玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究

齊文彬

（中鐵十八局集團有限公司， 天津 300000）

隨著我國經濟的快速發展， 高等級公路建設工程對路面材料科技含量要求不斷提升。 瀝青混合料具有低噪音、 行車舒適、 養護簡便等優點，被廣泛應用于高等級公路建設中。 但不斷增加的交通量使得瀝青路面出現車轍、 裂縫、 坑槽等不同程度的路面病害， 嚴重影響瀝青路面的使用性能及出行安全。 道路工作者從理論知識、 先進科技水平出發， 研究新材料、 新工藝等不同方法提高瀝青混合料的路用性能[1，2］。 目前， 改性瀝青已廣泛應用于瀝青混合料之中， 大量工程研究已證明木質素、 聚酯、 玻璃等纖維作為外摻劑可提高瀝青混合料粘結作用[3］。 玄武巖作為新時代環保高性能纖維， 對其在瀝青混合料中的研究較少， 故本文將玄武巖纖維作為外摻劑， 研究其對瀝青混合料高溫、 低溫性能影響。

1 工程概況

本文依托某高等級路面施工工程， 選取路段為路線起K1+235K3+635， 設計車道為雙向四車道， 路基寬25.5m， 設計車速80km/h， 路基平均填高3.6m， 最大填高為4.8m， 最小填高為2.5m， 采用玄武巖纖維瀝青混合料進行路面施工。

2 原材料性能檢測

2.1 瀝青

瀝青在混合料中起粘結作用， 本文采用SK-90 號重交通瀝青， 根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 對其各項指標進行試驗檢測， 試驗結果見表1 所示， 各項指標均滿足施工要求。

表1 SK-90# 基質瀝青物理指標

2.2 集料

（1） 粗集料

粗集料在瀝青混合料中起骨架作用， 本文粗集料選取玄武巖， 依據 《公路工程集料試驗規程》 （JTG E42-2005）， 對所選選集料的壓碎值、磨耗值、 磨光值、 級配等各項指標進行檢測， 試驗結果見表2、 3， 所示各項物理指標滿足施工要求。

表2 粗集料密度檢測表

表3 粗集料技術指標表

（2） 細集料

細集料在瀝青混合料中起到填充作用， 本文依據 《公路工程集料試驗規程》 （JTG E42-2005） 對所選細集料密度進行檢測， 檢測結果如表4 所示。

2.3 填料

本文選用礦粉為石灰巖憎水性礦粉， 本文依據 《公路工程集料試驗規程》 （JTG E42-2005）通過室內試驗對其各項指標進行物理檢測， 技術要求均滿足規范要求， 試驗結果如表5 所示。

表5 礦粉技術指標

2.4 玄武巖纖維

本文選擇玄武巖纖維， 其常規性能指標如表6 所示。

表6 玄武巖纖維常規性能指標

3 玄武巖纖維瀝青混合料路用性能檢測

瀝青混合料路用性能是指瀝青混合料在高溫、 低溫及雨水情況下仍具有良好的性能， 可確保路面平整， 行車安全等性能。 本文為研究玄武巖纖維瀝青混合料路用性能， 從玄武巖纖維摻量或長度對瀝青混合料高溫、 低溫等路用性能影響進行試驗， 選出最佳摻量或長度。

為了使玄武巖纖維能更好的分散于瀝青膠漿之中， 本文采用純葉片式瀝青剪切儀制備纖維瀝青膠漿試樣。 制備前將纖維、 礦粉進行干燥處理， 將其放置烘箱中進行干燥， 干燥完成后進行干拌。 將纖維和礦粉多次緩慢的加入瀝青中 （溫度為160℃）， 待纖維完全被瀝青覆蓋之后， 采用純葉片式瀝青剪切儀， 進行30min 攪拌混合， 轉速為2000r/min， 使礦粉和纖維均勻分散在瀝青基體中， 之后采用低速攪拌， 剪切儀調轉速調制1000r/min， 攪拌20min， 以排除膠漿內部氣泡使纖維瀝青膠漿均勻穩定。

3.1 高溫穩定性

瀝青作為黑色吸熱材料， 在高溫情況下， 瀝青路面溫度高于實際溫度， 使得瀝青混合料勁度模量降低， 從而產出車轍、 泛油、 推移等路面病害， 因此路面高溫穩定性是瀝青混合料路面評價指標之一。 目前， 通常采用車轍試驗， 以動穩定作為評價指標， 公式如式 （1） 所示， 本文從玄武巖摻量、 長度兩個方面進行瀝青混合料高溫性能研究[4］。

式中：DS為動穩定度， 次/mm；d1為時間t1的變形量， mm；d2為時間t2的變形量， mm；C1為修正系數， 取1.0；C2為試件系數， 取1.0；N為試件輪碾速度， 取42 次/min。

（1） 玄武巖纖維摻量對高溫性能影響

制備玄武巖摻量分別為瀝青混合料總質量的0%、 0.2%、 0.4%、 0.6%、 0.8%， 試件尺寸為300mm*3000mm*50mm 瀝青混合料車轍試件，在60℃下進行三組車轍試驗， 取其三組動穩定度平均值作為評價指標， 試驗結果如表7 及圖1 所示。

圖1 動穩定度隨玄武巖纖維摻量的變化規律

表7 玄武巖纖維摻量動穩定度表

由表7、 圖1 可知， 隨著玄武巖纖維摻量增加， 瀝青混合料動穩定度先增加， 隨后下降， 纖維摻量從0%～0.6%之間， 瀝青混合料動穩定度增加至最大， 為2700 次/mm， 隨后開始下降， 說明當玄武巖纖維摻量為0.6%時， 瀝青混合料路面動穩定度最大， 高溫性能最佳。

（2） 玄武巖纖維長度對高溫性能影響

制備玄武巖纖維長度0mm、 3mm、 6mm、9mm、 12mm， 試件尺寸為300mm*3000mm*50mm瀝青混合料車轍試件， 在60℃下進行三組車轍試驗， 取其三組動穩定度平均值作為評價指標， 試驗結果如表8 及圖2 所示。

圖2 動穩定度隨玄武巖纖維長度的變化規律

表8 玄武巖纖維長度動穩定度表

由表8、 圖2 可知， 隨著玄武巖纖維長度增加， 瀝青混合料動穩定度先增加， 隨后下降， 纖維長度從0～6mm 之間， 瀝青混合料動穩定度增加至最大， 為2577 次/mm， 隨后開始下降， 說明當玄武巖纖維長度為6mm 時， 瀝青混合料路面動穩定度最大， 高溫性能最佳。

3.2 低溫性能

瀝青混合料低溫性能是指在低溫情況下瀝青路面抵抗開裂的能力， 本文采取小梁彎曲試驗進行性能試驗， 以最大彎拉應變作為評價指標， 其值越大說明瀝青混合料性能越好， 計算公式如式（2）、 （3）、 （4） 所示。

式中：Rb為彎拉強度最大值， MPa； εb為彎拉應變最大值， um；Sb為勁度模量， MPa；L為混合料試件跨徑， mm； h， b 為混合料試件高度、 寬度mm；Pb，d為混合料試件破壞時的荷載、 撓度， KN， mm。

（1） 玄武巖纖維摻量對低溫性能影響

制備玄武巖摻量分別為瀝青混合料總質量的0%、 0.2%、 0.4%、 0.6%、 0.8%， 瀝青混合料試件， 在-10℃下進行三組小梁彎曲試驗， 取其三組動穩定度平均值作為評價指標， 試驗結果如表9 及圖3 所示。

圖3 最大彎拉應變隨玄武巖纖維摻量變化規律

表9 玄武巖纖維摻量動穩定度表

由表9、 圖3 可知， 隨著玄武巖纖維摻量增加， 瀝青混合料最大彎拉應變先增加， 隨后下降， 纖維摻量從0%～0.6%之間， 瀝青混合料最大彎拉應變增加至最大， 為3142um， 隨后開始下降， 說明當玄武巖纖維摻量為0.6%時， 瀝青混合料路面最大彎拉應變最大， 低溫性能最佳。

（2） 玄武巖纖維長度對低溫性能影響

制備玄武巖纖維長度分別為0mm、 3mm、6mm、 9mm、 12mm， 瀝青混合料試件， 在-10℃下進行三組小梁彎曲試驗， 取其三組最大彎拉應變平均值作為評價指標， 試驗結果如表10 及圖4所示。

圖4 最大彎拉應變隨玄武巖纖維長度變化規律

由表10、 圖4 可知， 隨著玄武巖纖維長度增加， 瀝青混合料最大彎拉應變先增加， 隨后下降， 纖維摻量從0～9mm 之間， 瀝青混合料最大彎拉應變增加至最大， 為3142um， 隨后開始下降， 說明當玄武巖纖維摻量為9mm 時，瀝青混合料路面最大彎拉應變最大， 低溫性能最佳。

4 結語

通過對玄武巖纖維瀝青混合料進行路用性能研究， 得出如下結論：

（1） 通過車轍試驗得出， 當纖維摻量為6%，纖維長度為6mm 時， 玄武巖纖維瀝青混合料高溫性能最佳。

（2） 通過小梁彎曲試驗得出， 當纖維摻量為6%， 纖維長度為9mm 時， 玄武巖纖維瀝青混合低溫性能最佳。