玄武岩纤维沥青混合料性能研究

马洪忠

(中建路桥集团有限公司 石家庄市 050000)

玄武岩纤维作为一种较为新型的纤维，在各个行业均得到广泛的应用。以普通沥青为对比组，研究沥青混合料在掺入玄武岩纤维之后的性能变化。

1 混合料配合比设计

设置十组沥青混合料进行试验，鉴于篇幅所限，文中列举出一种沥青混合料的配合比设计过程，其余试验组均与该组相似。

在本次配合比设计时，对于Superpave级配沥青混合料的配合比采用了石灰岩作为集料，对于SMA级配沥青混合料采用了玄武岩作为集料，试验填料均为石灰石矿粉，采用南京金玲70#道路石油沥青作为基质沥青，I-C型改性沥青作为SBS改性沥青，采用的木质素纤维为ZZ8/1絮状型，玄武岩纤维为短切玄武岩纤维。

按Superpave配合比设计方法进行Superpave-13级配沥青混合料的设计。采用旋转压实的方法设计Superpave-13沥青混合料目标配合比，得到其设计级配如表1所示。

表1 Superpave-13沥青混合料设计极配

以100次作为压实次数，得出在空隙率为4%时superpave-13级配沥青混合料的最佳油石比为5.2%。马歇尔试验所得结果如表2所示。

表2 Superpave-13沥青混合料马歇尔试验结果

为了对十种沥青混合料的空隙率进行严格控制，在对试块成型前进行了最大理论密度测试，所得结果如表3所示。

由试验结果可知，掺入了玄武岩纤维后的Superpave级配沥青混合料具有较小的最大相对密度的变化，主要是因为沥青混合料在掺入了玄武岩纤维之后有0.2%的石油比增加量，并且在此时，有相对下降的矿料比重，矿料比起沥青而言具有更大的密度，并且与沥青和矿料相比，玄武岩纤维的密度更小。在SMA-13级配中掺入玄武岩纤维或木质素纤维时具有相当的理论最大相对密度，主要是因为两种沥青混合料具有完全一致的矿料以及沥青比重，而比起木质素纤维的密度而言，玄武岩纤维的更大。

2 玄武岩纤维沥青混合料性能研究

2.1 高温稳定性能

沥青混合料抵抗温度变化的能力即其高温稳定性。沥青混合料在高温条件下的强度、刚度以及稳定性能较好保持，但当行车荷载比容许的承载能力大时，将会导致车辙病害的出现，随着时间的推移，沥青路面的车辙病害将越来越明显。本文对于十种沥青混合料的高温稳定性采取60℃、0.7MPa荷载作用下的车辙试验进行研究，所得结果如图1所示。

从图1可知，十种沥青混合料(参照表3)在60℃以及0.7MPa荷载环境下的高温稳定性均符合要求。沥青混合料的高温稳定性可以其动稳定度DS表征，即越高的DS代表着越好的高温稳定性。对于SMA-13沥青混合料而言，掺入木质素纤维之后的动稳定度小于掺入玄武岩纤维的，前者动稳定度大约仅为后者的70%。对于掺入了玄武岩纤维的Superpave级配改性沥青而言，Superpave-13级配的改性沥青混合料的动稳定度提高了36%，Superpave-20级配的改性沥青混合料的动稳定度提高了26%；对于掺入了玄武岩纤维的Superpave级配的普通沥青而言，Superpave-13级配的普通沥青混合料动稳定度提高了15%，Superpave-20级配的普通沥青混合料动稳定度提高了17%，综上分析可知，沥青混合料在掺入玄武岩纤维之后的高温抗车辙能力有所提高，并且对于改性沥青混合料而言具有较大幅度的提高。分析原因可知玄武岩纤维在沥青混合料内部能够形成网状结构，以使其抵抗塑性变形的能力有所增加，继而表现出稳定性有所提高的现象。普通沥青在高温环境中容易出现流动现象，主要原因在于此时玄武岩纤维的加筋作用并没有完全发挥，因此表现出普通沥青混合料高温稳定性仅具有小幅度提高的现象。

2.2 水稳定性能

采用现行规范所推荐的浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验对沥青混合料(参照表3)的水稳定性进行分析研究，所得结果如图2、图3所示。

沥青混合料抗水损害能力与冻融劈裂强度以及残留稳定度呈正比关系。从图2、图3可看出，十种沥青混合料的残留稳定度以及冻融劈裂残留强度比均符合要求。对于SMA-13级配的改性沥青混合料而言，掺入玄武岩纤维以及木质素纤维之后的残留稳定度以及强度都表现出有少量增加的趋势，前者提高了2.1%，后者提高了5.84%；对于Superpave级配沥青混合料而言，其掺入玄武岩纤维后水稳定性的变化不大。

2.3 抗疲劳性能

对于十种沥青混合料抗疲劳试验采取的是四点弯曲疲劳寿命试验法。在15℃下，以10Hz加载频率控制应变下偏正弦波的条件下，在十种沥青混合料试块的弯曲劲度达到初始模量的50%时停止试验。将十种沥青混合料按380+5mm的长度以及63+5mm的宽度，50+5mm的高度制作成梁式试块，所得结果如表4所示。

表4 十种沥青混合料抗疲劳试验结果

从表4可看出，沥青混合料在应变水平增加的情况下疲劳寿命不断降低。对于沥青混合料的疲劳寿命而言，玄武岩纤维的加入可以使其有较大幅度的提高。在掺入了玄武岩纤维之后，改性沥青混合料的疲劳寿命有3～5倍的提高，尤其是在450με下的Superpave-20沥青混合料有6倍以上疲劳寿命的提高，对于掺入了玄武岩纤维的普通沥青而言，其疲劳寿命能有2～3倍的提高，表明对于沥青混合料的疲劳寿命而言，可通过掺入玄武岩纤维的方式进行提高，其中效果最明显的是改性沥青混合料。

分析其原因可知，沥青路面在长时间循环的行车荷载作用下，容易使其抗疲劳层因过大的拉应力而出现裂缝，并在荷载持续作用下随着时间的推移而越来越大；沥青混合料在掺入玄武岩纤维之后的疲劳寿命之所以能够得到较大程度的提高，原因主要在于掺入了玄武岩纤维之后，在沥青混合料内部有短切玄武岩纤维形成的空间结构，使沥青混合料所需开裂的能量有所提高，降低了裂缝发展程度，使其疲劳寿命有所延长。

3 结语

(1)沥青混合料在掺入玄武岩纤维之后的高温抗车辙能力有所提高，尤其对于改性沥青混合料而言具有更优的效果；

(2)沥青混合料掺入玄武岩纤维之后的水稳定性能够符合要求，但水稳定性变化不大；

(3)沥青混合料的疲劳寿命在掺入玄武岩纤维之后有较大幅度的提高，特别是对于改性沥青混合料而言，表明沥青混合料的抗疲劳开裂性能可通过掺入玄武岩纤维进行提高。