掺加玄武岩纤维的AR-SMA设计及路用性能研究

作者简介：

李文帅 （1987—），工程师，主要从事道路与桥梁技术研究和施工管理工作。

相较常规骨架密实型SMA沥青混合料，掺加玄武岩纤维会改变混合料的最优级配设计结果、体积参数指标以及路用性能表现。文章在掺加玄武岩纤维的基础上，利用橡胶沥青作为粘结料，制备掺加玄武岩纤维的AR-SMA沥青混合料，并结合工程实例，对掺加玄武岩纤维的AR-SMA的配合比进行优化设计，验证纤维加入对混合料稳定性及路用性能的影响。

玄武岩纤维;吸油率;油石比;配合比设计

U416.21A020063

0 引言

SMA是一种典型的骨架密实型沥青混合料，可选用橡膠沥青作为粘结料制备得到AR-SMA沥青混合料，在提升其路用性能表现的同时，循环利用废旧胶粉也能实现节能环保，因此得到了越来越广泛的应用。

玄武岩纤维是利用高温将天然玄武岩加热至熔融状态后经拉丝制备所得的岩质纤维，其自身强度高，在车船制造、石油化工和建筑材料领域均有广泛的应用，国内外学者对其应用展开了诸多研究。何东坡[1]等人在OGFC排水沥青混合料中掺加了玄武岩纤维，选用4种不同长度的纤维分别确定最佳油石比并制备了试件，通过飞散试验、渗水试验等指标，确定出6 mm的最佳纤维长度选择;杨程程[2]等人通过ABAQUS有限元软件搭建数字模型，模拟了随机分布状态下，玄武岩纤维掺加比例、纤维模量以及纤维不同长径比选择对混合料小梁有限元模型的抗弯拉模拟结果的影响，认为玄武岩纤维掺量影响程度最明显，纤维模量影响最小;罗倩[3]研究了玄武岩纤维掺配对高粘沥青制备的大孔隙混合料路用性能的影响规律，认为玄武岩纤维的掺加能够提升其水稳定性和低温抗裂性，但在一定程度上会影响其透水能力，并确定了0.25%的最佳掺配比例;郭庆林[4]等人在密实型沥青混合料中掺入了短切玄武岩纤维，通过半圆弯拉试验检测混合料断裂性能变化规律，认为该纤维的掺加能够提升混合料的破坏延性和强度;卢祎苗[5]等人设计了水浴和高温两种模拟条件的耦合作用，掺加玄武岩纤维前后混合料路用性能变化规律，认为玄武岩纤维的掺加能够提升该耦合作用下混合料的抗车辙能力。

综上所述，现有针对玄武岩纤维在沥青混合料中的掺配研究已有一定的研究基础，但研究成果主要体现在AC以及大孔隙沥青混合料结构中，且选用的粘结材料鲜有涉及橡胶沥青。为拓展玄武岩纤维在AR-SMA沥青混合料中的应用场景，本文在掺加玄武岩纤维的基础上，利用橡胶沥青作为粘结料，制备掺加玄武岩纤维的AR-SMA沥青混合料，对比束型、絮型以及分散型状态纤维分布状态条件的玄武岩纤维吸油特性，分析其加入对配合比设计中油石比变化的影响，并结合实体工程建设，对掺加玄武岩纤维的AR-SMA的配合比进行优化设计，验证其稳定性及路用性能指标。

1 纤维吸油特性分析

为准确把控后续沥青混合料配合比设计过程中的沥青用量，须先对不同纤维分布状态的玄武岩纤维吸油特性进行检测，以选取适用纤维类别。现有规范中对玄武岩纤维吸油率的规定要求应在50%以上，针对絮型状态的玄武岩纤维则要求>200%。本文分别选取了束型、絮型以及分散型状态3种纤维分布状态的玄武岩纤维，如图1所示。

针对上述三类玄武岩纤维分别进行吸油率检测试验，试验结果如表1所示。

由表1可以发现，束型玄武岩纤维的吸油率最小，平均为89%，而絮型和分散型玄武岩纤维的吸油率均在300%以上。在常见的悬浮密实型沥青混合料配合比设计过程中，选用的纤维掺配比例通常为0.3%，以上文所述的纤维吸油率为89%进行计算，混合料中需增加0.267%的沥青，并不会对沥青用量或油石比产生明显的影响。束型玄武岩纤维掺配比例通常为0.4%，即需要增加0.356%的沥青用量。对比0.3%掺量且吸油率为600%的木质素纤维，吸附1.8%质量的沥青，0.4%束型玄武岩纤维的掺加须减少一定的沥青用量，这将可能会导致骨架密实结构SMA的空隙无法得到完全填充，导致空隙率过大而无法保证沥青混合料的水稳定性。因此在掺加玄武岩纤维AR-SMA沥青混合料配合比设计过程中应对级配进行适应性调整，以缩小矿料间隙率。

2 玄武岩纤维AR-SMA技术指标

结合上文的玄武岩纤维吸油率测试结果，对常规的SMA沥青混合料级配选择进行调整，确保4.75 mm等关键筛孔通过率在中值以上。结合工程经验以及大量室内试验提出适合玄武岩纤维AR-SMA的各项技术指标，如表2所示。

3 工程概况

文章试验依托某高等级公路改扩建工程展开研究，其中采用掺加玄武岩纤维AR-SMA沥青混合料面层的试验段长度为11.54 km，原路面上面层结构为SMA-13沥青混合料材料，试验段仅将上面层材料替换为等厚度的掺加玄武岩纤维AR-SMA沥青混合料，其余各层保持不变。

4 配合比设计

4.1 级配设计

对掺加玄武岩纤维的AR-SMA沥青混合料进行配合比设计。在拟定级配组成时，共拟定三组级配进行对比试验。而掺加玄武岩纤维的AR-SMA沥青混合料级配须确保4.75 mm等关键筛孔通过率在中值以上，因此最终确定的级配设计结果如图2所示。

4.2 最佳油石比确定

在确定最佳油石比试验中，选用橡胶沥青作为粘结材料，初拟油石比为6.4%，并以此为中值共拟定三组油石比，分别为6.1%、6.4%以及6.7%，按照三组油石比分别制备对应的马歇尔试件，检测结果如表3所示。确定最佳油石比确定为6.4%。

4.3 稳定性检验

4.3.1 谢伦堡析漏试验

考虑到粘结材料选用的是橡胶沥青，确定谢伦堡析漏试验的加热保温温度为180 ℃，保温时间确定为60 min，保温完成后立刻进行析漏检测，检测结果如表4所示。

4.3.2 肯塔堡飞散试验

将按上文配合比设计结果制备的马歇尔试件置于20 ℃水浴中保温24 h，利用洛杉矶磨耗试验机对其展开飞散试验检测，检测结果如表5所示。

4.4 路用性能检验

在车辆荷载的反复作用以及自然环境的不断侵蚀下，为确保掺加玄武岩纤维的AR-SMA沥青混合料具备良好的路用性能表现，文章针对高温稳定性和水穩定性重点进行检测。

4.4.1 高温稳定性试验

按照上文设计的级配和最佳油石比，制备车辙试件并进行车辙试验检测，以验证其高温稳定性。同时，按照同样的级配，重新通过试验获得对应最佳油石比，制备一组常规AR-SMA-13沥青混合料试件作为对照组，检验结果如表6所示。

由表6可以发现，二者均能满足规范的要求。相较于未掺加玄武岩纤维的AR-SMA-13沥青混合料，玄武岩纤维的掺加可显著提升混合料的动稳定度，提升量达15%，增强了高温稳定性。

4.4.2 水稳定性试验

水稳定性检验结果如表7～8所示。

掺加玄武岩纤维前后的AR-SMA-13沥青混合料的残留稳定度和TSR值均可满足规范要求。玄武岩纤维的加入能在一定程度上提升其残留稳定度和TSR值，增强混合料的水稳定性。

5 施工拌和要点

因玄武岩纤维的加入，在现场施工过程中须着重

关注混合料的拌和过程控制。掺加玄武岩纤维的AR-SMA沥青混合料应采用间歇式拌和设备进行均匀拌和，为确保纤维能够均匀分布于混合料中，应确保生产周期在60 s以上，且应先将粗细集料和玄武岩纤维干拌15 s。

6 结语

本文依托某高等级公路改扩建工程，设计了玄武岩纤维AR-SMA-13上面层。首先对比不同纤维分布状态条件的玄武岩纤维吸油特性，进而分析玄武岩纤维AR-SMA沥青混合料油石比变化特征，对掺加玄武岩纤维的AR-SMA的配合比进行优化设计，并验证了混合料稳定性及路用性能指标，得出如下主要结论：

（1）掺加玄武岩纤维AR-SMA沥青混合料应对级配进行适应性调整，以缩小矿料间隙率。

（2）掺加玄武岩纤维的AR-SMA-13最佳油石比为6.4%。

（3）玄武岩纤维的掺加能增强AR-SMA-13沥青混合料的高温稳定性和水稳定性。

（4）应确保混合料拌和生产周期在60 s以上，且应先将粗细集料和玄武岩纤维干拌15 s。

[1]何东坡，左惠宇.玄武岩纤维长度对排水沥青路面性能影响研究[J].公路，2021，66（1）：13-18.

[2]杨程程，刘朝晖，柳 力，等.玄武岩纤维增强沥青混合料弯拉性能多参数敏感性分析[J].公路交通科技，2020，37（11）：1-7.

[3]罗 倩.玄武岩纤维对大空隙高黏沥青混合料路用性能的影响[J].公路，2020，65（10）：286-292.

[4]郭庆林，王红雨，高 颖，等.短切柔性纤维对密实型沥青混凝土断裂特性的影响[J].科学技术与工程，2020，20（13）：5 377-5 382.

[5]卢祎苗，肖 鹏，夏 炎，等.玄武岩纤维沥青混合料水损伤衰变规律分析[J].公路工程，2020，45（2）：55-60，85.