矿物纤维沥青混合料中纤维最佳掺量的试验研究

矿物纤维沥青混合料中纤维最佳掺量的试验研究
李化东;戴文亭
【摘要】纤维沥青混合料中纤维的最佳用量是由纤维吸附沥青的能力、矿质混合料的级配类型以及纤维的分散性的强弱等因素共同决定的.在实际工程中,掺加纤维的混合料类型多为骨架-密实型,如SMA.以骨架-密实型沥青混合料为主要研究对象,按照矿物纤维掺量0％、0.3％、0.5％、0.7％和0.9％为试验前提,选用玄武岩矿物纤维,通过高温车辙试验和低温小梁弯曲试验,对比不同沥青条件下矿物纤维沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性等,确定矿物纤维的最佳掺量,从而改善沥青混合料的路用性能.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2014(014)025
【总页数】5页(P288-292)
【关键词】道路工程;纤维沥青混合料;矿物纤维;高温车辙;低温弯曲
【作者】李化东;戴文亭
【作者单位】长春建筑学院,长春130607;吉林大学交通学院,长春130025
【正文语种】中文
【中图分类】U416.217
现代交通以交通密度大，轴载重及交通渠化最为明显，致使沥青混凝土路面出现车辙、裂缝、坑槽等早期病害现象，严重影响路面使用寿命，这就对沥青混凝土路面
的路用性能提出了更高的要求［1］。

常用方法是通过在沥青混合料中添加纤维来提高其路用性能。

目前市场上常用的纤维材料主要有木质素纤维、聚酯纤维以及矿物纤维等。

在沥青混合料中掺加的纤维稳定剂宜选用木质素纤维、矿物纤维等，矿物纤维宜采用玄武岩等矿石制造［2］。

矿物纤维是一种无机纤维，具有良好的耐热性能和抗老化性能，并有利于再生利用。

目前我国已制备生产出了路用矿物纤维，其价格仅为木质素纤维价格的一半，应用到沥青混合料中，将取得巨大的经济效益和社会效益［3］。

纤维沥青混合料作为一种复合材料，其特点是能显著减少路面高温车辙的出现、减少沥青路面低温开裂、弥补低温脆性大的缺陷，并能有效降低路面的水损害程度，对延长沥青路面的路用性能具有极佳作用。

而控制纤维在沥青混合料中的用量是影响改善效果的因素之一。

确定纤维最佳用量通常是利用马歇尔试验，通过比较马歇尔技术指标的变化规律，确定沥青混合料的最佳纤维用量［4，5］。

然而，在实践过程中发现通过此方法测定的结果并不能完全地反映和代表纤维的实际用量。

因此，本文提出通过高温车辙试验和低温小梁弯曲试验确定纤维用量的新方法，以两个性能指标综合确定矿物纤维最佳用量，以完善矿物纤维沥青混合料应用技术［6］。

1 试验设计
试验所用沥青分别选用国产AH-90 基质沥青和5%SBS 改性沥青，实测其主要技
术指标见表1。

骨料选用玄武岩集料，石灰岩矿粉作为填料，主要力学性能指标见表2。

矿物纤维选用天然优质玄武岩，经特殊工艺处理后，在1 600℃高温熔融制成超细纤维，其主要技术指标见表3。

表1 沥青主要技术指标Table 1 Main technical indicators of asphalt
表2 集料力学性能指标Table 2 Aggregate mechanical property indicators
表3 矿物纤维技术指标Table 3 Mineral fiber technical indicators
以最佳油石比4.6%(基质沥青)、5.0%(改性沥青)制备骨架-密实型(SMA-13)矿物
纤维沥青混合料试件，分别进行高温车辙试验、低温小梁弯曲试验。

2 车辙试验确定纤维最佳掺量
车辙试验是评价沥青混合料抗高温车辙能力的重要方法，原理是通过模拟车轮荷载在路面上行驶而形成车辙的过程，因试验操作简便，试验原理简单，反映效果良好而得到世界各国的广泛采用。

2.1 试验方法
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青混合料试件制作方法［7］，制作沥青混合料车辙试验试件，矿物纤维掺量分别为0%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%(混合料质量比)，试件规格为300 mm ×300 mm ×50 mm。

试验温度为(60 ±0.5)℃，轮压(0.7 ±0.05)MPa，试验轮行走频率为(42 ±1)次
/min。

2.2 车辙试验数据与分析
2.2.1 测定动稳定度(DS) 结果及分析
将试验计算得到的动稳定度(DS)结果汇总于表4，并依照不同沥青进行绘图进行对比，见图1。

表4 高温车辙确定矿物纤维最佳掺量动稳定度DS(mm)Table 4 Dynamic stability of mineral fiber's optimal dosage determined by high temperature rutting DS(mm)
通过表4 和图1 可知，沥青混合料的动稳定度随着矿物纤维掺量的增加均呈现增
大的趋势。

从图1 中对比两种不同沥青，经过计算，掺加0.5%(质量比)矿物纤维
沥青混合料的动稳定度比不掺纤维的动稳定度数值有较大幅度的提高，其中基质沥青提高了87.6%，改性沥青提高了18.7%。

同时比对其他掺量的矿物纤维混合料
的动稳定度，也均有较大幅度的增加，但是和掺加0.5%(质量比)的矿物纤维混合
料相比增幅不明显，尤其是基质沥青的这个特点更为突出。

考虑到经济因素等原因
［8］，以动稳定度值确定的矿物纤维最佳掺量为0.5%。

图1 高温车辙确定矿物纤维最佳掺量动稳定度(DS)对比图Fig.1 Comparison chart of dynamic stability of mineral fiber's optimal dosage determined by high temperature rutting(DS)
2.2.2 测定60 min 形变量结果及分析
通过车辙试验将60 min 的形变量计算结果汇总于表5，并依照不同沥青混合料试验计算结果绘图进行比较，见图2。

表5 高温车辙确定矿物纤维最佳掺量60 min 形变量/mmTable 5 Deformation of mineral fiber's optimal dosage determined by high temperature rutting in 60min per mm
图2 高温车辙确定矿物纤维最佳掺量60 min 形变量对比图Fig.2 Comparison chart of Deformation of mineral fiber's optimal dosage determined by high temperature rutting in 60 min
结合表5 和图2 分析可知，随着矿物纤维掺量的增加，沥青混合料的形变量是逐渐减小的，这也有利地证明矿物纤维的加入能有效的降低永久变形，减小高温车辙的产生。

对比图2 中不同沥青的矩形条图，可以得出0.5%含量的矿物纤维的车辙变形减幅量是最大的。

经过计算可得出，掺加0.5%矿物纤维的沥青混合料比不掺纤维的沥青混合料车辙变形数值相比，基质沥青的降低幅度为16.7%，改性沥青的降低幅度为42.8%。

从图中可以发现随着纤维掺量不断增加，试件车辙永久变形值随之继续减小，但减小的幅度变小，考虑到掺加矿物纤维的经济因素并且综合文献资料，以永久变形量指标确定矿物纤维的最佳掺量为0.5%。

3 低温弯曲试验确定纤维最佳掺量
3.1 试验方法
采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青混合料试件
的制作方法(轮碾法)，按照0%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%(混合料质量比)的矿物纤维掺加量，分别制作沥青混合料车辙试验试件，试件制备规格为300 mm
×300 mm×50 mm。

经成型脱模后，将车辙试件切割成6 个尺寸为30 mm×35 mm×250 mm 的棱柱体小梁试件，以试验条件:试验温度为-10℃、加载速率为50 mm/min，在材料试验机上进行小梁试验。

3.2 数据与分析
3.2.1 弯拉应变、弯拉强度和劲度模量数据
根据试验测定的弯拉应变、弯拉强度和劲度模量数据结果带入公式求平均值，相应图见图3、图4、图5。

将试验测定的主要数据列于表6。

图3 弯拉应变图Fig.3 Bending and tensile strain diagram
3.2.2 弯拉应变、弯拉强度和劲度模量数据结果分析
图4 最大弯拉强度图Fig.4 The largest bending and tensile strength diagram 图5 沥青劲度模量图Fig.5 Asphalt stiffness modulus diagram
分析以上图表可知，随着矿物纤维的增加，沥青混合料的各项性能指标值都在不断增加。

而掺加0.5%质量比的矿物纤维沥青混合料在三项指标中的增加幅度是最大的。

经与不掺矿物纤维的混合料相比，计算分析得出:一是基质沥青混合料的最大弯拉应变、抗弯拉强度和劲度模量分别提高了17.2%、44.0%和24.2%;二是改性沥青混合料的最大弯拉应变、抗弯拉强度和劲度模量分别提高了29.4%、44.6%和8.8%。

从图中也可分析出随着矿物纤维掺量的继续增加，以上所列的三项指标数值也会随之增加，但是从数据上看增加的幅度与掺量0.5%的沥青混合料相比相对较小，考虑到经济及文献资料等因素，确定小梁弯曲试验所得矿物纤维最佳掺量为0.5%。

表6 沥青混合料低温小梁弯曲试验数据表Table 6 Data of small beam bending test of bituminous mixture at low temperature
3.3 与高温车辙试验的计算结果比对分析
由高温车辙试验的计算结果可以得到，矿物纤维沥青混合料的动稳定度随着纤维掺量的增加而增大，形变量则随之逐渐减小，当掺量为0.5%质量比时，动稳定度的增幅值最大，车辙变形的减幅量最大。

而由低温弯曲试验的计算结果可知，随着矿物纤维的增加，沥青混合料的弯拉应变、弯拉强度和劲度模量等性能指标值都在不断增加，当掺加量为0.5%质量比时，三项指标的增幅值最大，这一规律与高温车辙试验所计算的结果极为相似，且确定矿物纤维最佳掺量的结果也相同。

因此，高温车辙试验和低温小梁弯曲试验得出的矿物纤维最佳掺量具有极佳的相关性。

4 结论
综上所述，通过不同矿物纤维掺量的骨架-密实型沥青混合料所做的高温车辙试验
和低温小梁弯曲试验，采用动稳定度和60 min 形变量指标以及低温小梁弯拉应变指标，得到以下结果:
(1)掺加适量的纤维能显著提高沥青混合料的高温稳定性能。

(2)矿物纤维沥青混合料的动稳定度(DS)较基质沥青混合料的动稳定度(DS)有显著
提高。

(3)通过高温车辙和低温小梁弯曲试验，确定了骨架-密实型矿物纤维沥青混合料的最佳矿物纤维掺量为0.5%。

(4)高温车辙试验和低温小梁弯曲试验得出的矿物纤维最佳掺量具有极佳的相关性，两项试验是确定骨架-密实型结构沥青混合料纤维最佳掺量的有效方法。

参考文献
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