天然纤维改性沥青混凝土性能研究

2023-10-16潘国志

交通科技与管理 2023年18期

潘国志

（喀左县交通运输事务服务中心,辽宁朝阳 122300）

0 引言

高温、多雨、冻融循环、紫外线照射等极端天气会对传统沥青混凝土路面的耐久性产生重要影响，尤其是在昼夜温差大的地区，很容易在沥青混凝土路面产生温度型裂缝，从而影响行车舒适性和安全性，因此有必要对极端气候地区的沥青混凝土耐久性展开专项研究[1]。为降低温度型裂缝产生的概率，许多转接学者提出利用高强、高弹、高抗拔纤维对沥青混凝土进行改良[2]。但是，一些研究表明，传统常用的一些纤维（如木质素纤维、聚酯纤维等）在面对极端气候时，其耐久性仍然表现较差，对于沥青混凝土的改良效果很一般，温度型裂缝出现的频率仍然较高，因此寻找一种替代纤维来对沥青混凝土进行改良势在必行。玄武岩纤维是一种经过人工加工的具有优良性能的天然纤维。大量研究表明，由于玄武岩纤维是惰性材料，故而具有很强的抗裂、抗冻、抗腐蚀和增强增韧的效果，如果将其应用到沥青混凝土的改良中，可以对路面耐久性和使用寿命起到显著的提升作用[3-5]。

该文利用玄武岩纤维对沥青混凝土进行改良试验，重点探讨玄武岩纤维掺量和玄武岩长度对路用性能的影响，通过正交试验确定玄武岩纤维的最佳掺入方案，以期能为提升沥青混凝土在极端气候条件下的耐久性能提供借鉴。

1 试验概况

1.1 原材料

该文所配制的纤维改性沥青混凝土主要原材料包括：90#基质沥青、矿料、石灰石矿粉和玄武岩纤维。90#基8.3 mm、46 ℃和150 cm。矿料的粒径范围为0~15 mm，压碎值为21.3%。石灰石矿粉粒径为0~0.6 mm，主要粒径范围集中在0~0.075 mm。玄武岩纤维的单丝直径均为11 µm，但单丝长度分为3 mm、6 mm和9 mm三种，具体物理力学性能指标见表1。

表1 玄武岩纤维物理力学指标

1.2 配合比方案设计

首先利用90#基质沥青、矿料、石灰石矿粉（矿粉掺量均为5%）等为主要原材料配制AC-13型沥青混合料，AC-13型沥青混合料的级配曲线见图1。然后利用长度为3 mm、6 mm和9 mm的三种类型纤维对沥青混合料进行改性，每种长度玄武岩纤维掺量分别为0.1%、0.3%和0.5%三种，采用正交方式进行试验，分别得到每种纤维掺入方式下对应的最佳沥青掺量，具体试验方案配合比设计见表2。

图1 AC-13型沥青混合料级配曲线

表2 试验配合比方案

1.3 试验方法

该文试验内容包括高温稳定性试验、水稳定性试验和低温文地形试验，分别采用车辙试验法、马歇尔试验法和三点弯曲试验法进行测试。

2 高温稳定性

玄武岩纤维改性沥青混凝土动稳定度测试结果见图2。从图2可知：玄武岩纤维改性沥青混凝土的动稳定度随着纤维掺量和纤维长度的增加而逐渐减小；掺入适量长度的玄武岩纤维可以提升沥青混凝土的高温稳定性，减小因车轮碾压而产生的变形，这主要是因为玄武岩纤维作为一种惰性材料，自身很难发生化学反应，而且吸油性强，能够与大量沥青基质吸附在一起，达到很好的加筋效果。纤维在混凝土中所形成的错综复杂的网状结构，可以起到填充和分层隔热作用，从而提升沥青混凝土的高温稳定性。但是如果掺入过量过长（长度9 mm，掺量0.5%）的玄武岩纤维时，可能导致纤维在沥青混凝土中的分散性变差，出现局部团聚的现象，反而在沥青混凝土中形成薄弱界面，不利于高温稳定性。因此，从高温稳定性来讲，宜掺入低掺量、短纤维玄武岩。

图2 动稳定度试验结果

3 水稳定性

玄武岩纤维改性沥青混凝土残留稳定度测试结果见图3。从图3可知：相同玄武岩长度下，残留稳定度随掺量增加呈先增大后减小变化特征，当玄武岩纤维掺量为0.3%时，沥青混凝土的残留稳定度最大；相同玄武岩纤维掺量下，残留稳定度随着玄武岩长度增加而逐渐减小。改性试验组的残留稳定度相比未改性试验组均有不同程度的提高，表明掺入玄武岩纤维可以提升沥青混凝土的水稳定性能，这是因为掺入玄武岩纤维后，沥青混凝土中的沥青用量增加，混凝土中的沥青膜厚度也随之增大，沥青膜与错综分布的纤维交织在一起，组成结构稳定的网状结构，从而减小水力侵蚀现象，增强在水力作用下的稳定性。但是玄武岩纤维的掺量并不是越高越好，当掺量过高时，玄武岩纤维在沥青混凝土中团聚的现象越来越多，而结团中的沥青主要以自由沥青为主，从而会使沥青混凝土的用油量增大，反而不利于沥青混凝土整体的力学性质。纤维长度增加后，会导致纤维与沥青结合体的空间结构增大，沥青混凝土所能承受的极限水压力就会随之减小，因而残留稳定度降低。从水稳定性来讲，玄武岩纤维的掺量应适中，但长度宜取小值。

图3 残留稳定度试验结果

4 低温稳定性

玄武岩纤维改性沥青混凝土三点弯曲试验结果见图4。从图4可知：改性沥青混凝土的弯拉强度和最大弯拉应变均是在试验5组（玄武岩掺量为0.3%，长度为6 mm）掺入方式下达到最大值，相比未掺入玄武岩纤维试验组，试验5组在不同温度下的弯拉强度平均提升了11.05%，最大弯拉应变平均提升22.15%。相同玄武岩掺量下，温度越低，沥青混凝土的弯拉强度和最大弯拉应变随着温度升高而逐渐增大，而弯曲劲度模量在不同温度下表现出不同的变化特征。在低温时，试验5组的弯曲劲度模量最小或者接近于最小，但是在25 ℃下后，试验5组的弯曲劲度模量又是最大。从整体上来讲，玄武岩纤维对沥青混凝土低温稳定性的影响排序为最大弯拉应变>弯拉强度>弯曲劲度模量。

图4 三点弯曲试验结果

虽然掺入短的玄武岩纤维能够使沥青混凝土表现出较好的高温稳定性和水稳定性，但受短纤维长度的限制，短玄武岩纤维可以黏结的沥青颗粒数量是有限的，因此所能形成的网状结构的空间稳定性相对有限。如果掺入的玄武岩纤维长度过长，则容易导致沥青混凝土拌和过程中出现团聚现象，纤维分布不均，因此纤维的长度宜适中，才能起到良好的加筋效果。因此，认为玄武岩纤维长度为6 mm，且掺量为0.3%时，改性沥青混凝土的低温稳定性可以达到最佳。

5 讨论

从上述试验结果可知：玄武岩纤维对沥青混凝土的各项性能具有较好的提升作用，但总体来讲掺量和长度均不宜过大，通过各项性能的综合考量，最终决定采用玄武岩掺量0.3%、长度6 mm对沥青混凝土进行改良，在此改良方案下的动稳定度、残留稳定度和最大弯拉应变参数见表3。从表3可知：在该改良方案下，沥青混凝土的各项路用性能均满足技术规范要求，特别是高低温性能较未掺入玄武岩纤维时有较大的幅度的提升。