集料均采用玄武岩，坚硬无杂质。矿粉为石灰石磨制而成，无结团现象。粗、细集料及填料基本技术指标均按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中的相关试验方法进行测试，其各级粒径集料的测试结果见表3和表4。根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，本次试验采用AC-13型级配范围的中值，其级配范围及合成级配曲线见表5和图1。此外，采用相同矿料级配对不同掺量的玄武岩纤维沥青混合料进行对比试验，以寻求玄武岩纤维的最佳掺量，分析玄武岩纤维对沥青混合料路用性能的改善效果。

表2　玄武岩纤维的技术指标

表3　粗集料基本技术指标

表4　细集料基本技术指标

表5　AC-13沥青混合料级配组成

图1　AC-13合成级配曲线

图2　玄武岩纤维掺量对动稳定度的影响

1.4最佳油石比确定

通过马歇尔试验确定最佳油石比。以5组油石比进行试验，试件采用双面击实75次。马歇尔试验结果表明，玄武岩纤维混合料的最佳油石比为5.0%。

2　纤维混合料路用性能

2.1纤维沥青混合料高温稳定性

夏季高温时，在汽车荷载的反复作用下，沥青混合料路面会产生推移、拥包、车辙等高温变形，不仅影响行车安全，而且还会缩短沥青路面的使用寿命［9］。因此，分析玄武岩纤维沥青混凝土的高温稳定性是十分必要的。本次试验按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中车辙试验方法来评价玄武岩纤维沥青混合料的高温稳定性，其中动稳定度的计算公式为：

式中：DS为动稳定度；t1、t2均为荷载轮作用时间，t1=45 min，t2=60 min；d1为t1时的车辙深度；d2为t2时的车辙深度。

试验结果见表6和图2。

表6　玄武岩纤维沥青混合料高温稳定性试验结果

从图2可以看出，与普通沥青混合料相比，玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度明显提高，经过车辙试验后的轮辙深度也有所减小，且当玄武岩纤维掺量为0.15%时，其动稳定度最大，呈现峰值，此时轮辙深度最小。可见，掺加玄武岩纤维有效改善了沥青混合料的高温性能，提高了沥青混合料的抗剪切能力，且玄武岩纤维的最佳掺量为0.15%。

玄武岩纤维在沥青基体内是三向随机分布的，纵横交错的纤维所形成的纤维骨架网和结构沥青网能有效提高沥青混合料的强度参数，并起到传递应力的作用。当玄武岩纤维掺量低于0.15%时，纤维在混合料中的分布相对均匀，但此时纤维丝数量较少，在试件体中的空间密度小，形成的局部空间网络结构传递应力的能力弱，因此混合料的高温稳定性较低；当纤维掺量高于0.15%时，玄武岩纤维在沥青混合料中会出现丝束及结团现象，结构沥青相对减少，导致混合料的高温稳定性下降；当玄武岩纤维掺量为0.15%时，纤维骨架网和结构沥青网都处于理想的范围，所以混合料的高温稳定性得到大幅度提高。

2.2纤维沥青混合料低温稳定性

沥青路面低温收缩裂缝是造成沥青路面损坏的主要原因之一，是目前尚未完全解决的道路病害问题之一，受到国内外研究人员的广泛关注［10］。路面产生裂缝后，会加剧水损害的破坏程度，降低路面的使用寿命。沥青混合料的低温性能主要与混合料的组成设计及原材料性质有关。评价沥青低温稳定性的方法主要有小梁弯曲试验和间接拉伸试验。间接拉伸试验方法简单易行，且试件完整性较好，故本次试验采用间接拉伸试验法来评价玄武岩纤维沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表7和图3～5。

从图3可知，掺加玄武岩纤维能一定程度提高沥青混合料的劈裂破坏强度，但总体上影响不大。这是因为在低温时，沥青混合料基体的粘结力非常大，此时沥青混合料在抵抗外力破坏时主要依赖于自身的粘结力，而非纤维的增强作用。从图4和图5可以看出，掺加玄武岩纤维后，沥青混合料的破坏劲度模量大大减小，破坏应变明显提高，即玄武岩纤维沥青混合料的低温稳定性高于普通沥青混合料，且玄武岩纤维的最佳掺量为0.15%。

表7　玄武岩纤维沥青混合料低温稳定性试验结果

图3　玄武岩纤维掺量对劈裂破坏强度的影响

图4　玄武岩纤维掺量对破坏劲度模量的影响

图5　玄武岩纤维掺量对破坏应变的影响

玄武岩纤维的存在会有效阻止沥青混合料内部微裂缝的出现和发展，提高沥青混合料的受力变形值，增加低温时的韧性，改善沥青混合料的低温脆性。当纤维掺量低于0.15%时，纤维在混合料中形成的纤维骨架网相对较小，且纤维丝数量相对较少，加筋作用有限。随着纤维掺量增大，沥青混合料中的纤维骨架网会扩大，纤维丝数量相应增多，加筋作用明显。当纤维掺量超过0.15%时，纤维丝将出现弯曲、结团，弯曲会导致纤维的有效长度变短，纤维结团会增加混合料内部的先天损伤，因此混合料的低温稳定性逐渐下降。当纤维掺量为0.15%时，承受拉应力的纤维丝较多，纤维骨架网较理想，玄武岩纤维的高韧性使混合料的低温稳定性显著提高。

2.3纤维沥青混合料水稳定性

水损害是沥青混凝土路面早期病害中最常见的一种病害。水损害是指在水及行车荷载反复作用下产生的动水压力会加剧裂纹扩展，并降低沥青与集料的粘附性能，致使沥青路面破坏，主要表现为路面掉粒、麻面、松散、坑槽等现象。沥青混合料抵抗水损害的能力用水稳定性评价，水稳定性越好，沥青路面抵抗水损害的能力就越强［11］。根据JTG F40—2004的要求，本文通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价玄武岩纤维沥青混合料水稳定性，试验结果见表8和图6、图7。

从图6和图7可以看出，掺加玄武岩纤维的沥青混合料浸水48 h后其马歇尔稳定度和冻融循环后的劈裂强度均有所提高，混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比都明显增大，说明玄武岩纤维沥青混合料具有优良的水稳定性。由于玄武岩纤维亲水性差，可避免其在界面发生膨胀，因此混合料的水稳定性得以提高。

从试验结果还可以看出，玄武岩纤维的加入能有效降低沥青混合料对水的敏感性，表明纤维与沥青有较高的界面能，能有效降低水的置换作用，保护沥青混合料在有水状况下的宏观性能，并延缓沥青路面发生水损害。由于玄武岩纤维本身的成分与集料成分类似，不是亲水性石料，只是形状上的改变，故其不仅与沥青混合料的相容性良好，而且还能弥补集料本身因形状而造成的粘结不足。

综合考虑玄武岩纤维沥青混合料的高温稳定性、低温稳定性以及水稳定性，选择纤维掺量为0.15%时玄武岩纤维沥青混合料能获得较优良的综合路用性能。

表8　玄武岩纤维沥青混合料水稳定性试验结果

图6　玄武岩纤维掺量对残留稳定度的影响

图7　玄武岩纤维掺量对冻融劈裂强度比的影响

3　结论

本文介绍了针对不同掺量的玄武岩纤维沥青混合料分别进行的车辙试验、低温间接拉伸试验及浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，并将玄武岩纤维沥青混合料的路用性能与普通AC-13沥青混合料的路用性能进行了对比，得到如下结论：

1）玄武岩纤维能增大沥青混合料的动稳定度，改善沥青混合料的高温性能，提高沥青混合料的抗剪切能力。

2）玄武岩纤维能增大沥青混合料的劈裂破坏强度、变形量和破坏应变，提高沥青混合料的低温抗开裂能力。

3）玄武岩纤维沥青混合料的残留马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比有所增加，水稳定性能得到提高。

4）当玄武岩纤维的掺量为0.15%时，沥青混合料能获得最佳的综合路用性能。

［1］ 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］彭德新.钢纤维对沥青混合料的增强作用研究［J］.内蒙古公路与运输，2014（3）：29-31.

［3］王争辉.木质素纤维对SMA沥青混合料路用性能的影响［J］.交通世界（建养机械），2015（10）：150-152.

［4］郑捷.聚合物纤维沥青混合料路用性能研究［J］.中外公路，2008，27（3）：173-175.

［5］吕文江，袁卓亚，刘开平，等.水镁石纤维混凝土在高速公路隧道路面中的应用试验研究［J］.公路，2012 （12）：179-182.

［6］徐刚，赵丽华，赵晶.玄武岩矿物纤维改善沥青混合料性能研究［J］.公路，2011（6）：167-171.

［7］卢佩霞，肖鹏，吕阳.玄武岩纤维沥青混合料动态蠕变试验［J］.江苏大学学报（自然科学版），2015（4）：480-484.

［8］谢尔盖，李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景［J］.纤维复合材料，2003，17（3）：17-20.

［9］吴少鹏，叶群山，刘至飞.矿物纤维改善沥青混合料高温稳定性研究［J］.公路交通科技，2008，25（11）：20-23.

［10］赵毅，陈玉欣，秦旻，等.SBR改性沥青混合料低温稳定性研究［J］.公路工程，2014，39（2）：269-273.

［11］汤寄予，高丹盈，韩菊红.玄武岩纤维对沥青混合料水稳定性影响的研究［J］.公路，2008（1）：188-195.

Study on Road Performance Test of Basalt Fiber Asphalt Mixture

XIONG Gang1，ZHANG Hang2

The basalt fiber asphalt mixture has premium technical performance and is becoming a focus in road engineering.We use wheel track test，indirect tensile test，Immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test to evaluate the high temp.stability，low temp.stability and water stability of basalt fiber asphalt mixture with different proportion of fiber mixing.Test results show：comparing with common AC-13 asphalt mixture，asphalt mixture added with basalt fiber has better high/low temperature stability and water stability.The asphalt mixture obtains best comprehensive road performance when the basalt fiber mixing rate is 0.15%.

road project；basalt fiber asphalt mixture；fiber mixing amount；road performance test

1009-6477（2016）04-0026-05

U416.217

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.006

重庆交通大学研究生教育创新基金项目（20150103）

2016-03-14

熊刚（1970-），男，四川省乐至县人，本科，高工。