玄武岩纤维增强AC-16C 改性沥青混合料性能试验分析

■张祥宁

（福建省交通科研院有限公司，福州 350005）

随着国民经济的发展， 我国公路网快速发展。沥青路面作为各级公路路面工程的常见形式，具有行车舒适、安全抗滑、维护方便等优点，然而由于气候恶劣，交通量不断增加，传统的沥青混合料难以满足耐久性的要求。 为了提高沥青路面的耐久性，众多专家学者在沥青混合料中添加不同类型纤维，如羊毛、塑料、碳、木质素、矿物、聚酯、聚合物、橡胶、岩石等[1-2]。 玄武岩纤维是以玄武岩为原料经过多种施工工艺而形成的高性能矿物纤维材料，具有耐高温、抗氧化、抗辐射、电绝缘、耐久性好、抗压缩强度、剪切强度高和绿色环保等优点[3-5]，在交通行业、汽车行业、船舶行业等多个领域被广泛应用。 此外，我国玄武岩岩石储量较为丰富，玄武岩纤维的生产工艺也日渐成熟，价格相比于其他类型纤维也更为低廉，路面工程应用前景广阔。 为了促进玄武岩纤维在路面工程中的应用，本文对掺加0.3%玄武岩纤维的AC-16C 改性沥青混合料进行试验[6]，并对玄武岩纤维增强AC-16C 改性沥青混合料性能进行综合分析与评价。

1 原材料及矿料级配

1.1 矿料

本文的粗、细集料采用福建省龙岩市适中镇丰田村南霞碎石场的辉绿岩，矿粉采用的是龙岩宇联重钙矿粉，矿料各项指标均满足规范[7]要求。沥青混合料矿料性能如表1 所示，各矿料筛分结果如表2 所示。

表1 沥青混合料矿料性能检测结果

表2 矿料筛分结果

1.2 改性沥青

本文采用的沥青为福建省厦门华特股份有限公司的SBS 改性沥青，型号为I-D，其各项指标均满足规范[7]要求，SBS 改性沥青性能指标如表3所示。

表3 SBS 改性沥青性能

1.3 玄武岩纤维

本文采用玄武岩纤维掺量为0.3%， 掺加比例以沥青混合料总量的质量百分率计算。 玄武岩纤维表面光滑，一般为褐色[8]。 玄武岩纤维实物如图1 所示，各项性能指标如下：密度2.898 g/cm3、纤维直径12 μm、纤维长度6～8 mm、耐热性（180±5）℃时体积无变化、弹性模量102 GPa、拉伸强度3120 MPa、断裂伸长率2.8%、熔点1500℃。

图1 玄武岩纤维

1.4 设计级配

本文对AC-16C 改性沥青混合料进行目标配合比设计，根据表2 各矿料的筛分结果，矿料组成比例如下： 矿料规格9.5～16 mm 时， 矿料比为34.0%；矿料规格4.75～9.5 mm 时，矿料比为20.0%；矿料规格2.36～4.75 mm 时，矿料比为9.0%；矿料规格0～2.36 mm 时，矿料比为34.5%；矿粉的矿料比为2.5%。 矿料合成级配如表4 所示。

表4 混合料合成级配

2 玄武岩纤维增强AC-16C 改性沥青混合料室内性能

将未掺加玄武岩纤维的改性沥青混合料和掺加0.3%玄武岩纤维的改性沥青混合料进行室内马歇尔试验，通过对比空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值等指标，探讨玄武岩纤维对沥青混合料室内性能的影响，试验结果如表5 和表6 所示。

表5 未掺加玄武岩纤维的改性沥青混合料马歇尔试验结果

表6 掺加0.3%玄武岩纤维的改性沥青混合料马歇尔试验结果

由表5 和表6 结果可知，未掺加玄武岩纤维和掺加0.3%玄武岩纤维的改性沥青混合料马歇尔试验各项指标横道如图2 和图3 所示。 根据最佳沥青用量OAC 取OAC1及OAC2的中值，因毛体积相对密度未出现峰值，OAC1取目标空隙率5.0%对应的沥青用量，OAC2为毛体积。 相对密度、空隙率、沥青饱和度、稳定度、流值指标均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》要求的沥青用量共同区间的中值， 分析与计算得出： 未掺加玄武岩纤维AC-16C 改性沥青混合料最佳沥青用量为4.6%，掺加0.3%玄武岩纤维的AC-16C 改性沥青混合料的最佳沥青用量为4.9%， 说明玄武岩纤维具有一定的吸附沥青的能力，达到目标空隙率会增加沥青混合料的沥青用量。 同时，通过表5 和表6 对比分析得出， 同一沥青用量下， 掺加0.3%玄武岩纤维的AC-16C 改性沥青混合料比未掺加玄武岩纤维AC-16C 改性沥青混合料的稳定度有一定的提高，说明掺加玄武岩纤维可以提高沥青混合料的强度。

图2 未掺加玄武岩纤维的改性沥青混合料马歇尔试验各项指标横道图

图3 掺加0.3%玄武岩纤维的改性沥青混合料马歇尔试验各项指标横道图

3 玄武岩纤维增强AC-16C 改性沥青混合料路用性能

3.1 水稳定性

将未掺加玄武岩纤维的改性沥青混合料和掺加0.3%玄武岩纤维的改性沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验， 试件的沥青用量均为4.6%，混合料各矿料组成比例如表2 所示。 通过结果评价掺加玄武岩纤维AC-16C 改性沥青混合料的水稳定性，试验结果如表7 所示。

表7 AC-16C 改性沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果

由表7 分析可得， 掺加0.3%玄武岩纤维使得AC-16C 改性沥青混合料的48 h 残留稳定度提高了5.4%，残留强度比提高了6.6%，表明掺加玄武岩纤维可以增强改性沥青混合料的抗水损害性能。 玄武岩纤维被沥青吸附后， 不仅会使沥青饱和度变大，空隙率会减小，而且玄武岩纤维与集料和沥青的组成使密实性和强度更大，从而沥青路面水稳定性能增强。

3.2 低温抗裂性

通过低温弯曲试验评价掺加玄武岩纤维AC-16C 改性沥青混合料的低温抗裂性， 试验温度为（－10±0.5）℃，试验结果如表8 所示。

表8 AC-16C 改性沥青混合料低温弯曲试验结果

由表8 分析可知， 掺加0.3%玄武岩纤维使得AC-16C 改性沥青混合料的低温弯曲破坏应变提高了22.5%，表明掺加玄武岩纤维的改性沥青混合料的低温抗裂性得到加强。 掺加玄武岩纤维可以提高混合料的界面强度和韧性，增强沥青路面低温抗裂性能。

3.3 高温稳定性

通过车辙试验评价掺加玄武岩纤维AC-16C改性沥青混合料的高温稳定性， 试验恒温室温度为（60±1）℃，试件及试模保温不少于5 h，不得超过12 h，试件内部温度为（60±0.5）℃，试验结果如表9 所示。

表9 AC-16C 改性沥青混合料车辙试验结果

由表9 分析可知， 掺加0.3%玄武岩纤维使得AC-16C 改性沥青混合料的永久变形减少0.72 mm，动稳定度增加2734 次/mm，表明掺加玄武岩纤维可以使改性沥青混合料的高温稳定性得到改善。 玄武岩纤维可以有效吸附沥青， 降低沥青的流动性，增加沥青混合料自身的粘结性和弹性，增大内部之间摩擦力，高温稳定性因而增强。

4 玄武岩改善沥青混合料性能的作用机理

玄武岩纤维长度6～8 mm，直径为12 μm 左右，长度和直径都较小，加入沥青混合料中的纤维比表面积会增大，能较好地吸附沥青，使得增加沥青用量；玄武岩纤维是单丝结构，若干单丝通过拌合可以与沥青和集料形成紧密的网状结构，有效减小沥青混合料中沥青的流动性，增加其稳定性；玄武岩纤维具有高弹模量，不容易断裂，增加沥青混合料的韧性，与沥青和集料包裹，可提高沥青混合料的整体性。 因此，玄武岩纤维可增强沥青混合料的综合路用性能和耐久性。

5 结论

本文通过试验分析了玄武岩纤维增强AC-16C改性沥青混合料性能，得出以下结论：（1）玄武岩纤维具有一定的吸附沥青能力， 掺加玄武岩纤维后，沥青混合料的最佳沥青用量有所提高，并能提高沥青混合料的稳定性和韧性。 （2）掺加玄武岩纤维后，沥青混合料的水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性等路用性能明显增强，可提高沥青路面的耐久性。