玄武巖纖維尺寸對(duì)瀝青混合料路用性能影響的試驗(yàn)研究

摘 要：為研究玄武巖纖維尺寸對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，文章通過(guò)在瀝青混合料中添加0.3%的玄武巖纖維，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)確定4種不同玄武巖纖維尺寸方案（纖維長(zhǎng)度分別為6 mm、9 mm，纖維直徑分別為16 μm、25 μm）的最佳油石比，以室內(nèi)車轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)、理想開裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析比較4種方案與未摻玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：未摻玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比為4.5%，直徑為16 μm的玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比為4.7%，直徑為25 μm的玄武巖纖維瀝青混合料的最佳油石比為4.6%；動(dòng)穩(wěn)定度、單軸貫入強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、粘聚力、開裂指標(biāo)、浸水殘留穩(wěn)定度等均與玄武巖纖維長(zhǎng)度呈正相關(guān)，與玄武巖纖維直徑呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；瀝青；路用性能；最佳油石比

中圖分類號(hào)：U414.1"A210744

0"引言

瀝青隨著可再生資源的研究逐漸走入人們視線，由于瀝青擁有可降低路面空隙率、增大路面使用壽命、便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存及施工等特點(diǎn)，逐漸成為世界各國(guó)路面的主要材料［1］。但瀝青路面易出現(xiàn)裂縫、水損壞、車轍等病害，嚴(yán)重影響車輛通行的舒適性及安全性，增大道路運(yùn)維成本［2］。因此，對(duì)瀝青混合料路用性能的改良的研究尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青混合料的改良取得了豐富的研究成果，李旺明［3］使用玉米秸稈纖維對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改良，通過(guò)車轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、凍融強(qiáng)度試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)分析瀝青混合料改良前后的變化，提出了最佳摻量的確定方法；申明麗等［4］使用硅藻土對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改良，闡述了硅藻土改性瀝青路面溶解性強(qiáng)、依附性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、造價(jià)低等特點(diǎn)，并對(duì)硅藻土改性瀝青的施工技術(shù)進(jìn)行了分析；郭旋［5］使用木質(zhì)素纖維與玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料進(jìn)行單摻及雙摻改良，并對(duì)改性混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；張娜［6］利用廢舊膠胎粉對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改良，對(duì)改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)，研究改良前后其路用性能的變化規(guī)律；張夢(mèng)［7］基于橡膠顆粒耦合抗凝冰劑改良的瀝青混合料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究自融雪瀝青路面的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性的變化規(guī)律。綜上所述，玉米秸稈纖維、硅藻土、木質(zhì)素纖維、廢舊膠胎粉等均可提高瀝青混合料的路用性能，而玄武巖纖維具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，常被用作改良劑，但對(duì)玄武巖纖維尺寸對(duì)瀝青混合料路用性能影響的研究較少。

鑒于此，本文通過(guò)在瀝青混合料中添加0.3%的玄武巖纖維，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)確定纖維長(zhǎng)度分別為6 mm、9 mm，纖維直徑分別為16 μm、25 μm的4種不同玄武巖纖維尺寸方案的最佳油石比；通過(guò)車轍試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)、理想開裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)，分析不同玄武巖纖維尺寸對(duì)瀝青混合料的路用性能的影響，為玄武巖纖維在瀝青混合料中的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1"原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1"原材料技術(shù)指標(biāo)

本文所用15 μm、25 μm玄武巖纖維來(lái)自四川某玄武巖纖維公司，其相應(yīng)規(guī)范及檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

填料采用石灰?guī)r礦粉，其相應(yīng)規(guī)范及檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

瀝青采用SBS改性瀝青（PG76-22），其相應(yīng)規(guī)范及檢測(cè)結(jié)果如表3所示。集料采用石灰?guī)r（粗集料）及玄武巖（細(xì)集料），其相應(yīng)規(guī)范及檢測(cè)結(jié)果如表4所示。集料篩分結(jié)果如表5所示。

1.2"瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》配制瀝青混合料，相應(yīng)的規(guī)范要求就配制結(jié)果如表6所示。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法確定了未摻入玄武巖纖維的最佳油石比，具體混合料體積參數(shù)及規(guī)范要求如表7所示。

2"路用性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1"動(dòng)穩(wěn)定度分析

對(duì)5種60 ℃瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，利用動(dòng)穩(wěn)定度定量評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)試樣動(dòng)穩(wěn)定性的改良效果。動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算公式為：

DS=t2－t1×Nd2－d1（1）

式中：DS——?jiǎng)臃€(wěn)定度（次/mm）；

t1——試驗(yàn)第45 min；

d1——第45 min玄武巖纖維改良的瀝青混合料變形量；

t2——試驗(yàn)第60 min；

d2——第60 min玄武巖纖維改良的瀝青混合料變形量；

N——車輛每分鐘行走次數(shù)，取45次/min。5種方案的動(dòng)穩(wěn)定度如圖1所示。

由圖1可知，未摻入玄武巖纖維時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度為3 600次/mm，摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后動(dòng)穩(wěn)定度增大到5 150次/mm，增大了43.06%；摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后動(dòng)穩(wěn)定度增大到4 467次/mm，較BF-0增大了24.08%，較BF-1減小了13.26%。說(shuō)明摻入玄武巖纖維可大幅度提升瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性，但增大玄武巖纖維直徑會(huì)減弱動(dòng)穩(wěn)定性的提升效果。

摻入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后動(dòng)穩(wěn)定度增大到5 388次/mm，較BF-0增大了49.67%，較BF-1增大了4.62%；摻入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后動(dòng)穩(wěn)定度增大到4 625次/mm，較BF-0增大了28.47%，較BF-2增大了3.54%，較BF-3減小了14.16%。

綜上所述，玄武巖纖維長(zhǎng)度與瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性呈正相關(guān)，玄武巖纖維直徑與瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。

2.2"強(qiáng)度分析

對(duì)5種60 ℃瀝青混合料進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)。單軸貫入強(qiáng)度計(jì)算公式為：

Rτ=0.35×PA（2）

式中：Rτ——單軸貫入強(qiáng)度（MPa）；

P——極限荷載（N）；

A——壓頭面積（mm2）。

壓縮強(qiáng)度計(jì)算公式為：

Rc=4×Pπd2（3）

式中：Rc——壓縮強(qiáng)度（MPa）；

P——極限荷載（N）；

d——試樣直徑（mm）。

剪切試驗(yàn)獲得試樣對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角與粘聚力，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)摩擦角變化不大，故本文通過(guò)單軸貫入強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、粘聚力評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)試樣強(qiáng)度的改良效果。瀝青混合料強(qiáng)度變化情況如圖2所示。

由圖2可知，未摻入玄武巖纖維時(shí)，單軸貫入強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、粘聚力分別為0.68 MPa、0.46 MPa、0.09 MPa；摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后動(dòng)單軸貫入強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、粘聚力分別增大到0.84 MPa、0.57 MPa、0.09 MPa、0.11 MPa，分別增大了23.53%、23.91%、22.22%。

摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后單軸貫入強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、粘聚力分別增大到0.76 MPa、0.51 MPa、0.1 MPa，較BF-0分別增大了11.76%、10.87%、11.11%，較BF-1分別減小了9.52%、10.53%、9.09%。

摻入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后單軸貫入強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、粘聚力分別增大到0.97 MPa、0.72 MPa、0.123 MPa，較BF-0分別增大了42.65%、56.52%、36.67%，較BF-1分別增大了15.48%、26.32%、11.82%。

摻入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后單軸貫入強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、粘聚力分別增大到0.88 MPa、0.67 MPa、0.114 MPa，較BF-0分別增大了29.41%、45.65%、26.67%，較BF-2分別增大了15.79%、31.37%、3.64%，較BF-3分別減小了9.28%、6.94%、7.32%。

綜上所述，摻入玄武巖纖維可大幅度提升瀝青混合料的強(qiáng)度，玄武巖纖維長(zhǎng)度與瀝青混合料的強(qiáng)度呈正相關(guān)，但增大玄武巖纖維直徑會(huì)減弱強(qiáng)度的提升效果，玄武巖纖維直徑與瀝青混合料的強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。

2.3"抗開裂性能分析

對(duì)5種瀝青混合料進(jìn)行理想開裂試驗(yàn)，利用開裂指標(biāo)CTindex評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)試樣抗開裂性能改良效果。開裂指標(biāo)CTindex計(jì)算公式為：

CTindex=Gf（p85－p65）/（l85－l65）×l75D（4）

式中：CTindex——開裂指標(biāo)；

pi——峰后段i%處荷載（N）；

D——試樣直徑（mm）；

li——峰后段i%處位移（mm）。

5種方案的荷載-位移曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)及式（4）可得5種瀝青混合料的開裂指標(biāo)CTindex變化情況，如圖4所示。

由圖4可知，未摻入玄武巖纖維時(shí)，開裂指標(biāo)CTindex為402，摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后開裂指標(biāo)CTindex增大到750，增大了86.57%；摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后開裂指標(biāo)CTindex增大到562，較BF-0增大了39.8%，較BF-1減小了25.07%。這說(shuō)明摻入玄武巖纖維可大幅度提升瀝青混合料的抗開裂性能，但增大玄武巖纖維直徑會(huì)減弱抗開裂性能的提升效果。

摻入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維后開裂指標(biāo)CTindex增大到630，較BF-0增大了56.72%，較BF-1減小了12%；摻入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維后開裂指標(biāo)CTindex增大到520，較BF-0增大了29.35%，較BF-2減小了7.47%，較BF-3減小了17.46%。這說(shuō)明當(dāng)摻入的玄武巖纖維長(zhǎng)度增大到某一值時(shí)，瀝青混合料的抗裂性能開始減弱，因此存在一個(gè)最優(yōu)纖維長(zhǎng)度。

2.4"水穩(wěn)定性分析

對(duì)5種瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，利用浸水殘留穩(wěn)定度定量評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)試樣水穩(wěn)定性的改良效果。浸水殘留穩(wěn)定度計(jì)算公式為：

MS=MS1MS0×100（5）

式中：MS——浸水殘留穩(wěn)定度（%）；

MS0——試樣初始馬歇爾穩(wěn)定度（kN）；

MS1——2 d后試樣馬歇爾穩(wěn)定度（kN）。

5種方案的浸水殘留穩(wěn)定度如圖5所示。

由圖5可知，BF-0、BF-1、BF-2、BF-3、BF-4的浸水殘留穩(wěn)定度分別為：86%、90%、87%、89%、86%，說(shuō)明玄武巖纖維長(zhǎng)度與瀝青混合料的水穩(wěn)定性呈正相關(guān)，玄武巖纖維直徑與瀝青混合料的水穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。

3"結(jié)語(yǔ)

（1）從馬歇爾試驗(yàn)可知：未摻玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.5%；摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.7%；摻入長(zhǎng)度為6 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.6%；加入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為16 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.7%；加入長(zhǎng)度為9 mm、直徑為25 μm的玄武巖纖維的瀝青混合料的最佳油石比為4.6%；

（2）BF-0、BF-1、BF-2、BF-3、BF-4的動(dòng)穩(wěn)定度分別為3 600次/mm、5 150次/mm、4 467次/mm、5 388次/mm、4 625次/mm；單軸貫入強(qiáng)度分別為0.68 MPa、0.84 MPa、0.76 MPa、0.97 MPa、0.88 MPa；壓縮強(qiáng)度分別為0.46 MPa、0.57 MPa、0.51 MPa、0.72 MPa、0.67 MPa；粘聚力分別為0.09 MPa、0.11 MPa、0.1 MPa、0.123 MPa、0.114 MPa；開裂指標(biāo)CTindex分別為402、750、562、630、520；浸水殘留穩(wěn)定度分別為86%、90%、87%、89%、86%。

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