玄武岩纤维对沥青混合料的路用性能影响研究

2021-11-08张玉柱黄任文李海峰

西部交通科技 2021年8期

张杰，张玉柱，黄任文，李海峰

(广西新发展交通集团有限公司，广西南宁 530029)

0 引言

近年来，纤维已经在道路工程中大量使用，如植物纤维(木质素)、矿物纤维(石棉)及聚合物纤维(聚乙烯和聚丙烯)。在应用过程中，这些纤维均具有各自特点：木质素纤维不适用于沥青混合料的再生工程[1]；聚合物纤维与沥青的相容性较差[2]，有时会发生融化卷曲[3]；矿物纤维并不存在上述两种纤维的问题，工程中使用最多的是石棉纤维，但其是一种有毒物质[4]，对人体具有较大危害，且污染环境，现在国际上对其使用越来越少。

玄武岩纤维被称为“21世纪的新材料”，其性能优异，替代性强，如力学性能、化学稳定性、抗老化性能、水稳定性、电热绝缘性能均优于传统纤维[5]。玄武岩纤维的这种性能优势可避免传统纤维应用过程中的问题，同时玄武岩纤维的生产过程并不产生工业垃圾，符合环保需求。因此，玄武岩纤维在沥青混合料中具有很大应用潜力，且能达到较好的社会、经济和环境等效益。

目前大量道路工作中已对玄武岩纤维在沥青混合料中的应用进行了深入研究。如Geol 和Das[6]研究了纤维改性沥青的抗老化、抗疲劳、抗水损害等方面的性能。彭广银等[7]提出了玄武岩纤维对车辙性能的改善优于聚酯纤维。与木质素纤维相比，Fan等[8]得到玄武岩纤维可更好地改善沥青混合料的抗车辙、耐疲劳及抗水损害能力的结论。许婷婷等[9]研究了玄武岩纤维增强沥青混合料的试验与性能，得出玄武岩纤维对沥青混凝土有很好的增强效果的结论。赵丽华和徐刚[10]研究了矿物纤维对沥青混合料路用性能的影响。赵玉肖[11]通过冲击韧性试验研究了玄武岩纤维沥青混凝土的低温抗裂性能。

综上所述，玄武岩纤维对沥青混合料各项路用性能具有一定的增强作用，且这些影响与多种因素有关，如玄武岩的掺入方式、级配类型、沥青类型等，而目前缺乏对玄武岩沥青混合料的系统研究，因此，本文以两种不同骨架结构的沥青混合料(AC-13和SMA-13)为基础，来进行玄武岩纤维沥青混合料配合比设计及路用性能分析。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本研究采用的SBS改性沥青为成品沥青。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[12]，其基本性能结果如表1所示。

表1 沥青技术指标表

集料选用石灰岩和玄武岩，矿粉选用石灰岩，根据《公路工程集料试验规程》(JTG E40-2005)[13]，测定了集料的相关性质，均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG E40-2004)的要求[14]。本文所用纤维包括玄武岩纤维和木质素纤维。木质素纤维仅用于SMA-13，玄武岩纤维用于AC-13C和SMA-13。玄武岩和木质素纤维的性能试验结果如表2所示。

表2 纤维的主要性能试验结果表

1.2 混合料制备

本文采用马歇尔试验制备AC-13C和SMA-13两种混合料，两种混合料的设计级配如图1和2所示。对于AC-13C，制备两类混合料：一种不加纤维，一种加混合料总质量0.3%的玄武岩纤维。对于SMA-13混合料，用水泥替代矿料总质量2%的矿粉，普通SMA-13中木质素含量为混合料总质量的3%。玄武岩纤维SMA-13中玄武岩纤维的含量为沥青混合料总质量的0.4%。根据析漏和飞散损失试验，各沥青混合料的油石比如下：AC-13C为5.0%，玄武岩纤维AC-13C为5.2%，木质素纤维SMA-13为6.2%，玄武岩纤维SMA-13为6.1%。

图1 AC-13沥青混合料的设计级配曲线图

图2 SMA-13沥青混合料的设计级配曲线图

根据马歇尔试验结果可知：对于AC-13，纤维的加入增加了最佳油石比，即增大了沥青用量，同时导致混合料密实度降低，空隙率增大。混合料的稳定度增大，主要是玄武岩纤维可以在混合料内部形成网络，可以分散和传递荷载。对于SMA-13，玄武岩纤维沥青混合料的最佳油石比低于木质素纤维的，其他参数结果相差不大。另外，从析漏和飞散损失试验看出，玄武岩纤维起到吸附沥青、稳定马蹄脂和加筋作用。

2 玄武岩纤维沥青混合料的路用性能研究

2.1 高温稳定性分析

沥青混合料的高温稳定性通常用车辙试验来评价。首先制备300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件，试验温度为60 ℃和70 ℃，试验轮压为0.7 MPa，碾压速度为42次/min，对车辙板进行碾压。车辙试验结果如下页图3所示。

(a)试验温度60 ℃

由图3可知，整体来看，所有沥青混合料的动稳定度均满足规范要求。玄武岩纤维的加入均增加了沥青混合料的抗车辙能力。由于沥青黏度会随温度上升而减小，因此动稳定度随温度升高而降低。对比图3(a)和图3(b)，温度升高，沥青混合料的动稳定度降低较多。由图3(b)可知，掺加玄武岩纤维后，高温性能降低幅度变缓。温度越高，玄武岩纤维的抗车辙性能越有优势。因此，玄武岩纤维对沥青具有加筋作用。

2.2 低温抗裂性能分析

本文的沥青混合料低温性能以低温弯曲试验来评价。首先制备300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件，然后将车辙试件切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件。将其放置在-10 ℃的温度下保温5 h以上，采用UTM-15进行弯曲试验。如图4所示为不同沥青混合料的低温弯曲试验结果图。

由图4可知SMA-13的破坏应变最大，主要是SMA的油石比较高。另外，沥青混合料的劲度模量随玄武岩纤维的掺入有所降低。综上，沥青混合料的低温抗裂性能随玄武岩纤维的掺入有所提高。这可能是由于玄武岩纤维具有一定的吸油能力，从而增大了最佳油石比，而沥青用量越多，沥青混合料低温性能越好。在沥青混合料中，玄武岩纤维可分散成三维空间网络，承载和分散温度应力，从而提高了沥青混合料的低温性能。

(a)最大弯拉应变

2.3 水稳定性分析

本文采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验来评价水稳定性。对于冻融劈裂试验，首先成型6个马歇尔试件，分成两组，每组3个平行试件。第一组进行常规劈裂试验；第二组真空饱水状态，放入恒温水箱中，再在-18 ℃±2 ℃的冷冻箱中放置16 h，然后在60 ℃的恒温水槽中放置24 h，取出试件在25 ℃的恒温水槽中放置2 h，之后根据规范进行劈裂试验，并计算劈裂抗拉强度比(TSR)，即第一组与第二组获得的劈裂强度的比值，结果如图5(a)所示。

浸水马歇尔试验根据JTG E20-2011中的试验方法进行。同样成型6个马歇尔试件，分成两组，每组3个平行试件。第一组试件进行常规马歇尔试验；第二组试件需先放置在60 ℃恒温水槽中保温48 h，然后进行马歇尔试验，最后计算浸水残留稳定度，即常规马歇尔稳定度(第一组试验值)和浸水马歇尔稳定度(第二组试验值)的比值，结果如图5(b)所示。

如图5所示，所有沥青混合料的水稳定性均满足规范要求，并且水稳定性呈现有升有降的现象。对于AC级配，玄武岩纤维使得沥青混合料的水稳定性出现了下降，SBS改性沥青的AC下降幅度更小。对于SMA级配，玄武岩纤维可提高其水稳定性，但改善幅度不大，这主要是因为纤维分散于沥青混合料中，与沥青形成空间网状的纤维胶浆，胶浆包裹粗集料形成整体，导致水很难把沥青从集料表面剥落。

(a)冻融劈裂试验

2.4 疲劳性能分析

对于疲劳性能的评价，本文选用常规的小梁弯曲疲劳试验。根据JTG E20-2011，制备300 mm×300 mm×50 mm的试件。不同应力水平时每种混合料4个平行试件。试验结束以劲度模量降至初始模量的50%为准[15]。试验温度为15 ℃±0.5 ℃，测定结果如表3所示。

表3 不同沥青混合料的疲劳寿命测试结果表(万次)

由表3可知，随着应变水平的增加，沥青混合料的疲劳寿命减小，从而其抗疲劳能力减小。在各种应力水平下，玄武岩纤维的掺入使所有混合料的疲劳寿命均增加了，可见玄武岩纤维可有效提高沥青混合料的抗疲劳性能，其中对SMA-13的增强更显著。这可能是由于在沥青混合料中，玄武岩纤维相互连接构成了一种空间三维结构，从而阻碍了疲劳裂纹的发生及扩展。另外纤维可减少应力集中，消散掉应变能的累积，改善沥青混合料的韧性。因此，玄武岩纤维可使沥青混合料的抗疲劳性能随应变水平的增加而减小。