玄武岩纤维沥青混合料的设计及性能影响研究

陈晓明

摘要：文章为了研究玄武岩纤维对沥青混合料路用性能影响，选取AC-13、SMA-13两种混合料进行配合比设计，确定合成级配、最佳油石比等关键参数，并分析不同掺量玄武岩纤维对沥青混合料的高、低温性能以及水稳定性的影响。结果表明：玄武岩纤维可以改善两种混合料的高、低温性能以及水稳定性;综合考虑玄武岩纤维改善性能的有效性，建议AC-13、SMA-13两种混合料玄武岩纤维最佳掺量分别为混合料质量的0.5%、0.3%。

关键词：道路工程;玄武岩纤维;沥青混合料;路用性能

0 引言

近20年来，随着我国交通行业的飞速发展，各省公路建设里程呈指数级增长，沥青路面的建设里程也急剧增长。但增长的公路里程也给公路建设者提出了新的挑战，如何面对复杂多变的施工环境或工况建设品质优良的沥青路面，这也使得沥青混合料改性技术成为广泛关注的研究课题。

玄武岩纤维作为化工行业常用的改性材料，近年来由于其独特的性能被广泛运用于工程建设中。如徐丽娜等将玄武岩纤维运用于水泥混凝土中，表明玄武岩纤维可有效改善水泥土的强度损失，并可增强改性材料韧性与抗冻性能[1]。王庆轩等研究了玄武岩纤维的耐久性以及对混凝土增强效应的影响，表明其具有显著的增强效果[2]。也有较多学者将玄武岩纤维运用于沥青混合料中，以充分利用其可改善高、低温稳定性、抗冻性能等特点。如李震南等对玄武岩纤维沥青胶浆低温性能与沥青混合料低温稳定性关联性进行了研究，表明玄武岩纤维可以增强沥青胶浆及混合的整体性，改善混合料的低温抗裂能力。李志刚利用玄武岩纤维可增强沥青粘结能力，对玄武岩纤维沥青胶浆与酸性集料粘附性进行了研究。以上研究均表明玄武岩纤维可显著改善被改善物性能，具有较好的经济性与实用性[3-9]。

为充分了解玄武岩纤维对沥青混合料路用性能的影响，本文首先选取AC-13、SMA-13两种混合料进行配合比设计，确定合成级配、最佳油石比等关键参数，然后研究不同掺量玄武岩纤维对混合料高、低温性能以及水稳定性的影响，以确定玄武岩纤维对沥青混合料路用性能的影响，为玄武岩纤维使用提供有效指导。

1 原材料

为简化研究，本文先采用传统设计方法进行配合比设计，然后通过对比掺加不同掺量玄武岩纤维对混合料路用性能的影响，以研究玄武岩纤维对沥青混合料的适用性及改性特性。

分别选取70#基质沥青、SBS改性沥青进行AC-13、SMA-13两种混合料配合比设计，其中细集料分为0～2.36mm、2.36～4.75mm两档，采用石灰岩细集料;粗集料分为4.75～9.5mm、9.5～13.2mm两档，采用玄武岩粗集料;矿粉为石灰岩研磨矿粉。沥青和粗、细集料以及矿粉等各项指标均满足规范要求。SMA-13配合比设计时选用木质素纤维，掺量为混合料质量的0.3%。

通过体积参数、最佳油石比等配合比设计，确定AC-13、SMA-13兩种混合料最优油石比分别为5.0%、6.0%，其中二者合成级配如表1、表2所示。

选取混合料质量分别为0、0.3%、0.5%和0.7%的玄武岩纤维掺入混合料中进行路用性能测试，测试结果及分析如下。

2 高温稳定性

沥青混合料高温稳定性能作为重要的路用性能指标，一般采用车辙试验进行体现，具体表征指标有45min、60min变形量以及由此推算的动稳定度（DS）等。良好的高温稳定性可以抵抗路面车辙以及预防推移、拥包等病害。本研究制备4组标准车辙试件，每组3块车辙板，每组掺入混合料质量的0%、0.3%、0.5%和0.7%的玄武岩纤维，试验结果如图1、图2所示。

由图分析可知：

（1）随着玄武岩纤维掺量的增加，AC-13、SMA-13两种混合料动稳定度均得到提高，且60min变形量显著减小。表明在60℃高温条件下承受相同荷载时，单位时间的变形量减小，高温性能明显改善。换言之，当产生相同变形量时，玄武岩纤维的掺入可以提高混合料抗荷载能力。这是由于掺入玄武岩纤维后，有效吸附了混合料中的自由沥青量，减少了混合料中可移动的沥青数量，降低了高温下自由移动沥青数量。同时由于纤维加筋作用也增加了结构沥青数量，增强了沥青胶浆与矿料的胶结性能，提高了混合料内部粘聚力，增加了抗剪性能。

（2）随着玄武岩纤维掺量的增加，两种混合料动稳定度持续提高，表明高温稳定性持续改善，可推测继续增加玄武岩纤维掺量混合料后动稳定度仍将得到提高。但考虑玄武岩纤维的提高一定程度上会增加拌和均匀难度，特别是拌和楼掺入时会增加拌和时间，进而一定程度上影响拌和楼产能。同时拌和不均匀的玄武岩纤维也会对混合料性能产生影响，造成变相“离析”的发生，影响混合料整体路用性能。

（3）对比AC-13与SMA-13两种混合料，SMA-13动稳定度显著高于AC-13混合料，不同掺量下SMA混合料动稳定度均为AC混合料的两倍多。当在对高温性能有较高要求的地区或工况条件下，建议优先选用SMA类混合料。

3 低温稳定性

沥青混合料低温稳定性是沥青路面低温抗裂性能的主要反映指标，具有良好低温稳定性的混合料在低温环境行车荷载下可有效缓解低温-湿-荷载耦合作用下路面开裂破坏，提高沥青路面耐久性，因而其指标优劣对指导沥青路面材料选取具有重要意义。以混合料质量0、0.3%、0.5%和0.7%的玄武岩纤维制备AC-13、SMA-13两种混合料进行低温弯曲试验，试验结果如图3、图4所示。

由图分析可知：

（1）随着玄武岩纤维掺量的增加，AC-13、SMA-13两种混合料弯拉应变、劲度模量均得到提高，表明在低温条件下两种混合料抗裂性能均有所提高。这是由于纤维的掺入使得沥青胶浆三维空间网状结构更加牢固，“加筋”作用使得混合料在承受低温循环荷载时，抗变形能力加强。

（2）AC-13混合料低温性能随着玄武岩纤维掺量的提高持续改善，但SMA-13在玄武岩纤维掺量达到0.3%之后提高并不明显。AC-13混合料在当玄武岩掺量为0.7%时，劲度模量基本达到SMA-13混合料对比试样（0掺量）劲度模量。因此仅就低温稳定性改善而言，玄武岩纤维对AC-13具有更好的改善作用。

（3）虽然随着玄武岩纤维的掺入，AC-13混合料劲度模量逐渐提高，但通过弯拉强度可看出，二者仍存在较大差距，因此总体而言SMA-13仍具有远优于AC-13混合料的低温稳定性。

综合上述分析，仅就低温稳定性而言，推荐AC-13、SMA-13两种混合料的玄武岩纤维的最佳掺量分别为0.5%、0.3%。

4 水稳定性

水损害作为沥青路面的主要破坏形式，主要表现为在循环荷载-水耦合作用下混合料重复地收缩、膨胀，当达到一定限制時出现微裂缝，继续循环作用导致沥青胶浆与集料逐渐剥离进而引起路面损坏，产生网裂、掉粒以及坑槽等各种病害。目前室内试验时主要采用浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验进行表征，二者相比前者增加了-16℃的低温处理环节。根据实践经验表明，浸水马歇尔试验结果一般较为接近，且较易达到规范要求，部分试件浸水强度比甚至可能>100%。为此本文考虑采用低温稳定性的冻融劈裂试验进行表征，将水稳定性与低温稳定性进行综合考量。

以混合料质量0、0.3%、0.5%和0.7%的玄武岩纤维制备AC-13、SMA-13两种混合料进行冻融劈裂试验，试验结果如下页图5、图6所示。

由图分析可知：

（1）SMA-13混合料劈裂强度远高于AC-13混合料，这再一次印证了SMA-13混合料具有较AC-13混合料更加良好、全面的路用性能。

（2）就劈裂强度而言，玄武岩纤维掺入后显著提高了两种混合料的劈裂强度，其中AC-13在掺量达到0.5%后增长幅度减缓，SMA-13在掺量达到0.3%后增长幅度减缓。由于玄武岩纤维的掺入，两种混合料沥青胶浆均得到有效改善，粘聚性以及自身内聚力显著提高，使得混合料劈裂强度增加。

（3）对比混合料劈裂强度比计算结果，总体而言玄武岩纤维改善了两种混合料水稳定性。这是由于玄武岩纤维的掺入使得冻融循环下混合料微裂缝形成减少，减缓了冻融循环对混合料理化性质的改变。当AC-13混合料在玄武岩纤维掺量<0.3%时，劈裂强度比几乎无变化，当掺量≥0.5%时，水稳定性显著提高。SMA-13则是在玄武岩纤维达到0.3%时增长显著，之后变化较小。主要是因为这两种混合料当劈裂强度比改善后，水稳定性均达到95%以上，改善幅度上限较小，过高的掺量并未能充分体现其改善效果。

综合上述分析结果，就水稳定性指标而言，推荐AC-13、SMA-13两种混合料玄武岩纤维的最佳掺量分别为0.5%、0.3%。

5 结语

本文首先选取AC-13、SMA-13两种混合料进行配合比设计，确定了合成级配、最佳油石比等关键参数，然后研究了不同掺量玄武岩纤维对混合料高、低温性能以及水稳定性的影响。形成结论如下：

（1）随着玄武岩纤维掺量的增加，两种混合料动稳定度持续提高，表明高温稳定性持续改善。

（2）随着玄武岩纤维掺量的增加，AC-13、SMA-13两种混合料弯拉应变、劲度模量均得到提高：当掺量达到一定程度时改善效果减缓，推荐AC-13、SMA-13两种混合料玄武岩纤维的最佳掺量分别为0.5%、0.3%。

（3）玄武岩纤维可以改善两种混合料水稳定性，当掺量达到一定程度时改善效果减缓，推荐AC-13、SMA-13两种混合料玄武岩纤维的最佳掺量分别为0.5%、0.3%。

综上分析：玄武岩纤维可以改善AC-13、SMA-13两种混合料的高、低温性能以及水稳定性。但鉴于玄武岩纤维改善性能的有效性，建议AC-13、SMA-13两种混合料玄武岩纤维的最佳掺量分别为混合料质量的0.5%、0.3%。另外，为简化研究，本文玄武岩纤维混合料配合比研究未考虑玄武岩纤维对混合料体积参数的影响，建议有条件的研究者对该影响进行充分考虑，以进一步明确玄武岩纤维对沥青混合料性能的全面影响，为玄武岩纤维的使用提供有效指导。

参考文献：

[1]徐丽娜，牛 雷，郑俊杰.季冻区玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度试验[J].土木工程与管理学报，2019（6）：132-137.

[2]王庆轩，丁一宁.玄武岩纤维耐碱性及其网格布对混凝土的增强效应[J/OL].建筑材料学报，2019（12）.

[3]李 仙.玄武岩纤维增强沥青混合料性能研究[J].天津建设科技，2019，29（S1）：47-49.

[4]李震南，申爱琴，郭寅川，等.玄武岩纤维沥青胶浆及混合料低温性能关联性研究[J].建筑材料学报：1-12.

[5]李志刚，杨俊鹏，李烨世龙.玄武岩纤维酸性集料沥青混合料性能研究[J].河南科学，2019，37（11）：1812-1816.

[6]马 峰，李永波，傅 珍，等.复合纤维沥青混合料路用性能研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2020（1）：157-163.

[7]王 胜.玄武岩纤维透水沥青混合料性能试验研究[D].扬州：扬州大学，2019.

[8]夏 炎.玄武岩纤维沥青混合料抗裂性能研究[D].扬州：扬州大学，2019.

[9]杨盼盼.玄武岩纤维沥青混合料高温及疲劳性能试验研究[D].扬州：扬州大学，2019.