玄武岩纤维沥青混合料冻融劈裂实验研究*

2023-11-28王松锋田荣燕杜咏峥王朝李毅然

西藏科技 2023年10期

王松锋田荣燕杜咏峥王朝李毅然

西藏大学工学院，西藏拉萨 850000

1 国内研究回顾

将复合玄武岩纤维组合运用于沥青混合料的研究：郭振华[1]通过路用性能试验，对海泡石纤维和改性玄武岩纤维沥青混合料影响性能以及结合机理进行了研究，实验结果表明：添加适当量海泡石和改性玄武岩纤维可以制备性能优良的纤维复合沥青混合料；许庆祥[2]为进一步提高SMA 路面的耐久性和使用品质，在SMA沥青混合料中掺入不同比例复配的玄武岩纤维和木质素纤维，采用马歇尔试验方法确定不同复配比例下SMA 的最佳油石比，通过车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和低温弯曲试验对复合纤维沥青混合料（SMA）的路用性能进行了研究。结果表明，玄武岩纤维与木质素纤维复配掺入SMA 时，沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性均有提升；王成[3]将聚酯纤维、玄武岩纤维、木素纤维复配加入SMA-13 沥青混合料中做正交试验，通过马歇尔稳定度试验和车辙试验，对沥青混合料高温稳定性进行研究。结果表明：在最佳掺配比下，混杂纤维沥青混合料的高温稳定性相对于普通沥青混合料有大幅度提高。张海伟[4]对多种复合纤维沥青混合料进行直剪实验并利用极差、方差进行了数据分析，实验结果得出复合纤维沥青混合料各项路用性能有较大提升并且更加均衡，充分发挥了各单纤维的改性优势和叠加效应；宋书彬[5]研究了硅藻土/玄武岩纤维复合改性沥青混合料的路用性能，研究结果表明复合纤维对改善沥青混合料的水稳定性能、低温抗裂性和高温稳定性有显著效果。

对于玄武岩纤维沥青混合料的路用性能研究：范文孝[6]在通过实验确定玄武岩纤维最佳掺量的同时，通过高温稳定性试验、水稳性试验及低温抗裂性试验对添加不同种类纤维的沥青混合料对比分析了其路用性能.研究结果表明,玄武岩纤维对改性沥青混合料的路用性能有明显的提高,且其增强作用优于聚酯纤维和木质纤维；彭广银[7]对短切玄武岩纤维的技术指标与表面微观特征及其沥青混合料进行了路用性能研究，研究表明短切玄武岩纤维的添加在明显提高密级配沥青混合料的抗剪与抗压能力的同时对沥青混合料高温稳定性和水稳定性有显著改善效果；刘福军[8]为了明确玄武岩纤维沥青混合料与聚酯纤维、木质素纤维沥青混合料在路用性能方面的关系，对AC-16C 和SMA-13 两种结构六种不同纤维沥青混合料在水损害性能、低温和高温的方面进行对比分析研究，实验结果表明，在两种结构中，路用性能方面玄武岩纤维沥青混合料要强于聚酯纤维和木质素纤维沥青混合料；傅珍[9]对玄武岩纤维沥青混合料进行了路用性能试验。实验表明，玄武岩纤维不仅提高了沥青混合料抗老化性能，而且改善了沥青混合料老化后的低温抗裂性，对玄武岩纤维投入路面使用具有重大意义。

纤维沥青混合料低温抗裂性研究：熊锐[10]研究了在硫酸盐腐蚀环境下一定掺量纤维对沥青混合料低温抗裂性能的作用，研究表明纤维具有可以在酸化腐蚀的极端恶劣环境下改善沥青混合料低温抗裂性的能力；张硕[11]对不同组合类型方案下的普通透水沥青混合料与透水沥青混合料进行性能进行了对比研究。研究实验结果表明，玄武岩纤维对混合料低温抗开裂性能的提升比聚丙烯纤维更为显著。

玄武岩纤维沥青混合料掺量研究：俞红光[12]通过对玄武岩纤维沥青混合料进行抗剪切性能、拉伸性能、低温流变性能和高温流变性能试验，对玄武岩纤维沥青混合料路用性能进行了一系列地研究，实验证明了一定的掺量下玄武岩纤维能够显著减少沥青混合料在循环载荷下的疲劳损伤延长使用寿命；与此同时，沥青混合料的抗剪切性能、抗车辙性、劲度均得到明显提高；高丹盈[13]在三种初选的最佳沥青掺量下分别进行了析漏损失、飞散损失、高温稳定性和水稳定性试验研究了纤维种类、掺量对SMA 路用性能的影响。结果表明：在纤维复合沥青的最佳组成下木质素纤维和玄武岩矿物纤维对SMA路用性能的改善效果均随纤维掺量增加而提高；韦佑坡[14]对玄武岩纤维沥青胶结料进行浸水马歇尔实验、动态蠕变实验、动态剪切流变实验（DSR）、冻融劈裂实验和抗车辙实验。实验结果表明，一定掺量的玄武岩纤维可以明显改善沥青混合料和浸水马歇尔的稳定度。

以上研究表明，添加玄武岩纤维可以改善沥青混合料的力学性能、耐久性和抗裂性能。一些研究关注玄武岩纤维的长度对混合料性能的影响，发现适当的添加量和纤维长度可以提高抗裂性能和断裂韧性。此外，研究还探讨了玄武岩纤维与其他添加剂（如橡胶粉、再生沥青等）/纤维的组合应用，以进一步改善混合料性能。沥青混合料冻融劈裂实验可以很好的模拟道路材料在寒冷环境中的冻融循环过程，能够更准确的评估道路材料的耐久性和稳定性。在低温下评估材料的抗裂性和吸水性能。实验结果可指导道路材料的选择和改进，提高道路路用性能。基于以上研究，本文在冻融劈裂实验的基础上添加真空饱水实验来更细致化探究玄武岩纤维的掺量对沥青混合料的低温抗裂性和空隙率的影响并确定玄武岩纤维的最佳掺量范围。

2 试验材料与试件制备

沥青基料规格为西藏地区普遍通用的AC-13 沥青混合料，在AC-13 沥青混合料中添加长度为6.0mm、平均单丝公称直径为15μm 的玄武岩纤维来探究更有利于提高西藏高寒地区沥青路用性能的最佳掺量，如表1所示。

表1 玄武岩纤维的物理性质数据

试验严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［15］T 0702马歇尔电动击实法制作圆柱形试件：

（1）将各种规格集料置于105℃±5℃的烘箱中烘四个小时至恒重，将用少许凡士林擦净的模具置于100℃左右的烘箱中加热一小时备用；将沥青混合料拌合机提前预热至160℃。

（2）将一定质量的集料和沥青放入已达到预定温度的沥青拌和锅中，启动沥青混合料拌和锅拌和1.5min，然后加入一定比例的玄武岩纤维和矿粉，继续拌和1.5min。

（3）称取1.13kg 拌和后的沥青混合料放入预热完成的模具中，用插捣棒反复插捣以确保沥青混合料中没有空隙，在确保沥青混合料温度达到121℃时将试模连同底座放到击实台上固定，将装有导向棒以及击实锤的压实头缓慢放入试模中。打开击实仪开关使击实锤从竖直高度457mm 自由落下击实50 次，将试模翻转，以相同的方式将试件击实50次，如图1所示。

图1 试件用量称取

（4）将击实后的试件取下，用游标卡尺准确量取试件离试模上边缘的高度并由此计算试件的实际高度，如图2 所示，当试件不满足63.5±1.3mm 时，试件应作废并根据下式调整沥青混合料的质量：

图2 试件尺寸测量

（5）试模横向放置冷却至室温（时间不小于12 小时），置于脱模机上脱出试件。将试件放入标准养护室养护24个小时。取出后放置于干燥洁净的平面上备用。

3 试验方案

本研究中冻融劈裂实验设计四组实验，各组实验设计参数如表2所示。

表2 实验设计参数

3.1 饱水率实验

称取试件在空气中的质量（ma），将试件置于常温水槽中并将水槽放置于真空干燥器中，使真空干燥器维持在真空度范围为97.3～98.7kPa 中15min；打开阀门，将真空干燥器恢复至常压，并将试件在水中继续放置半个小时；快速将试件从水中取出来，用毛巾擦干表面多余的水分，称取真空饱水后的试件质量（mf）。每组试件重复上述实验三次，并取其平均值作为实验数据。

沥青混合料的饱水率按下式计算：

式中：Sw－试件饱水率（%）；ma－干燥试件的空中质量（g）；mf－真空饱水后试件的空中表干质量（g）。

3.2 冻融劈裂实验

选取每组试件中的两个进行真空饱水处理，饱水后立即取出试件放入事先准备好的塑料袋中，并加入纯净水10mL，将袋口扎紧，把试件放入温度为-18℃±2℃为恒温冰箱中，维持16±1h；取出试件后，立即放入60℃±0.5℃的恒温水槽中，并保持10mm 间距，持续2h。取出试件后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0176 进行50mm/min 的加载速率进行劈裂试验。

冻融劈裂抗拉强度按下式进行计算：

式中：RT1—试件未经冻融的劈裂抗拉强度（MPa）；RT2—试件冻融后的劈裂抗拉强度（MPa）；PT1—试件未经冻融的实验荷载（N）；PT2—试件冻融后的实验荷载（N）；h—对应试件的高度（mm）。

冻融劈裂抗拉强度比按下式计算：

式中：TSR—冻融劈裂实验强度比（%）；—试件冻融后的有效劈裂抗拉强度平均值（MPa）；—试件未经冻融的有效劈裂抗拉强度的平均值（MPa）。

4 结果分析

图3为试件饱水实验数据图，根据经验可知：饱水率=饱和度×孔隙率，试件经真空饱水处理，可认为饱和度=1，因此可以得出试件孔隙率依次为：0.5%＞0%＞0.4%＞0.3%（纤维掺量）,当沥青混合料中玄武岩纤维掺量为0.3%时，沥青混合料中的孔隙率最小，沥青混合料的密实度更高。玄武岩纤维的加入，纤维首先展现出吸附性能，使沥青混合料之间的孔隙率下降；随着玄武岩纤维掺量的提高，沥青混合料中的自由沥青量大量减少，沥青混合料中的孔隙率逐渐增大；纤维掺量增加到0.5%时，纤维之间产生过多的纤维网状结构，致使孔隙率再次上升，超过无添加纤维的沥青混合料。孔隙越小意味着水分的渗透路径越为狭窄，可以减少沥青混合料中的渗水程度，从而降低水分对沥青混合料的侵蚀和破坏，有助于提高沥青混合料的耐水性和抗裂性。

图3 饱水率变化图

冻融劈裂强度比反映了沥青混合料的水稳定性，图4为各试件的劈裂强度，表3为平均劈裂强度，由图及表可以看出，试件冻融之后的劈裂强度均出现折减，最大强度折减接近50%.

图4 各试件劈裂强度

表3 平均劈裂强度

图5中红色数据点为实验所得沥青混合料冻融强度比，仅以图中数据来看，玄武岩纤维掺量从0%～0.3%，试件冻融劈裂强度比上升了42.7%，随着纤维掺量增加到0.4%、0.5%，劈裂强度比出现下降，且幅度较大。玄武岩纤维在沥青混合料中发挥了其增粘、抗拉性能［16］，能够有效吸附沥青，增加沥青的使用量和饱和度，这在冻融劈裂试验过程中标准马歇尔试件出现的破碎情况为不连续型断裂可以看出。同时，玄武岩纤维吸附的沥青可以使沥青膜在矿料表面变厚，减少自由沥青的含量，增强沥青与集料之间的粘结力。通过增强沥青与矿物集料之间界面膜的厚度，提高了沥青混合料混合料抗水剥离的能力，降低了水对沥青胶浆的侵蚀破坏作用。此外，玄武岩纤维不仅可以提高沥青胶浆抵抗周围环境侵蚀破坏的能力，而且可以改善混合料抵抗水损害能力。而当玄武岩纤维掺量超过0.3%后，太多的玄武岩纤维吸附了太多的沥青会降低沥青和不同级配碎石之间的粘聚力，从而导致沥青混合料出现较大的空隙而无法抵抗后续冻融循环中出现的内部应力而出现破碎。导致沥青与矿物集料之间的孔隙增大，粘结力出现大幅度下降，导致沥青混合料的冻融循环劈裂强度比出现下降。