玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性沥青混合料路用性能

玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性沥青混合料路用性能
程永春;杨金生;马健生
【摘要】为了探索玄武岩纤维和抗车辙剂复合添加对沥青混合料的增强效果,通过室内试验研究复合改性沥青混合料的路用性能,并与单掺一种改性剂的沥青混合料进行对比.试验表明与单掺玄武岩纤维沥青混合料相比,复合改性沥青混合料动稳定度提高320%,冻融劈裂强度比提高5%,疲劳破坏寿命提高14.6%;与单掺抗车辙剂的沥青混合料相比,复合改性沥青混合料低温抗弯拉应变提高53%,冻融劈裂强强度比提高8%,疲劳破坏寿命提高31.5%.玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性能明显提升善沥青混合料路用性能.%In order to explore the effect of basalt fiber and anti rutting agent on asphalt mixture , the pavement performance of composite modified asphalt mixture was studied by laboratory test .And compared with single modifi-er asphalt mixture , experimental results show that the performance of the two kinds of modifiers is better than that of single basalt fiber .The dynamic stability is increased by 320%, the residual strength ratio is increased by a factor of 5%, and the fatigue life is increased by a factor of 14.6%.Compared with adding two kinds of additives to as-phalt mixture ,the flexural tensile strain at low temperature is increased by 53%, the residual strength ratio is in-creased by a factor of 8%, and the fatigue failure life is increased by a factor of about 31.5%, when the single anti rutting agent is added to the asphalt mixture .It shows that basalt fiber and anti rutting agent composite modification significantly can improve the performance of asphalt mixture .
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2017(017)032
【总页数】5页(P327-331)
【关键词】沥青混合料;玄武岩纤维;抗车辙剂;复合改性;路用性能
【作者】程永春;杨金生;马健生
【作者单位】吉林大学交通学院,长春130022;吉林大学交通学院,长春130022;吉
林大学交通学院,长春130022
【正文语种】中文
【中图分类】U414
沥青路面以其优良的行车舒适性与施工便捷性而广泛应用于高等级公路上，但也伴随出现各种病害问题。

针对这些问题有学者提出在沥青混合料中添加各种改性剂，以提高混合料的路用性能[1—9]。

研究表明，抗车辙剂能有效增强沥青混合料的抗车辙能力，同时也有较好的水稳定性，但对混合料低温抗裂性的改善作用较弱[1—4]。

在沥青混合料中添加各种类型的纤维能够较大幅度提升混合料的低温性能、水稳定性和疲劳性能，但对混合料高温性能的提升不如抗车辙剂明显[5—9]。

由此可以看出，单独掺加抗车辙和纤维对沥青混合料改善效果都在某些方面存在不足。

为了实现综合提升沥青混合料的高温和低温性能，郭博[10]研究表明，木质素纤维与抗车辙剂复合改性沥青混合料能够综合纤维和抗车辙剂优点，对高温和低温性能、水稳定性和疲劳性能也有较好的改善作用。

与木质素相比，玄武岩纤维有更好的抗拉强度，碱性玄武岩纤维能更好地结合沥青[9]。

本文应用玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性沥青混合料，通过马歇尔试验确定复合改
性剂最佳掺量，并对比单独改性沥青混合料和复合改性沥青混合料各种路用性能。

1.1 材料性质
采用辽宁盘锦90号基质沥青、北京中交路通科技发展有限公司的抗车辙剂和吉林通鑫玄武岩纤维有限公司的短切玄武岩纤维，其技术指标如表1～表4。

试验所用集料为安山岩，矿粉为石灰岩粉末，它们的各项性能指标均符合规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

1.2 级配及试验准备
依托吉林省白城市2016年珲乌公路路面改造工程铺筑试验路段，沥青混合料室内试验级配与原工程设计级配相一致，最佳沥青用量为4.9%，沥青混合料级配如表5所示。

1.2.1 混合料拌和方法
采用干拌法进行拌和，即将改性剂与石料共同放入拌和锅中搅拌90 s，使其均匀的分散在集料中；然后加入沥青拌和90 s，最后加入矿粉拌和90 s。

混合料拌和过程中严格控制拌和温度，玄武岩纤维沥青混合料拌和温度为160 ℃，添加抗车辙剂和复合改性沥青混合料拌和温度为180 ℃。

1.2.2 确定改性剂掺量及最佳沥青用量
现有研究表明，单独掺加抗车辙剂或玄武岩纤维时，其最佳掺量分别为沥青混合料质量的0.3%和0.4%[4,5]。

玄武岩纤维直径小数量众多，纤维的掺加对沥青用量有明显的影响，易小帆的研究表明玄武岩纤维掺量每增加0.1%沥青用量也增加0.1%[8]。

段宏志的研究表明，抗车辙的掺加不增加沥青混合料的沥青用量[3]。

所以单掺玄武岩纤维或抗车辙剂沥青混合料最佳沥青用量分别为5.3%和4.9%。

玄武岩纤维和抗车辙剂复合改性掺量尚无参考，因此参照单掺时掺量，选取玄武岩纤维和抗车辙剂掺量0～0.5%范围，以0.1%为单位变化进行。

复合改性沥青混合料的沥青用量变化规律同单掺玄武岩纤维沥青混合料一致。

通过马歇尔试验来确定
两种改性剂的掺量。

由于不同掺量改性剂所采用的级配是一致的，沥青混合料孔隙率、矿料间隙率、饱和度都在规范要求范围内。

所以以不同比例掺量下沥青混合料的稳定度(见图1)为参考选取复合改性掺量。

如图1所示，0.3%玄武岩纤维和0.2%抗车辙剂复合改性沥青混合料稳定度达到最大值，此时沥青用量为5.2%。

可见此时的掺拌比例是比较合理的，并作为两种改性剂复合添加掺量。

2.1 高温稳定性对比
在夏季温度较高或渠化交通明显路段，沥青路面由于抗剪强度不足容易产生车辙病害，影响行车舒适性和安全性，降低沥青路面使用寿命。

以沥青混合料的车辙试验评定其高温稳定性。

对比掺量0.4%的玄武岩纤维、0.3%抗车辙剂和0.3玄武岩纤维与0.2%抗车辙剂复合改性的沥青混合料抗车辙性能如图2。

如图2所示，复合改性沥青混合料动稳定度最高，比单掺玄武岩纤维提高320%。

抗车辙剂的添加提高了混合料中沥青的软化点，也提高了沥青的黏度，大大增加了沥青与集料、沥青与纤维之间的黏结性[10]，增加纤维的抗拉拔性能。

由于抗车辙剂采用干拌法提前与集料进行拌和，使得部分抗车辙剂能裹覆在集料表面，不会溶解到沥青中，当使用时温度低于抗车辙剂玻璃化温度，限制了集料间相对滑动，增加了混合料的内摩擦力。

此时玄武岩纤维和抗车辙剂复合添加到混合料中，能够提高高温条件下纤维和沥青间的抗拉拔能力，添加抗车辙剂能更好地发挥玄武岩纤维的加筋作用，减小了荷载作用下沥青混合料的剪切流动变形。

掺入纤维后，沥青混合料中能够形成纤维—集料三维网状结构，增大集料之间的摩擦力，同时减少了自由沥青的比例，增加了沥青胶浆的粘聚力，提高了混合料的抗剪强度。

2.2 低温抗裂性对比
在低温条件下，由于温度应力作用，沥青路面容易产生裂缝，温度快速下降时，沥青路面内部产生温度应力来不及松弛，温度应力做功不断积累达到沥青混合料的容许极限时，即会产生低温开裂现象。

以沥青混合料低温弯曲试验评定其低温抗裂性。

对比掺量0.4%的玄武岩纤维、0.3%抗车辙剂和0.3玄武岩纤维与0.2%抗车辙剂
复合改性沥青混合料低温性能如图3、图4。

如图3所示，玄武岩纤维沥青混合料与复合改性沥青混合料抗弯拉应变值相近，
比单掺抗车辙剂沥青混合料的抗弯拉应变提升53%。

如图4所示，玄武岩纤维沥
青混合料与复合改性沥青混合料劲度模量较小，抗车辙剂改性沥青混合料劲度模量最大，低温下容易发生脆性破坏。

玄武岩纤维在混合料中均匀分布，一方面能在低于沥青硬化温度的情况下，使混合料保持一定的柔性，对混合料起到了增强增韧的作用，从而降低了混合料的劲度模量[7]；另一方面，在低温弯曲试验中，由于荷载作用混合料下部会产生一些微裂缝，并且由于应力集中现象，会导致裂缝急剧发展直至破坏，但玄武岩纤维具有高抗拉强度和高模量，当混合料内部微裂缝产生之时，其周围分布的玄武岩纤维能起到约束裂缝进一步发展的作用，并发生多裂缝开裂模式，达到提高混合料变形能力的效果。

2.3 水稳定性对比
沥青路面水损害是由于水分渗入路面空隙中，在车轮荷载产生的动水压力作用下，水分反复冲刷混合料内部空隙并渗入到集料中去，降低了沥青与集料间的粘结力，使沥青路面松散破坏。

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来对比添加0.4%玄武岩纤维、添加0.3%抗
车辙剂和复合改性的沥青混合料水稳定性。

将试验所得沥青混合料的残留稳定度和劈裂抗拉强度比数据汇总于表6、表7中。

如表6、表7所示，复合改性沥青混合残留稳定度和冻融劈裂强度都是最大的，明显高于其他类型沥青混合料，而普通无添加沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度都是最小的，说明复合改性能明显增强沥青混合料水稳定性。

抗车辙剂采用干拌法加入集料中，在拌和过程中，能够分布在集料的表面并能起到填充集料空隙的作用；抗车辙剂能起到增加沥青黏度的作用，使得沥青能更好地粘附在集料表面；纤维加入沥青中，由于具有较大的比表面积能够较好的稳定沥青，使得集料表面形成一定厚度且包裹性更好的结构沥青层。

因此，复合添加的情况下能够更好地阻止水分透过沥青层进入集料，保证了混合料中沥青和集料间粘结性，提高混合料的水稳定性。

2.4 疲劳性能对比
沥青路面在车辆荷载作用下，路面结构内部会出现微小的损伤，随着荷载作用次数的增加，损伤不断累计，使沥青混合料的各项性能出现不同程度的降低，最终发生疲劳破坏。

采用试验设备简单、可操作性强、试验结果精度较高的间接拉伸疲劳试验对沥青混合料的疲劳性能进行测定。

2.4.1 间接拉伸疲劳试验方法
采用英国Cooper公式生产的CRT-NU14气动伺服材料试验机进行间接拉伸疲劳试验，试件采用马歇尔击实法双面击实75次成型，试件尺寸为Ø101.6
mm×63.5 mm，试验温度为15 ℃。

为了模拟车速较快路面的疲劳破坏特性，所以加载频率选择为10 Hz；同时为了更好地模拟移动的车轮荷载，采用有间歇时间的偏正弦的应力方式(波形如图5)，按控制应力方式通过压条将循环荷载施加到试件上，试件竖向变形达到9 mm视为疲劳破坏[11]。

2.4.2 试验及数据分析
为了确定疲劳试验所需荷载大小，按照沥青混合料劈裂试验步骤，分别测定15 ℃时添加不同改性剂的混合料劈裂强度如表8。

按照不同最大劈裂应力水平的0.2、
0.4、0.6倍，进行间接拉伸疲劳试验，得到不同应力比下的疲劳寿命如表9。

如表9所示，随着应力比增大，沥青混合料的疲劳寿命快速降低。

相同应力比条
件下，复合改性沥青混合料疲劳寿命次数最大，比单掺玄武岩纤维沥青混合料和单掺抗车辙剂沥青混合料分别提高了14.6%和31.5%。

分析疲劳性能改善的原因，抗车辙剂的添加使得纤维和沥青能够更好地结合在一起，形成纤维-集料的三维空间网状结构，除了能阻碍微裂缝的发展外，在疲劳荷载作
用下，混合料发生一定的弹性形变和剪切移动变形，当撤去荷载时，首先混合料能恢复弹性形变，并且在纤维收缩作用的带动下沥青混合料也能恢复一定的剪切移动变形，增强了混合料的自愈能力，从而提高了混合料的抗疲劳性能。

(1)在沥青混合料中单添加0.4%的玄武岩纤维能显著提高其低温抗裂性；添加0.3%的抗车辙剂能显著提高其高温稳定性；而按0.2%抗车辙剂和0.3%玄武岩纤维复
合改性，能够综合提高混合料的高、低温性能。

(2)复合改性沥青混合料比普通非改性沥青混合料残留稳定度比和冻融劈裂强度比
分别提高了9%和14%，比玄武岩纤维沥青混合料和抗车辙剂沥青混合料的冻融
劈裂强度比分别提高了5%和8%，改善了混合料水稳定性，应用于路面层能够有
效地阻断水分进入路基。

(3)复合改性能够提高沥青混合料的疲劳性能，应用于高等级公路或城市快速路，
能很好地提高沥青路面耐久性。

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