玄武岩纤维/玻璃纤维沥青混合料路用性能研究

2023-03-17韦才超

西部交通科技 2023年11期

摘要：为研究玄武岩纤维/玻璃纤维沥青混合料的路用性能，文章在纤维总掺量为3%的情况下，采用两种纤维单掺和物理共混复掺的方式，制备了三种纤维沥青混合料，并对三种纤维沥青混合料的路用性能进行试验分析。结果表明：相较于纤维单掺，玄武岩纤维与玻璃纤维1∶1复掺，可有效改善沥青混合料的高温稳定性和抗水损坏性能，能较好适用于南方高温多雨的湿热环境；对于沥青混合料低温性能，两种纤维复掺对其低温抗裂性能没有较为明显的提升与改善。

关键词：沥青混合料；玄武岩纤维；玻璃纤维；路用性能

0引言

沥青混合料中纤维的使用较为广泛，其主要作为稳定剂和分散剂，对沥青混合料的路用性能有一定的改善［1-2］。纤维在沥青混合料中的主要有吸附、稳定、加筋、阻裂、增韧等作用，因此较适用于重载交通以及夏季气温较高地区［3-5］。

在工程实际应用中发现，在沥青混合料中，以合适的比例掺入两种及两种以上不同类型或不同尺寸的纤维，可以发挥不同纤维的优势，不同纤维协同作用，对沥青混合料结构进行稳定、加固和增韧，从而提高沥青混合料的力学性能和耐久性能［6-10］，因此混杂纤维沥青混合料逐渐成为了研究的热点。

蒋雷鸣［11］发现相较于纤维单掺，纤维混掺后沥青混合料的路用性能会更胜一筹，且在纤维总掺量一定的情况下，[JP]不同纤维混掺比例也会对沥青混合料各项指标有一定的影响。李楠［12］发现纤维复合改性沥青混合料具有较好的抗老化性能，其中玄武岩纤维、玻璃纤维和木质纤维在沥青混合料老化后仍具有不错的高温性能和抗水损坏性能。蒋梦雅等［13］通过单轴拉伸试验、半圆弯拉试验和冻融劈裂试验，发现玻璃纤维与沥青具有较好的粘结性，其粘结强度高于玄武岩纤维，当玻璃纤维掺量为0.3%时，其改性沥青混合料具有最佳的路用性能。李建合等［14］通过研究不同掺量玄武岩纤维对SBS改性沥青混合料的路用性能影响，发现玄武岩纤维的掺量为0.3%时，其沥青混合料路用性能提升最显著。

综上所述，本文将结合玄武岩纤维和玻璃纤维材料的特点，充分发挥两种纤维材料的结构优势，在纤维总掺量为3%的基础上，对比分析两种纤维单掺和两种纤维等比例复掺后沥青混合料的路用性能。

1 原材料性能检测

1.1 沥青

为凸显纤维改性沥青混合料路用性能，本文选用较为常用的SBS改性沥青，根据试验规程对SBS改性沥青进行主要性能检测［15］，检测结果如表1所示。

1.2 矿料

本文选用的两档粗集料均为玄武岩，粗集料表面粗糙、干燥且洁净，细集料和矿粉均为石灰岩。依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）［16］中的试验方法进行主要性能检测，检测结果如下页表2～4所示。

1.3 纤维

本文选取的纤维分别为玄武岩纤维和玻璃纤维，两种纤维在沥青路面中应用较为广泛。其中，玻璃纤维具有较好的耐热性、抗腐蚀性和较高的强度，玻璃纤维与沥青结合后具有较好的粘结性，在沥青混合料中具有较好的分散性，容易形成网状搭接的稳定结构［17-18］；玄武岩纤维是一种绿色环保材料，同样具有较好的耐热性、抗腐蚀性和强度，在沥青路面中应用较为广泛［19-20］。玄武岩纤维和玻璃纤维的各项指标如表5所示。

2 配合比设计

根据SMA-13级配范围（表6），通过马歇尔试验最终确定了一条在级配中值附近的级配曲线作为合成级配，具体级配曲线如图1所示。由于两种纤维的体积参数相差较小，在纤维总质量一定的情况下，不同纤维对沥青混合料的体积指标影响较小。对两个纤维单掺组和质量比例为1∶1的纤维复掺组进行马歇尔试验，结合各项沥青混合料的体积指标，得出三组沥青混合料最佳油石比均为5.1%。

3 沥青混合料路用性能试验

3.1 高温性能试验研究

对于高温且湿热的南方地区，重载交通下更容易发生车辙等病害，因此，对沥青路面的高温性能要求更高。三种纤维沥青混合料高温性能采用常规车辙试验来评价，通过对比动稳定度（DS）来分析各组沥青混合料的高温性能，具体试验结果如图2所示。

由图2动稳定度试验结果可知，三种纤维沥青混合料的动稳定度均满足规范要求，其中两种纤维复掺的沥青混合料的动稳定度最高，相较于玄武岩纤维沥青混合料和玻璃纤维沥青混合料动稳定度分别增加了20%和28%，说明其抗车辙性能较好。这可能是因为玄武岩纤维具有较大的比表面积，与沥青粘结后具有较好的整体性和稳定性；加上玻璃纤维不易结团的特性，使得纤维间相互搭接，形成了均勻且稳定的三维结构，从而改善了混合料的高温性能。

3.2 低温抗裂性能试验研究

沥青路面在低温状态下受力容易发生脆断，从而产生温缩裂缝。本文采用低温三点弯曲试验来评价沥青混合料的低温性能，通过测试三种纤维改性沥青混合料小梁试件破坏时的最大弯拉应变（μ）和抗弯拉强度（RB），通过比较μ和RB的大小来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果如图3所示。

由图3可知，三种纤维沥青混合料均满足规范要求，其中玄武岩纤维沥青混合料的最大弯拉应变最高，纤维复掺介于单掺玄武岩纤维和单掺玻璃纤维之间，说明1∶1纤维复掺对于沥青混合料低温性能提升不明显；对于弯拉强度，三种纤维沥青混合料从大到小依次为纤维复掺＞玻璃纤维＞玄武岩纤维，纤维复掺相较于玻璃纤维和玄武岩纤维弯拉强度分别增加了7%和10%。这是因为纤维会吸收一定的沥青中轻质组分，使得弯拉应变整体变化不明显；而复掺纤维对沥青的约束更强，限制了混合料的相对位移，使整体抗弯拉强度得到提升。

3.3 冻融劈裂试验研究

本文通过冻融劈裂试验来评价三种沥青混合料的水稳性能。通过测试不同试件的劈裂抗拉强度后，可得到劈裂抗拉强度比（TSR）。一般来说，TSR越大则表明混合料受冻融循环后其强度保留越大，说明其水稳性越好。具体试验结果如图4所示。

由图4冻融劈裂试验结果可知，三种纤维沥青混合料在经历冻融循环后劈裂强度均受到一定影响，其中复掺纤维沥青混合料的劈裂抗拉强度最高。这是由于玻璃纤维材料的疏水性和亲油性导致的，其独特的结构特点使冻融循环对沥青混合料的内部结构影响相对较小，加之玄武岩纤维可以强化玻璃纤维的抗水损害性能，从而提高了沥青混合料的水稳定性。

3.4 抗飞散试验研究

飞散试验不但可以确定SMA沥青混合料的沥青用量，也可以评价沥青混合料的抗水损害性能，能较好地反映路面抗松散和抗剥落等病害的能力。按照沥青规范［15］进行浸水飞散试验，具体试验结果如图5所示。

由图5沥青混合料飞散试验结果可知，三种纤维沥青混合料试验结果均满足规范要求，其中玻璃纤维沥青混合料飞散损失率最高，其次是玄武岩纤维组和纤维复掺组，说明纤维复掺提高了沥青、纤维和矿料间的粘结性，使沥青混合料的整体性和抗飞散性能得到提高，较好地预防了沥青混合料路面的松散和剥落等病害的发生。

4 结语

（1）相较于纤维单掺，玄武岩纤维与玻璃纤维1∶1复掺，可有效改善沥青混合料的高温稳定性和抗水损坏性能，能较好适用于南方高温多雨的湿热环境。

（2）对于沥青混合料低温性能，玄武岩纤维与玻璃纤维1∶1复掺，对其低温抗裂性能没有较为明显的提升与改善。

参考文献：

［1］陈华鑫.纤维沥青混凝土路面研究［D］.西安：长安大学，2002.

［2］陈建荣，叶俊，吴逢春，等.短切玄武岩纤维沥青混合料疲劳性能研究［J］.公路，2013（11）：4.

［3］刘灿.玄武岩纤维沥青混合料路用性能的研究现状［J］.四川水泥，2022（10）：230-232.

［4］刘晓阳，任宪利，裴鑫雨.玄武岩纤维增强沥青混合料作用机理及性能研究［J］.四川建材，2022，48（1）：29-30.

［5］洪洲，谭祺琦，杨孝思，等.纤维改性沥青混合料性能的研究现状与展望［J］.科学技术与工程，2022，22（7）：2 573-2 584.