玄武岩纤维沥青稳定碎石路用性能研究

吕令钊

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州450000）

目前，我国沥青路面基层设计中主要以水泥稳定碎石等半刚性材料为主[1-2]，其具有强度与稳定性良好且工程造价较低；然而，半刚性材料属于脆性材料，抗变形能力较低，受温度影响大，在车辆荷载反复作用下容易形成反射裂缝[3-5]，从而造成沥青路面出现裂缝、网裂等病害，使其路面结构发生破坏、使用性能降低。对此，国内外选用较厚的沥青稳定碎石下面层替代部分半刚性基层来延缓反射裂缝贯穿面层时间[6-7]。张宜洛等[8]研究发现煤液化残渣改善了沥青混合料高温稳定性影响，但低温抗裂性较差。宋庆红等[9]分别研究了硬质沥青稳定碎石和常规沥青稳定碎石，发现硬质沥青稳定碎石路用性能较优。卢杰等[10]托实际工程对沥青稳定碎石ATB-30 设计和摊铺工艺进行了研究，发现路面裂缝显著降低。张立华等[11]研究了胶粉改性沥青稳定碎石低温抗裂性。林豪等[12]分别研究了玄武岩、石灰岩、安山岩粗集料复掺法对沥青稳定碎石使用性能的影响。郭伏国[13]研究表明沥青稳定碎石ATPB-25 较AM-25、ATB-25 力学性能最优，且疲劳寿命最大。因此，如何设计合适的沥青稳定碎石抗裂材料来延缓反射裂缝的扩展显得十分重要。笔者通过研究玄武岩纤维（简称“BF”）和SBS 改性沥青对沥青稳定碎石路用性能的影响规律，为玄武岩纤维沥青稳定碎石推广提供理论基础。

1 试验材料与配合比设计

1.1 试验材料

（1）沥青

选用齐鲁石化公司生产的A 级70#基质沥青和Ⅰ-C型SBS 改性沥青，技术性质见表1～表2。

表1 A 级70#沥青技术指标Table 1 Grade A 70# asphalt technical index

表2 高模量沥青和SBS 改性沥青技术指标Table 2 Technical indexes of high modulus asphalt and SBS modified asphalt

由表1 和表2 可知，沥青技术性质满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求。

（2）集料

集料分为粗集料和细集料。粗集料选用石灰岩，公称粒径为15～30mm、10～15mm、5～10mm；细集料选用机制砂。集料技术性质满足JTG F40-2004 要求。

（3）填料

选用矿粉，技术性质见表3。

表3 矿粉技术性质Table 3 Technical properties of mineral powder

（4）玄武岩纤维

选用短切玄武岩纤维，纤维掺量为0.3%，长度为12mm。技术性质见表4。

表4 玄武岩纤维技术性质Table 4 Technical properties of basalt fiber

1.2 配合比设计

参照沥青稳定碎石ATB-25 设计要求，采用马歇尔试验设计方法确定混合料配合比，见表5～表6。表6 中基质沥青稳定碎石、玄武岩纤维基质沥青稳定碎石、SBS 改性沥青稳定碎石、玄武岩纤维SBS 改性沥青稳定碎石分别表示为ATB-25、BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25。

表5 沥青稳定碎石矿料级配Table 5 Grading of asphalt stabilized macadam

表6 沥青稳定碎石最佳沥青用量Table 6 Optimum asphalt content of asphalt stabilized macadam

2 研究方案

2.1 试验方案

（1）高温稳定性

采用车辙试验评价沥青稳定碎石高温性能。试验中，试轮接地压强为0.7MPa。沥青稳定碎石常用作路面结构下面层，外界环境温度对其影响较上面层是较小的，拟车辙试验温度选用40℃和60℃。

（2）水稳定性

1.2 材料 选择山东威海洁瑞医用有限公司提供的24G×19 mm针管回缩式静脉留置针，6 cm×7 cm 3M含碘敷贴。

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青稳定碎石水稳定性。试验中，将马歇尔试件分为四组，编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ组浸于60℃恒温水槽中48h后进行马歇尔试验；Ⅱ组放置于（-18±2）℃环境中冷冻16h，冷冻结束后，先后将试件浸于60℃恒温水槽中24h、25℃恒温水槽中2h，浸水完毕后进行劈裂试验；Ⅲ组与Ⅳ组在常规试验条件下分别进行马歇尔试验和劈裂试验。

（3）疲劳特性

采用间接抗拉试验评价沥青稳定碎石抗疲劳特性，试验仪器选用MTS-810 材料疲劳试验机。试验中，加载波形为正弦波，应变控制模式加载，应变水平为550με，拟加载频率为1Hz、5Hz、10Hz。当试件弯曲劲度模量低于初始劲度模量的50%时，结束试验。

（4）低温抗裂性

采用小梁弯曲试验评价沥青稳定碎石低温抗裂性。试验仪器选用UTM-25 伺服液压材料试验机，试验温度为-10℃、0℃、15℃，加载速率为50mm/min。

2.2 试件制备

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011） 制 备 试 件， 车 辙 试 验 试 件 尺 寸为 300mm×300mm×50mm； 浸 水 马 歇 尔 试 验、冻融劈裂试验和疲劳试验采用马歇尔试件，尺寸为Φ152.4mm×h101.6mm；小梁弯曲试验试件尺寸为250mm×30mm×35mm，由车辙试件切割而成。试件制备完成后，室温环境下养生48h。每组试验采用3 个平行试件。

3 试验结果及分析

3.1 高温稳定性

图1 沥青稳定碎石车辙试验结果Fig. 1 Rutting test results of asphalt stabilized macadam

由图1 可知，同一试验温度下，沥青稳定碎石掺入玄武岩纤维后动稳定度得到提高，且满足规范设计要求，其中BF+SBS+ATB-25 动稳定度最大。温度60 ℃条 件 下， 与 ATB-25 动 稳 定 度 相 比，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 动稳定度分别提高了15%、259%、363%；温度40℃条件下，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 动稳定度分别提高了14%、117%、188%，说明SBS+ATB-25 高温性能显著优于ATB-25、BF+ATB-25 高温性能。这是因为SBS 改性沥青较高的软化点保证了集料之间具有良好的粘结力，而玄武岩纤维分散在沥青稳定碎石结构中，起到了加筋作用，抑制了沥青稳定碎石在高温轴载作用下产生的变形。另外，改性沥青稳定碎石掺入玄武岩纤维后，动稳定度约提高了31%，说明玄武岩纤维对沥青稳定碎石高温性能的改善作用较采用改性沥青对稳定碎石的作用较小。

3.2 水稳定性

4 种沥青稳定碎石浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如图2 所示。

图2 沥青稳定碎石水稳定性试验结果Fig. 2 Water stability test results of asphalt stabilized macadam

由图2 可知，ATB-25 水稳定性满足规范设计要求，且掺入玄武岩纤维和采用SBS 改性沥青均对沥青稳定碎石水稳定性有一定改善作用。与ATB-25 相比，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 浸 水 稳定度分别提高了14%、38%、67%，残留稳定度分别提高了1.2%、6.1%、8.1%；BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 冻融劈裂强度分别提高了12%、39%、65%，冻融劈裂强度比分别提高了1.0%、6.5%、8.0%。这是因为纤维的掺入致使稳定碎石沥青用量增加，集料之间粘结力增强且纤维胶浆填充了结构内部空隙，从而减小了水对沥青稳定碎石的破坏作用。

3.3 疲劳特性

疲劳试验中，沥青稳定碎石疲劳寿命离散性大，为准确反映其抗疲劳性能，采用双参数威布尔模型对试验数据进行处理。95% 保证率下沥青稳定碎石疲劳寿命如图3 所示。

图3 沥青稳定碎石疲劳试验结果Fig. 3 Fatigue test results of asphalt stabilized macadam

由图3 可知，同一加载频率下，BF+SBS+ATB-25 疲劳寿命最高，SBS+ATB-25 次之，ATB-25 疲劳寿命最低。其中，加载频率1Hz、5Hz、10Hz 下，BF+SBS+ATB-25疲劳寿命分别是ATB-25 疲劳寿命的13.5 倍、8.8 倍、7.6倍，SBS+ATB-25 疲劳寿命分别是ATB-25 疲劳寿命的5.7倍、4.3 倍、2.1 倍，BF+ATB-25 疲劳寿命分别是ATB-25 疲劳寿命的1.1 倍、1.2 倍、1.1 倍。说明采用SBS 改性沥青可有效提高沥青稳定碎石抗疲劳开裂性，且玄武岩纤维对改性沥青稳定碎石抗疲劳性改善作用较基质沥青稳定碎石显著，这是因为SBS 改性沥青弹性与韧性优于基质沥青，在循环荷载作用下延缓了裂缝的发展。

3.4 低温抗裂性

4 种沥青稳定碎石小梁弯曲试验结果如图4 所示。

图4 沥青稳定碎石小梁弯曲试验结果Fig. 4 Bending test results of asphalt stabilized macadam beam

由图4 可知：

（1）当试验温度逐渐提高，同一类型的沥青稳定碎石弯拉强度先增大后减小，弯拉应变逐渐增大。当温度从-10℃提高至0℃，沥青稳定碎石弯拉强度平均提高了22%；当温度从0℃提高至15℃，沥青稳定碎石弯拉强度平均降低了30%；当温度从-10℃提高至15℃时，沥青稳定碎石弯拉应变平均提高了174%。这是因为沥青粘度随温度升高而降低，沥青稳定碎石具有良好的延展性，从而不容易产生裂缝。

（2）同一试验温度下，BF+SBS+ATB-25 低温抗裂性能最优，较ATB-25、BF+ATB-25 和SBS+ATB-25 弯拉强度分别提高了1.6 倍、1.5 倍和1.1 倍，弯拉应变分别提高了1.9 倍、1.7 倍和1.2 倍。说明沥青稳定碎石中掺入玄武岩纤维和采用SBS 改性沥青均能改善其低温抗裂性，且采用SBS 改性沥青的稳定碎石改善效果较显著。

4 结论

通过对四种沥青稳定碎石路用性能进行试验研究，得到以下结论：

（1）掺入玄武岩纤维和采用SBS 改性沥青均改善了沥青稳定碎石路用性能，且玄武岩纤维改性沥青稳定碎石高温稳定性、水稳定性、抗疲劳性及低温抗裂性最优。

（2）玄武岩纤维对沥青稳定碎石路用性能的改善作用较采用改性沥青对稳定碎石的作用要小。沥青稳定碎石掺入玄武岩纤维后，动稳定度、残留稳定度及冻融劈裂强度比分别平均提高了15%、1.4%、1.1%；较基质沥青稳定碎石，采用改性沥青的稳定碎石动稳定度、残留稳定度及冻融劈裂强度比分别平均提高了23%、6.8%、6.0%。

（3）掺入玄武岩纤维和采用SBS 改性沥青有效地抑制了沥青稳定碎石裂缝的发展。同一加载频率下，BF+SBS+ATB-25 疲劳寿命最高，SBS+ATB-25 疲劳寿命次之；同一试验温度下，BF+SBS+ATB-25 低温抗裂性能最优，较ATB-25 弯拉强度和弯拉应变分别提高了1.6倍和1.9 倍。