掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料试验分析

吴 军（吉水县城市管理局市政环卫所，江西 吉安 331600）

0 引 言

沥青路面是道桥工程中广泛使用的路面类型，具有良好的力学性能、耐久性和抗滑性能。然而，传统的沥青路面材料易受到温度、湿度等环境因素的影响，导致路面损坏和寿命缩短。由于沥青性质较为复杂，将其使用在道路桥梁路面施工中，必须遵循设置的配合比，才能保证道桥施工中路面质量[1]。目前，很多道桥工程施工中的路面病害，均和沥青使用效果存在关联性[2]。为了提高沥青路面的性能和寿命，延长道桥路面使用性能与时间，研究者们一直在探索新型的路面材料和技术。玄武岩纤维作为一种新型的纤维材料，具有优良的物理和化学性能，如断裂强度显著，耐酸碱腐蚀性能优越，强度、耐热性高，膨胀性低等，因此在建筑材料、道路工程等领域得到了广泛的应用[3]。有研究表明，将玄武岩纤维掺入到沥青混合料中，对优化道桥路面路用性能存在重要意义[4]，其可以提高混合料的力学性能、抗疲劳性能和抗裂纹扩展能力等，优化道桥路面的结构性能，防止、降低沥青路面病害出现概率，从而延长道桥路面使用时间[5]。

本文旨在通过试验分析，探讨掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料的性能和可行性，为玄武岩纤维在道路工程领域的进一步推广和应用提供理论支持和实践依据。

1 掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料试验简介

玄武岩纤维的制备原料属于天然级材料，把此原料破碎后放入熔窑，在1 450 ℃高温环境中熔融完毕后快速拉制，便可制备为连续纤维。在此制备过程中，并不会出现废水、废气等工业垃圾，具有较好的环保性[6]。

1.1 试验材料

1.1.1 沥 青

试验所用沥青是壳牌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene-butadiene-styrene，SBS）改性沥青（四川禾生光谷股份有限公司），其具体性能指标如下：针入度为72 mm；软化点为65 ℃；延度为49 cm；针入度指数为0.6；溶解度为99.9%；闪点为330 ℃；运动黏度为1.9 Pa·s；弹性恢复为77%；软化点差为1.5 ℃。

1.1.2 矿 料

矿料中，粗集料采用骨料粒径是0.08～15.00 mm的玄武岩碎石料（山东展飞建筑材料有限公司），其表观相对密度与毛体积相对密度依次是2.93 g/cm3、2.79 g/cm3；细集料采用表观密度、砂当量分别是2.83 g/cm3、93%的石灰岩机制砂（重庆渝胜矿业有限公司）；矿粉采用石灰岩矿粉（唐山鑫征建材有限公司）。

1.1.3 玄武岩纤维

使用短切玄武岩纤维，其断裂强度、断裂伸长率、吸油率依次是1 222 MPa、2.72%、53%；含水率、耐热性断裂强度保留率、耐碱性断裂强度保留率依次是94%、90%、90%。

1.2 制作方法

将壳牌SBS改性沥青放入聚四氟乙烯烧杯（德清新多菱氟化学有限公司）中，在温度为180 ℃的油浴条件下对其加热；熔化后，将矿料、玄武岩纤维放入烧杯，搅拌均匀；最后将搅拌后的混合料放在模具中，使用MDJ-IIA/B/C马歇尔电动击实仪（上海魅宇仪器科技有限公司）击实。

复合材料还未成型时，将WZF-300碾压机（ 郑州哈威工程设备有限公司）的弧形碾压板加热值设置成100 ℃，将掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料试件放置于碾压板上，将其碾压成型后放入在温度为60 ℃的恒温室（北京恒泰丰科试验设备有限公司）中保温5 h。

掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料制作完毕，设置复合材料的级配方案AC-13C：油石比为6.1%，理论密度与间隙率分别是2.464 g/cm3、16.8%，稳定度、流值分别是9.32%、42.5 mm，空隙率与饱和度分别是3.3%、82.6%。

1.3 路用性能分析方法

掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料，作为路面的面层材料，在车载力的作用下，需要具备合格的路用性能，才能保证路面不过早出现车辙病害，且降低车辙病害级别[7]。路用性能主要包括高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性。因篇幅原因，本文研究以路面高温稳定性为路用性能分析指标。车辙测试是检测路面路用性能的核心方法之一。此方法能够模拟现实生活中，汽车对路面产生的车辙状态，分析路面的高温稳定性，从而判断路面结构的抗车辙病害性能[8]。

本研究中，车辙测试使用JTG E20－2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的沥青混合料车辙测试方法。设置试验中所模拟的车轮与路面接触压力是0.8 MPa，运行长度是24 cm，加载次数与温度依次是30次、60 ℃。提取试验中45 min、60 min的路面变形量E45、E60，分析道桥沥青路面动稳定度ER：

式中，T1、T2分别是道桥沥青路面车辙测试的不同时间段[9]。

2 道桥沥青路面复合材料的纤维掺量分析

为了保证道桥沥青路面复合材料用于路面施工后，路面路用性能得以优化，考虑纤维掺量对道桥沥青路面复合材料的高温稳定性存在影响，将玄武岩纤维掺量分别设成0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。不同纤维掺量条件中，道桥路面的45 min、60 min路面变形量以及动稳定度测试结果，如表1所示。

表1 道桥沥青路面复合材料的纤维掺量分析结果

分析表1测试结果可知，道桥沥青路面复合材料用于路面施工后，当玄武岩纤维掺量增多，道桥沥青路面的动稳定度也出现增大的趋势。这表明掺入玄武岩纤维，能够优化道桥路面的高温稳定性，从而降低路面车辙病害的出现概率。掺入0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%的玄武岩纤维后，掺量是0.10%的工况中，道桥沥青路面45 min变形量与60 min变形量最小，为1.382 mm、1.439 mm，动稳定度最大，为9 526次/mm。分析其原因，为：掺入玄武岩纤维后，道桥沥青路面复合材料的沥青流动，会受到玄武岩纤维网络影响，增大沥青胶浆黏度，且玄武岩纤维表层具有碱性属性，其与沥青结合后，沥青膜厚增大。在高温工况中，玄武岩纤维内部空隙可作为沥青的缓冲空间，降低沥青路面高温出油的概率。且玄武岩纤维自身的网状结构，能够降低道桥沥青路面复合材料的塑性变形程度，优化道桥沥青路面复合材料的高温抗剪切能力，从而避免路面出现车辙病害。

表1中获取的玄武岩纤维最优掺量是0.10%，原因是：玄武岩纤维掺量过多，会导致纤维结团，致使道桥沥青路面复合材料的高温稳定性变差，易出现车辙病害。

3 道桥沥青路面复合材料的纤维长度分析

除了玄武岩纤维掺量对高温稳定性存在影响之外，纤维长度对其也存在一定影响。为此，玄武岩纤维长度分别设置为0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm。不同纤维掺量条件中，道桥路面的45 min、60 min路面变形量以及动稳定度测试结果，如表2所示。

表2 道桥沥青路面复合材料的纤维长度分析结果

分析表2测试结果可知，玄武岩纤维长度增大后，道桥沥青路面的动稳定度随之变化。掺入长度为0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的玄武岩纤维后，长度为6 mm时，道桥沥青路面45 min变形量与60 min变形量最小，为1.236 mm、1.523 mm时，动稳定度最大，为8 043次/mm。分析其原因，为：使用合理长度的玄武岩纤维，能够优化道桥沥青路面的动稳定度，其可提供“加筋”式作用，从而约束道桥沥青路面骨料，保证道桥沥青路面骨料之间不出现相对滑移问题，优化道桥沥青路面抗变形性能，从而避免路面出现车辙病害。结合表2测试结果可知，玄武岩纤维最优长度是6 mm。

综上所述，在道桥施工中，为了预防道桥沥青路面出现车辙病害，可将掺量是0.10%、长度是6 mm的玄武岩纤维和壳牌SBS改性沥青、玄武岩碎石料、石灰岩机制砂、石灰岩矿粉混合应用，制备为道桥沥青路面的复合材料。将其用于道桥沥青路面施工后，可优化道桥沥青路面的抗车辙病害能力，道桥沥青路面动稳定度明显提升。

4 结 语

道路桥梁工程属于城市基础建设的核心工程之一，其施工质量直接影响城市的交通运输状态。在国民经济快速发展的大环境中，道路桥梁质量也需随之提升，紧跟社会发展的脚步，才能够有效缓解城市交通压力，为城市之间的交流与城市的发展提供积极作用。因此，优化道路桥梁工程建设质量，是城市基础设施建设的核心问题。施工过程中，必须使用科学的方法、有效的预防性养护技术，降低道桥建设的路面病害出现概率。本文对掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料进行试验研究，研究结果表明：玄武岩纤维的掺入对沥青路面的抗疲劳性能、抗车辙性能、抗裂性能等方面均有显著改善；同时，玄武岩纤维的加入还可以有效提高沥青路面的耐久性和抗老化性能，延长路面的使用寿命。

综上所述，掺入玄武岩纤维的道桥沥青路面复合材料具有优良的性能和广阔的应用前景。在实际工程中，可以显著提高路面的使用寿命和耐久性，减少维修成本，具有良好的经济效益和社会效益。未来，笔者建议进一步研究玄武岩纤维与其他类型纤维的协同作用，以及复合材料在复杂环境条件下的性能表现，为道桥沥青路面的优化设计和施工提供更加可靠的依据。