玄武岩纤维对沥青混合料的路用性能影响分析

洪 渊，陈国伟，唐建亚，王金生，张韩帅

(1浙江省交通投资集团有限公司，浙江杭州 310020；2江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏南京 211800)

国内经济迅速增长背景下交通量不断增加，交通压力随之增大，各种重轴载交通逐年上升。沥青路面在重轴载车辆长期行驶影响下可能会出现松散、车辙和裂缝等早期病害问题[1-3]，这些病害发生后会加速路面质量下降过程，降低工程寿命，增加养护成本，给人们驾车出行带来种种不便。如何强化沥青路面路用性能并提升其使用寿命，成为公路相关专业研究者者共同关注的重点问题[4-5]。

当前，学界学者已通过尝试在沥青混合料中掺入纳米材料[6]、天然橡胶[7]、聚合物[8]、废橡胶粉[9]等材料以改良沥青混凝土路用性能，但沥青路面依旧存在剪切强度较弱、拉伸强度不足等问题，开裂、永久变形现象等持续存在。而掺入纤维材料后，沥青混合料高温稳定性、水稳定性和低温稳定性能均能得到显著改善[10-12]。相关研究改善沥青路面综合性能采用的纤维材料可以大致分为天然纤维和合成纤维，其中合成纤维主要为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等。作为一种性能优良、性价比突出的新型环保材料，玄武岩纤维的原材料为玄武岩，经特定工艺加工后形成纤维材料，该材料和沥青之间相容性极强，应用在路面工程中能够达到强化混合料加筋吸附的效果[13]，改良路面低温抗裂性能和高温稳定性能，具有较强的应用意义。

彭波[14]分析了沥青路面高温稳定性和掺入纤维种类的差异，结合玄武岩纤维、木质素纤维进行试验探究，并分析总结纤维材料改良混合料高温稳定性能的作用机理。吴少鹏等[15]结合室内试验，探究了不同种类玄武岩纤维对沥青混合料性能的改良效果，结果显示AC-16C型密集配沥青混合料在纤维掺量3%条件下，采用4.63%油石比能够达到良好的路用性能。徐刚等[16]结合工程试验，分析了不同掺量下玄武岩纤维对沥青混合料路用性能的改良效果，结果显示掺入0.4%玄武岩纤维时沥青混合料性能较好，且经济性良好。

本文在上述相关研究成果的基础上，结合水稳定性试验、小梁弯曲试验和动稳定度试验等方式，探究SMA-13型沥青混合料路用性能在掺入纤维后的性能差异，以期推动玄武岩纤维在路面工程中得到更加广泛应用。

1 沥青混合料级配

1.1 原材料

本研究采用玄武岩作为粗集料、细集料，矿粉材质为石灰岩，使用SBS I-C改性沥青开展试验，其各项材料性能参数见表1。相较于其他纤维材料而言，玄武岩纤维具有显著更强的抗高温性能，同时力学性能优异，研究选用浙江石金玄武岩纤维股份有限公司生产的直径为17μm短切纱（玄武岩纤维），不同纤维物理性能对比见表2。

表1 改性沥青材料性能参数Table 1 Performance parameters of modified asphalt materials

表2 纤维物理性能对比Table 2 Comparison of fiber physical properties

1.2 配合比

以《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)为依据[7]，使用SMA-13型沥青玛蹄脂混合料进行试验，具体采用级配范围、目标级配见表3。

表3 矿料级配Table 3 Mineral material grading

使用0.3%玄武岩纤维掺量配制SMA-13型沥青混合料，并通过试验获取混合料的最佳油石比，试验结果见表4。

表4 马歇尔试验结果及最佳油石比Table 4 Marshall test results and optimal oil stone ratio

2 纤维掺量及长度的最佳值确定

分别选择纤维掺量0%、0.1%、0.3%、0.5%配制沥青混合料，分组开展动稳定度试验，结果如图1所示。

图1 纤维掺量-动稳定度关系曲线Fig.1 Relationship curve between fiber content and dynamic stability

使用最佳纤维掺量、最佳油石比条件下调整纤维长度，使用3mm、6mm和9mm长度纤维材料分别配制沥青混合料并进行动稳定度试验，结果如图2所示。

图2 纤维长度-动稳定度关系曲线Fig.2 Fiber length-dynamic stability relationship curve

由图1可知，沥青混合料动稳定度随纤维掺量增加而提升，其中纤维掺量在0.3%以下时沥青混合料动稳定度提升速度较快，而当纤维掺量达到0.3%以上时动稳定度增长速度放缓。由图2可知，沥青混合料动稳定度随掺入纤维长度提升而表现出先增加后降低的趋势，其中混合料动稳定度在纤维长度6mm时达到峰值。综合分析认为，纤维长度6mm为最佳长度，玄武岩纤维掺量0.3%为最佳掺量。

3 SMA-13沥青混合料路用性能试验

3.1 高温稳定性

车辙问题是沥青路面常见且难以有效处理的病害问题之一，这也是导致沥青路面高温稳定性难以有效提升的关键问题所在[8]。国内有关规定指出，沥青混合料高温稳定性需通过车辙板试验法进行测定，通过模拟车辆荷载作用下沥青路面受影响效果，判断高温、荷载共同作用下沥青混合料性能。根据第2章试验结果，选取最佳纤维长度6mm，设置4组试验进一步探究沥青混合料高温稳定性能与不同的纤维掺量和种类之间关系，其中3组分别掺入0.1%、0.3%和0.5%玄武岩纤维，1组掺入0.3%木质素纤维，试验结果中玄武岩纤维用B表示，木质素纤维用A表示，结果如图3所示。

图3 沥青混合料动稳定度对比Fig.3 Comparison of dynamic stability of asphalt mixtures

由图3可知，玄武岩纤维各组中，沥青混合料动稳定度随纤维掺量提升而逐渐提升，其中掺量0.3%条件下，掺入玄武岩纤维的沥青混合料动稳定度比掺入木质素纤维的沥青混合料高出19.1%，掺入0.5%玄武岩纤维的沥青混合料比掺入0.3%木质素纤维沥青混合料高出27.1%。由此可知，纤维掺量为0.3%时，玄武岩纤维的掺入对混合料高温稳定性能的提升更加明显，原因在于掺入玄武岩纤维后对沥青混合料产生吸附加筋作用，材料抗剪切变形能力显著增强。

3.2 低温抗裂性能

我国北方地区由于昼夜温差较大，沥青路面工程受冻融循环作用容易出现低温开裂病害问题，这也是该地区沥青路面病害的主要形式之一，因此需要分析纤维掺量和种类对沥青混合料低温抗裂性能影响。本文通过小梁低温弯曲试验，设置4组试验探究沥青混合料低温抗裂性能和纤维掺量、种类之间关系，其中3组分别掺入0.5%、0.3%和0.1%玄武岩纤维，1组掺入0.3%木质素纤维，结果如图4所示。

图4 混合料破坏应变对比Fig.4 Comparison of failure strain of mixture

由图4可知，混合料弯曲破坏应变随玄武岩纤维掺量提升而增加，相较于掺入0.3%木质素纤维沥青混合料，掺入玄武岩纤维掺量分别为0.5%、0.3%和0.1%的沥青混合料弯曲破坏应变分别提升21.3%、17.4%和6.4%。该结果显示，掺入玄武岩纤维后沥青混合料低温抗裂性能得到显著改善。分析认为，掺入纤维后，沥青结构中含有大量纤维结构，限制微小裂缝的形成和发展，沥青材料整体劲度模量显著提升且材料粘聚力增强，因此低温抗裂性能得到有效改善。

3.3 水稳定性

评价沥青路面抗水毁性能时沥青混合料水稳定性是常用指标之一，目前通常结合冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验或粘附性试验等方式探究混合料水稳定性能。本文通过冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验探究混合料水稳定性，设置4组试验探究沥青混合料水稳定性和纤维掺量之间关系，其中3组分别掺入0.5%、0.3%和0.1%玄武岩纤维，1组掺入0.3%木质素纤维，结果如图5和图6所示。

图5 浸水马歇尔试验结果Fig.5 Immersion marshall test results

图6 冻融劈裂试验结果Fig.6 Results of freeze-thaw splitting test

由图6可知，混合料残留稳定度、残留强度比均随玄武岩纤维掺量增加而显著提升。相较于掺量为0.3%木质素纤维混合料，纤维掺量为0.3%的玄武岩纤维混合料残留稳定度提升4.21%、残留强度比提升4.46%；纤维掺量为0.5%的玄武岩纤维混合料残留稳定度提升5.54%、残留强度比提升5.69%。其原因在于沥青材料和玄武岩纤维之间吸附能力较强，掺入适合掺量的玄武岩纤维后混合料密实度提升、孔隙率下降，抗水损能力显著改善。

4 结论

(1)高温稳定性。掺入玄武岩纤维后，沥青混合料高温稳定性能得到显著改良，且在最佳纤维掺量0.3%条件下，掺入玄武岩纤维的沥青混合料具有显著优于掺入木质素纤维沥青混合料的高温稳定性能。

(2)低温抗裂性。沥青混合料的低温抗裂性随玄武岩纤维掺量提升而增加，相较于掺入0.3%木质素纤维沥青混合料，掺入玄武岩纤维掺量分别为0.1%、0.3%和0.5%的沥青混合料低温抗裂性更好，对应弯曲破坏应变分别提升6.4%、17.4%和21.3%。

(3)水稳定性。掺入玄武岩纤维后，材料密实度提升、孔隙率下降，水稳定性提升，表现为抗水损破坏能力显著增强。相较于掺量为0.3%木质素纤维混合料，纤维掺量为0.3%的玄武岩纤维混合料残留稳定度提升4.21%、残留强度比提升4.46%。