杨曼直

(安徽省阜阳市水利规划设计院，安徽 阜阳 236000)

设计规范中规定，配制心墙沥青混凝土的骨料宜采用碱性破碎岩石，不宜采用酸性骨料[1]。当采用酸性骨料配制心墙沥青混凝土时，应进行相关研究，采取改善酸性骨料与沥青黏附性能的措施并经试验论证。玄武岩纤维具有强度高、耐久性好等优点，被广泛应用于改善道路沥青混凝土的高低温性能[2]，玄武岩纤维作为提高沥青混凝土性能的有效措施在公路沥青混凝土中已开展了较多研究。陆贵银等[3]针对普通PAN纤维、高强PAN纤维和玄武岩纤维3中不同纤维对沥青混凝土性能的增强和改善作用进行了研究，试验结果表明高强PAN纤维的改善作用效果最好；袁玉卿等[4]研究了透水沥青混凝土的玄武岩纤维最佳掺量，指出玄武岩纤维掺量应控制在0.3%～0.4%，并提出了最佳沥青用量区间；魏志峰[5]开展了类似研究，提出玄武岩纤维最佳掺量在0.4%～0.6%；吕耀华[6]、王子枫等[7]通过研究提出玄武岩纤维最佳掺量在0.3%左右。已有研究中，玄武岩纤维改善沥青混凝土性能的研究均为道路沥青混凝土，针对心墙沥青混凝土的研究较少。也有学者针对路面特殊要求，开展了不用纤维对沥青混凝土性能的改善作用，如石墨钢碳纤维[8]、醋酸纤维[9]、玻璃纤维[10]、木质素纤维[11]、聚丙烯纤维[12]、聚乙烯醇纤维[13]等，考虑到普适性和心墙沥青混凝土的工作性能，本文选取掺加玄武岩纤维作为改善花岗岩骨料配制心墙沥青混凝土的措施，基于沥青混凝土单轴压缩、小梁弯曲、拉伸和水稳定性试验，开展了玄武岩纤维改善心墙沥青混凝土性能的最佳掺量研究，试验结果将为玄武岩纤维在心墙沥青混凝土中的应用提供一定的理论指导和技术支撑。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验所用的原材料包括粗骨料、细骨料、填料、沥青、玄武岩纤维。粗骨料与细骨料均为自行加工破碎的花岗岩石料，填料为矿粉，沥青为A级70号道路石油沥青，玄武岩纤维为购买的成品。原材料基本技术指标分别见表1—4，粗细骨料级配曲线见图1。技术指标要求参照水工沥青混凝土施工规范[14]。

表2 填料基本技术指标

表3 沥青基本技术指标

表4 玄武岩纤维基本技术指标

图1 粗细骨料级配曲线

1.2 试验方法

试验方法均参照水工沥青混凝土试验规程[15]要求操作，具体试验方法如下。

a)单轴压缩试验方法。制备沥青混凝土单轴压缩试件(高100 mm±3 mm，直径100 mm±2 mm)，将试件在常温下静置24 h以后，再将试件置于10 ℃水中恒温不少于4 h，恒温后的试件安装到试验机恒温室中进行试验，加载速率控制在1 mm/min，采集试验数据。每组试验测定3个试件，取3个试件结果的平均值作为试验结果，当3个试件测值中最大值或最小值之一与中间值之差超过中间值的15%时，取中间值作为试验结果，当3个试件测值中最大值和最小值与中间值之差均超过中间值的15%时，应重做试验。

b)小梁弯曲试验方法。制备沥青混凝土小梁弯曲试件(250±2) mm×(40±1) mm×(35±1) mm，将试件置于10 ℃的恒温水槽中恒温不少于4 h，将试件置于试验机支座上，开动试验机，以1%/min应变速率加载。每组试验制备3个试件，试验结果取值规则与单轴压缩试验相同。

c)拉伸试验方法。制备沥青混凝土拉伸试件(220±2) mm×(40±1) mm×(40±1) mm，将试件置于10 ℃的恒温水槽中恒温不少于4 h，将试件装置于夹具中，安放到拉力试验机上进行拉伸，按照1%/min应变速率加载。每组试验制备3个试件，试验结果取值规则与单轴压缩试验相同。

d)水稳定性试验方法。制备沥青混凝土水稳定性试验试件(同单轴压缩试验试件)，每组试验需制备6个试件，分为2组，每组3个，第一组试件放入20 ℃±1 ℃空气中至少48 h，第二组先放入60 ℃±1 ℃的恒温水箱中浸水48 h后，再放入20 ℃±1 ℃的恒温水箱中浸水不少于2 h，将试件安装到试验机恒温室中进行试验，加载速率控制在1 mm/min，采集试验数据。试验结果取值规则与单轴压缩试验相同。

1.3 配合比优选

按照均匀正交试验设计方案，通过正交试验进行配合比优选，依据级配指数、填料用量、沥青用量3个配合比设计参数，每个设计参数设置3个水平，共9组试验，以马歇尔稳定度和流值为优选的参考指标，确定配合比。经均匀正交试验优选后得到的沥青混凝土设计配合比见表5。2组不同矿料设计配合比的合成级配曲线与设计级配曲线见图2。玄武岩纤维掺量从0%～0.8%共进行9组不同掺量的试验研究。

表5 沥青混凝土设计配合比

图2 合成级配与理论级配曲线

2 试验结果与分析

2.1 单轴压缩试验结果

不同玄武岩纤维掺量条件下，以花岗岩骨料配制的心墙沥青混凝土的压缩强度试验结果见图3。由图3结果可以看出，当玄武岩纤维掺量由0%增加至0.1%时，试件压缩强度提高效果明显，由2.52 MPa提高到2.98 MPa，提高约18.25%，当玄武岩纤维掺量为0.6%时，以花岗岩骨料配制的沥青混凝土压缩强度达到最大值，为3.79 MPa，较玄武岩纤维掺量为0%时提高50.39%。当玄武岩纤维掺量超过0.6%时，压缩强度数值开始减小。

2.2 小梁弯曲试验结果

不同玄武岩纤维掺量条件下，以花岗岩骨料配制的心墙沥青混凝土的抗弯强度试验结果见图4。由图4试验结果看出，玄武岩纤维对花岗岩心墙沥青混凝土抗弯强度的影响趋势与压缩强度结果近似，玄武岩纤维掺量由0%增加至0.1%时，试件抗弯强度提高效果明显，提高约20.41%，当玄武岩纤维掺量为0.6%时，抗弯强度提高约44.22%。当玄武岩纤维掺量超过0.6%时，掺加玄武岩纤维后对沥青混凝土抗弯强度的增强效果开始减弱，抗弯强度数值开始减小。

图3 不同纤维掺量压缩强度试验结果

图4 不同纤维掺量抗弯强度试验结果

2.3 拉伸试验结果

不同玄武岩纤维掺量条件下，以花岗岩骨料配制的心墙沥青混凝土的拉伸强度试验结果见图5。掺加玄武岩纤维后配制的花岗岩心墙沥青混凝土拉伸强度提高最显著，当玄武岩纤维掺量在0.6%时，拉伸强度达到最大值，相较未添加玄武岩纤维的花岗岩心墙沥青混凝土拉伸强度提高1.5倍以上，由未添加玄武岩纤维时的0.53 MPa提高至1.35 MPa。

图5 不同纤维掺量拉伸强度试验结果

2.4 水稳定性试验结果

不同玄武岩纤维掺量条件下，以花岗岩骨料配制的心墙沥青混凝土的水稳定系数试验结果见图6。当玄武岩纤维掺量为0%时，以花岗岩骨料配制的心墙沥青混凝土的水稳定系数为0.82，不能满足规范的要求。当玄武岩纤维掺量为0.1%时，水稳定系数提高至0.92，与前述力学性能结果一致，当玄武岩纤维掺量为0.6%时，以花岗岩骨料配制的心墙沥青混凝土的水稳定系数达到最大值1.03，较未掺加玄武岩纤维时提高25.61%，相较力学性能指标改善效果较小。

图6 不同纤维掺量水稳定性试验结果

2.5 结果分析

通过对单轴压缩、小梁弯曲、拉伸及水稳定性试验结果进行分析，玄武岩纤维对以花岗岩骨料配制的心墙沥青混凝土各项性能均有不同程度的改善效果。其中，对抗拉强度的改善效果最好，对水稳定性能的改善效果最小。玄武岩纤维与沥青混凝土中的骨料形成更为密实的三维网状结构，提高了沥青混凝土的整体性。同时，玄武岩纤维的抗拉强度高，起到了一定的受力作用。玄武岩纤维属于碱性材料，沥青属于酸性材料，在花岗岩心墙沥青混凝土中掺加玄武岩纤维后增强了骨料与沥青之间的化学吸附作用。李志刚等[16]对玄武岩纤维改善酸性集料沥青混凝土性能开展了一定的研究，提出玄武岩纤维掺量在0.3%～0.4%时，对道路沥青混凝土的高低温性能改善作用最明显，效果最优。与本文的玄武岩纤维最佳掺量为0.6%的研究结果存在一定差异，主要是因为心墙沥青混凝土的沥青用量通常在6%～7%，道路沥青混凝土的沥青用量一般在4%～5%，造成心墙沥青混凝土的玄武岩纤维最佳掺量偏高。

3 结语

a)改善花岗岩心墙沥青混凝土的玄武岩纤维最佳掺量在0.6%左右。

b)玄武岩纤维由0%增加至0.1%时，对花岗岩心墙沥青混凝土的各项物理力学性能有明显的改善作用，在满足工程建设需要的前提下，工程实践中玄武岩纤维掺量达到0.1%即可。

c)玄武岩纤维对花岗岩心墙沥青混凝土的各项力学性能有不同程度的改善作用，对抗拉强度的改善效果最好，对水稳定性的改善效果最小，分别提高了154.72%和25.61%。