玄武巖纖維對高模量瀝青混合料路用性能影響研究

白勱

(湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410004)

美國和法國的研究人員為提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞能力，提出在路面結(jié)構(gòu)承重層采用高模量瀝青混合料的方法，不但增強了瀝青路面的耐久性，還可減薄結(jié)構(gòu)層厚。工程實踐表明，高模量瀝青混合料用于高速公路或國省道的長大縱坡及公路交叉口處的效果很好。高模量瀝青混合料具有很好的抗車轍和抗疲勞特性，但其低溫性能有所不足，這是制約其在低溫季凍區(qū)推廣應(yīng)用的因素之一。因此，有必要通過摻加其他可以改善低溫性能的改性劑進行改良，確保其在具有良好抗高溫和抗疲勞性能的同時具有很好的低溫抗裂能力。

玄武巖纖維由玄武巖礦石在1 500 ℃溫度條件熔融狀態(tài)下拉絲而成，是一種強度高、耐久性好、綠色環(huán)保、性能穩(wěn)定的天然礦物材料。玄武巖纖維用于瀝青改性有利于改善混合料的低溫和疲勞性能，增加瀝青混合料的柔韌度，改善瀝青路面的抗開裂能力。該文針對高模量瀝青混合料低溫性能相對差的特點，開展摻加玄武巖纖維改善其路用性能研究。

1 試驗原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

(1)瀝青。選用中石化70#A級道路石油瀝青和殼牌SBS-I-D改性瀝青，其各項技術(shù)性能(見表1、表2)滿足規(guī)范要求。

表1 AH-70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能測試結(jié)果

表2 殼牌SBS-I-D改性瀝青的技術(shù)性能測試結(jié)果

(2)集料。粗、細集料選用棱角性好、針片狀含量少、強度高、集料性質(zhì)呈堿性、與瀝青有較好黏附性的石灰?guī)r；填料選用石灰?guī)r經(jīng)過磨細后得到的礦粉。礦料的技術(shù)性能符合規(guī)范要求。

(3)玄武巖纖維(BF)。選用浙江某公司產(chǎn)的短切纖維，纖維長度6 mm，技術(shù)指標見表3。

表3 玄武巖纖維的技術(shù)指標

(4)外加劑。采用遼寧交科院研制的路寶牌高模量外加劑(HM)，其外觀為黑色顆粒狀，技術(shù)指標見表4。采用廠家推薦的劑量0.4%，加入方法與其他瀝青改性劑類似，即利用高速剪切機使高模量劑在熱熔瀝青中分散均勻，制備高模量改性瀝青。

表4 路寶牌高模量外加劑的技術(shù)指標

1.2 試驗方案

對基質(zhì)瀝青、0.4%HM、0.2%BF+0.4%HM、0.4%BF+0.4%HM、0.6%BF+0.4%HM、SBS改性瀝青6種瀝青混合料進行常規(guī)車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗和四點彎曲疲勞試驗，以普通瀝青和SBS改性瀝青混合料作為參照組，分析玄武巖纖維用量對高模量瀝青混合料性能的影響。

1.3 配合比設(shè)計

研究表明，瀝青路面的車轍問題主要與中面層有關(guān)，取決于混合料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和面層厚度。選取AC-20C級配作為瀝青路面中面層對瀝青混合料性能進行研究，合成級配見表5。

表5 AC-20C型礦料級配

根據(jù)以往的工程實例預(yù)估普通瀝青混合料AC-20C級配的油石比為4.2%，以0.5%的間隔左右各取2組油石比即3.2%、3.7%、4.2%、4.7%、5.2%，分別進行馬歇爾試驗，得到空隙率、毛體積相對密度、飽和度、流值和穩(wěn)定度等物理力學(xué)指標，通過繪制各油石比與馬歇爾指標的關(guān)系曲線得到最佳油石比OAC為4.3%。以同樣的方法可得到其他瀝青混合料的最佳油石比OAC(見表6)。

表6 不同瀝青混合料的馬歇爾試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料作為一種黏彈性材料，夏季高溫時在車輛荷載不斷作用下易發(fā)生永久變形，如車轍等。研究表明，高模量瀝青混合料對抵抗車轍變形有一定效果。以動穩(wěn)定度DS作為高溫性能評價指標，分析玄武巖纖維對高模量瀝青混合料高溫性能的影響。室內(nèi)成型長、寬為300 mm、厚60 cm的車轍板，試驗溫度60 ℃，試驗結(jié)果見圖1。

從圖1可看出：6種瀝青混合料的動穩(wěn)定度大小為0.6%BF+0.4%HM>0.4%BF+0.4%HM>0.2%BF+0.4%HM>0.4%HM>SBS>基質(zhì)瀝青，0.4%HM的動穩(wěn)定度是SBS改性瀝青的1.2倍、基質(zhì)瀝青的5.6倍，說明高模量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到很大改善；隨著玄武巖纖維的不斷加入，高模量瀝青混合料的動穩(wěn)定度持續(xù)增加，摻0.6%玄武巖纖維的動穩(wěn)定度相對于0.4%HM提高24%，說明玄武巖纖維能改善高模量瀝青混合料的高溫性能。主要原因是玄武巖纖維加入后與瀝青膠結(jié)在一起形成纏繞的結(jié)構(gòu)瀝青，不但降低了瀝青的流動性，也增大了瀝青的比表面積，從而增加了瀝青的黏度，增強了高模量瀝青混合料的高溫性能。

圖1 車轍試驗結(jié)果

2.2 低溫抗裂性

瀝青路面在外界溫度驟降時，結(jié)構(gòu)內(nèi)外因溫差過大會產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生路面開裂，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)承載力和行車舒適性下降，容易產(chǎn)生交通隱患。為保證新建或改建道路的路面質(zhì)量能長期不受低溫影響而發(fā)生破壞，需對路面材料進行優(yōu)化。研究表明，高模量瀝青混合料由于自身模量較大易產(chǎn)生低溫開裂。采用低溫彎曲試驗對摻玄武巖纖維的高模量瀝青混合料進行試驗，試驗溫度-10 ℃，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 低溫彎曲試驗結(jié)果

從圖2可看出：相對于基質(zhì)瀝青，0.4%HM瀝青混合料的破壞應(yīng)變減小，勁度模量增加，說明高模量瀝青混合料的低溫性能不足；摻入玄武巖纖維后，高模量瀝青混合料的破壞應(yīng)變增加，勁度模量減小，且隨著玄武巖纖維用量的增加，破壞應(yīng)變增加，勁度模量逐漸減小，說明加入玄武巖纖維可有效增強高模量瀝青混合料的低溫性能。0.6%玄武巖纖維用量的低溫性能接近于SBS改性瀝青。這是由于玄武巖纖維與瀝青形成一定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加了低溫韌性，緩解了溫度應(yīng)力對混合料的影響。

2.3 水穩(wěn)定性

由于凍融劈裂試驗更符合瀝青路面服役過程的實際狀況，采用凍融劈裂試驗對摻加玄武巖纖維的高模量瀝青混合料水穩(wěn)定性進行評價，評價指標為凍融劈裂強度比。試驗結(jié)果見表7、圖3。

從表7、圖3可看出：0.4%HM瀝青混合料的凍融劈裂強度比相對于基質(zhì)瀝青提高6.6%，相對于SBS提高2.2%；在0.4%HM的基礎(chǔ)上摻入玄武巖纖維，凍融劈裂強度比隨玄武巖用量的增加逐漸減小，表明高模量瀝青混合料本身具有很好的水穩(wěn)定性，但玄武巖纖維會對其抗水損害性能產(chǎn)生不良影響。這是由于玄武巖纖維與瀝青形成相互纏繞的空間結(jié)構(gòu)黏附于集料表面，一定程度上阻撓了細小集料填補骨料間的空缺，在凍融循環(huán)試驗過程中水分會浸入這些空缺，在低溫條件下發(fā)生凍脹反應(yīng)，破壞瀝青與集料的黏附結(jié)構(gòu)，使混合料發(fā)生水損害。

表7 凍融劈裂試驗結(jié)果

圖3 凍融劈裂強度比對比

2.4 抗疲勞性能

采用MTS萬能材料試驗機對添加玄武巖纖維的高模量瀝青混合料進行四點彎曲試驗，試驗溫度15 ℃，采用應(yīng)變控制模式。為更直觀地反映不同類型瀝青混合料的疲勞壽命，選擇單一小應(yīng)變水平500 με進行試驗。一般認為試件的勁度模量下降到初始勁度模量的50%時，試件所受荷載重復(fù)作用次數(shù)即為其疲勞壽命。試驗結(jié)果見表8、圖4。

從表8、圖4可看出：0.4%HM瀝青混合料的疲勞壽命是基質(zhì)瀝青的4.7倍，在0.4%HM的基礎(chǔ)上以0.2%的幅度加入玄武巖纖維，高模量瀝青混合料的疲勞壽命逐漸增加，摻0.2%BF時疲勞壽命已超過SBS改性瀝青，摻0.6%BF時疲勞壽命是SBS的1.8倍、基質(zhì)瀝青的14倍，說明高模量瀝青混合料自身具有良好的抗疲勞特性，加入玄武巖纖維后其疲勞性能進一步得到大幅改善。一方面，由于玄武巖纖維與瀝青形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增大了瀝青膜厚度，增強了瀝青與集料的黏結(jié)性，加之纖維本身具有加筋增韌作用，阻礙了裂縫的進一步擴展，改善了其抗疲勞性能；另一方面，玄武巖纖維本身的彈性模量較大，加入混合料后提高了柔性成分，疏散了一部分應(yīng)力，使混合料產(chǎn)生裂縫的概率減小，從而提高了其抗疲勞性能。

表8 四點彎曲疲勞試驗結(jié)果

圖4 疲勞壽命對比

3 結(jié)論

(1)6種瀝青混合料的動穩(wěn)定度大小為0.6%BF+0.4%HM>0.4%BF+ 0.4%HM>0.2%BF+0.4%HM>0.4%HM>SBS>基質(zhì)瀝青，高模量瀝青混合料自身具有良好的高溫穩(wěn)定性，摻入玄武巖纖維后其高溫性能優(yōu)勢更顯著。

(2)玄武巖纖維能改善高模量瀝青混合料的低溫性能不足問題，0.6%玄武巖纖維用量時的低溫性能趨于SBS改性瀝青。

(3)高模量瀝青混合料本身具有很好的抗水損害性能，但摻入玄武巖纖維會對其抗水損害性能產(chǎn)生不良影響。

(4)高模量瀝青混合料自身具有良好的抗疲勞特性，加入玄武巖纖維后，0.6%玄武巖纖維用量時的疲勞壽命是SBS的1.8倍、基質(zhì)瀝青的14倍，大幅改善了其疲勞性能。