玄武岩纤维微表处配合比设计及低温抗裂性能试验研究

国防交通工程与技术 １６ ２０１４ 第４期
·研究与设计· 玄武岩纤维微表处配合比设计及低温抗裂性能试验研究 朱敏清等
劈裂强度值为１．２１２ ＭＰａ，即 低 温 抗 裂 性 能 增 大 了 ５０．６６％。加入纤维 后 其 低 温 抗 裂 性 能 增 大 的 原 因 是 纤 维 在 试 件 中 起 到 了 “阻 裂 加 筋 ”的 作 用 。 断 裂 力 学认为材料内部存 在 缺 陷 或 裂 纹，在 温 度 应 力 及 行 车荷载作用下裂缝 尖 端 会 产 生 应 力 集 中，促 使 裂 纹 进一步扩展。然而 玄 武 岩 纤 维 具 有 高 抗 拉 强 度、高 模 量 的 特 点 ，并 且 其 质 量 轻 ，一 定 质 量 的 纤 维 根 数 众 多 ，在 沥 青 混 合 料 中 均 匀 分 散 后 形 成 三 维 网 状 结 构 ， 对裂纹的扩展起到 阻 滞 作 用，约 束 裂 纹 或 材 料 缺 陷 的 进 一 步 发 展 ，从 而 达 到 提 高 低 温 抗 裂 性 能 的 效 果 。 但 当 纤 维 过 多 后 ，一 方 面 纤 维 分 散 出 现 问 题 ，另 外 一 方 面 乳 化 沥 青 量 过 少 ，使 得 试 件 低 温 抗 裂 性 能 降 低 。 ３．３ 纤维长度对低温抗裂性能的影响
收 稿 日 期 ：２０１４－０４－１０ 作 者 简 介 ：朱 敏 清 （１９７５— ），女 ，工 程 师 ，主 要 从 事 路 面 养 护 工 程 技术管理工作
料），玄武岩纤维 采 用 长 度 为 １２ ｍｍ 的 短 切 玄 武 岩 纤维，并且稀浆混合 料 中 同 时 添 加 了 具 有 化 学 活 性
（２）在 不 同 玄 武 岩 纤 维 用 量 下 ，玄 武 岩 纤 维 微 表 处的粘聚力试验的结果如图４所示。
从 图 ４ 可 知 ，在 一 定 范 围 的 纤 维 用 量 、相 同 乳 化 沥 青 用 量 下 ，随 着 纤 维 掺 量 的 增 加 ，试 件 的 粘 聚 力 逐 渐 增 大 。 纤 维 掺 量 较 少 时 ，两 条 曲 线 的 斜 率 很 小 ，变 化不明 显；当 纤 维 掺 量 大 于 ０．１％ 时，３０ ｍｉｎ 和 ６０ ｍｉｎ 的 粘 聚 力 曲 线 斜 率 较 大 ，变 化 较 为 明 显 ；但 是 当 纤 维 掺 量 大 于 ０．２％ 之 后 ，变 化 幅 度 又 减 小 。 ２．２．４ 轮辙变形试验
图 ７ 纤 维 用 量 对 低 温 抗 裂 性 能 的 影 响
由 图 ７ 可 知 ，在 乳 化 沥 青 用 量 相 同 的 情 况 下 ，随 着纤维 用 量 的 增 大，纤 维 微 表 处 的 －１０℃ 劈 裂 强 度 先增大后减小，并当纤维用量为０．２％时达到最大值， 为１．８２６ ＭＰａ；对比没有掺入纤维的试件，其－１０ ℃
的填料和不具化学活性的填料。
为了 得 到 玄 武 岩 纤 维 微 表 处 的 配 合 比，本 文 先
通过分别改变改性 乳 化 沥 青 用 量 和 纤 维 用 量，制 备
出 玄 武 岩 纤 维 微 表 处 试 件 ，并 通 过 湿 轮 磨 耗 试 验 、负
荷轮粘砂试验、粘聚 力 试 验 和 车 辙 宽 度 变 形 试 验 对
目前 国 内 大 量 采 用 的 纤 维 是 玻 璃 纤 维，玻 璃 纤 维尽管价格较低，但 与 沥 青 的 粘 附 性 不 如 玄 武 岩 纤 维，抗拉性能 也 稍 差 。 ［１］ 玄 武 岩 纤 维 是 碳 纤 维 的 低 价 替 代 品 ，具 有 高 强 度 、耐 高 温 性 、化 学 稳 定 性 、耐 腐 蚀性等诸多优点 。 ［２］ 若在沥青混合料中加入玄 武 岩 纤 维 形 成 复 合 材 料 ，将 大 大 提 高 路 面 的 抗 裂 性 能 、水 稳定性能和抗车辙性能 。 ［３］
由图 ３ 可 知，微 表 处 粘 聚 力 随 着 乳 化 沥 青 用 量 的增加而逐渐增大。这就意味着乳化沥青用量在一 定 范 围 内 ，随 着 其 用 量 的 增 加 ，微 表 处 的 固 化 成 型 速
图 ３ 乳 化 沥 青 用 量 对 粘 聚 力 的 影 响
度加快，即能更 快 的 开 放 交 通。 当 乳 化 沥 青 用 量 为 ８．５％时，不加纤维和纤维掺量 为 ０．１％ 的 微 表 处 试 件 的 ３０ ｍｉｎ 粘 聚 力 不 满 足 规 范 要 求 ；乳 化 沥 青 用 量 为８．５％的不 加 纤 维 的 微 表 处 试 件 的 ６０ ｍｉｎ 粘 聚 力 试 验 为 １．８ Ｎ·ｍ，小 于 规 范 要 求 最 小 值 ２．０ Ｎ· ｍ，因 此 也 不 满 足 要 求 。
用量 分 别 为 ８．５％ 和 ０．３％ 时，试 件 的 磨 耗 值 为 ６２１．５４ｇ／ｍ２，远 远 大 于 规 范 要 求 的 最 大 值 ５４０ｇ／ ｍ２；而随着纤 维 掺 量 的 增 加 磨 耗 值 先 减 小 后 增 加， 即在一定用量范围 之 内，玄 武 岩 纤 维 用 量 的 增 加 能
１ 玄武岩 纤 维 在 路 面 微 表 处 技 术 中 的 应用
微表处技术是修复道路车辙及其他多种路面病 害 的 最 有 效 、最 经 济 的 维 持 养 护 技 术 之 一 ，对 路 用 性 能起到良好作用。 但 在 某 些 特 殊 场 合，比 如 西 部 高 寒地区，对路面的低 温 抗 裂 和 水 稳 性 提 出 了 更 高 要 求 ，纤 维 微 表 处 技 术 作 为 路 面 养 护 的 一 种 新 方 法 ，对 改善微表处技术拥有重要的促进作用。
研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ
与设计
玄武岩纤维微表处配合比设计及低温抗裂性能试验研究
朱 敏 清１， 李 志 刚２， 张 建 孔２
（１．河北省京秦高速公路管理处，河北 秦皇岛 ０６６０００；２．解放军理工大学，江苏 南京 ２１０００７）
摘 要 ：玄 武 岩 纤 维 具 有 耐 高 温 性 、化 学 稳 定 性 、耐 腐 蚀 性 、与 沥 青 有 亲 和 性 等 许 多 优 良 的 性 能 ，可 以 增 强 微 表 处对道路的修复效果。通过对玄武岩纤维微表处试件 进 行 湿 轮 磨 耗 试 验 、负 荷 轮 粘 砂 试 验、粘 聚 力 试 验 和 车 辙宽度变形试验进行最佳配合比设计，并对玄武岩纤维微 表 处 进 行 了 低 温 抗 裂 性 能 验 证 ，试 验 结 果 表 明 玄 武 岩 纤 维 微 表 处 可 以 显 著 提 高 微 表 处 的 低 温 抗 裂 性 能 ，更 适 应 用 于 西 部 高 寒 地 区 旧 路 面 养 护 维 修 。 关 键 词 ：路 面 养 护 ；玄 武 岩 纤 维 ；微 表 处 ；配 合 比 设 计 ；低 温 抗 裂 性 能 ＤＯＩ：１０．１３２１９／ｊ．ｇｊｇｙａｔ．２０１４．０４．００５ 中 图 分 类 号 ：Ｕ４１８．６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７２－３９５３（２０１４）０４－００１４－０４
８．５，１０，１１．５，１３ ０，０．１，０．２，０．３
１２
２．２ 乳化沥青和纤维拥有量试验
２．２．１ 湿轮磨耗试验 在不 同 的 乳 化 沥 青 与 纤 维 用 量 下，玄 武 岩 纤 维
微表处的湿轮磨耗试验的结果如图１所示。
从图１可知玄武岩纤维微表处的磨耗值随着乳 化沥青用量的增加 而 减 小，当 乳 化 沥 青 用 量 和 纤 维
在不 同 的 乳 化 沥 青 与 纤 维 用 量 下，玄 武 岩 纤 维 微表处的轮辙变形试验的结果如图５所示。
从图５可知相同纤维用量的微表处试件的车辙 宽度变化 率 随 着 乳 化 沥 青 用 量 的 增 加 先 减 小 后 增 加，纤维掺 量 为 ０ 和 ０．１％ 的 拐 点 出 现 在 乳 化 沥 青 用量为１０％，纤 维 掺 量 为 ０．２％ 和 ０．３％ 的 拐 点 出 现在乳化沥青用量为１１．５％；而 在 相 同 乳 化 沥 青 用 量的微表处试件的轮辙宽度变化率随着纤维用量的 增 加 先 减 小 后 增 加 ，对 于 乳 化 沥 青 用 量 为 ８．５％ 的
在乳化沥青用量为１１．５％ 情 况 下，不 同 的 纤 维 用量对玄武岩纤维微表处劈裂强度产生的影响如图 ７所示。
图 ５ 乳化沥青用量和玄武岩纤维用量对轮辙宽度变化率的影响
微表处试件，拐点出现在０．１％，另 外 ３ 条 曲 线 的 拐 点 出 现 在 ０．２％ 。 ２．３ 最佳配合比
通 过 湿 轮 磨 耗 试 验 、负 荷 轮 粘 砂 试 验 、粘 聚 力 试 验 和 轮 辙 变 形 试 验 进 行 研 究 与 分 析 ，最 终 可 得 到 ：玄 武岩纤维微表处的最佳配合比是乳化沥青用量和玄 武 岩 纤 维 用 量 分 别 为 １１．５％ 和 ０．２％ 。
提高混合料的磨耗性能。
２．２．２ 负荷轮粘砂试验 在不 同 的 乳 化 沥 青 与 纤 维 用 量 下，玄 武 岩 纤 维
微表处的负荷轮粘砂试验的结果如图２所示。
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２ 玄武岩纤维微表处的配合比设计
２．１ 材 料 组 成 本研究采用乳化 沥 青 （美 德 维 实 伟 克 提 供 的 含
３．５％的 ＳＢＲ 改性胶乳的慢裂快凝型阳离子乳化沥 青），集 料 （玄 武 岩 石 料 ），玄 武 岩 纤 维，水 （可 饮 用 水 ），填 料 （稀 浆 混 合 料 ）。
根据百度文库验及相关文献知乳化沥青用量应满足 ８．５％～１３％，所选用的玄武岩集 料 规 格 应 满 足 ５～ １０ｍｍ（２＃料）、３～５ ｍｍ（３＃ 料）和 ０～３ ｍｍ（４＃
在 玄 武 岩 纤 维 用 量 为 ０．２％ 下 ，不 同 乳 化 沥 青 用 量对玄武岩纤维微表处劈裂强度的影响如图６所示。
图 ４ 玄 武 岩 纤 维 用 量 对 粘 聚 力 的 影 响
图 ６ 乳 化 沥 青 用 量 对 低 温 抗 裂 性 能 的 影 响
从图 中 可 以 看 出 在 纤 维 用 量 一 定 的 情 况 下，纤 维 微 表 处 的 －１０℃ 劈 裂 强 度 随 着 乳 化 沥 青 用 量 的 增 多先增大后减小，并当乳化沥 青 用 量 为 １１．５％ 时 达 到最大值，为１．８２６ ＭＰａ。 ３．２ 纤 维 用 量 对 低 温 抗 裂 性 能 的 影 响
图 １ 乳 化 沥 青 用 量 和 玄 武 岩 纤 维 用 量 对 磨 耗 值 的 影 响
图 ２ 乳 化 沥 青 用 量 和 玄 武 岩 纤 维 用 量 对 负 荷 轮 粘 砂 的 影 响
从图２可知随着乳化沥青用量的增加，微表处试 件 的 粘 附 砂 量 增 大 ，当 纤 维 掺 量 分 别 为 ０ 和 ０．１％ 的 情况下，乳 化 沥 青 用 量 分 别 大 于 １１．５％ 和 １３％ 时， 单位面积粘砂量大于规 范 要 求 的 最 大 值 ４５０ｇ／ｍ２； 而随着玄武岩纤维用量的增加粘附砂量减少。 ２．２．３ 粘聚力试验 （１）在 不 同 乳 化 沥 青 用 量 下 ，玄 武 岩 纤 维 微 表 处 的粘聚力试验的结果如图３所示。
微表 处 作 为 薄 层 罩 面，抗 裂 性 能 是 其 应 具 备 的 性 能 之 一 ，尤 其 是 低 温 抗 裂 性 能 ，特 别 是 西 部 高 寒 地 区。为验证玄武岩纤维微表处对路面的低温抗裂性 能的影响，本研究采 用 沥 青 混 合 料 劈 裂 试 验 来 检 测 微表处混合料的 低 温 抗 裂 性 能。 通 常 来 说，劈 裂 强 度 越 大 ，则 低 温 抗 裂 性 能 越 好 。 试 验 条 件 是 ：试 验 温 度为－１０ ℃（参 考 规 范 低 温 弯 曲 试 验 的 温 度，实 际 玄武岩纤维微表处混合料的低温抗裂性能可用于更 低 温 度 ），加 载 速 率 为 １ ｍｍ／ｍｉｎ。 ３．１ 乳化沥青用量对低温抗裂性能的影响
其进行性能测试，最 终 得 出 玄 武 岩 纤 维 微 表 处 的 最 佳配合比 。 ［４］
在材料用量范围内选择４种乳化沥青用量和３ 种纤维用量，将其 制 成 相 应 的 试 件，进 行 相 关 试 验。
试验材料取值如表１所示。
表１ 试验材料取值表
乳化沥青用量／％ 玄武岩纤维用量／（ｇ·ｍ－２） 纤维长度／ｍｍ
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·研究与设计· 玄武岩纤维微表处配合比设计及低温抗裂性能试验研究 朱敏清等
３ 玄武岩纤维微表处低温抗裂性能验证
既已得出玄武岩纤维微表处的最佳配合比是乳 化沥青用量和玄武岩纤维用量分别为１１．５％和０．２％， 在此验证玄武岩纤维微表处最佳配合比的路用性能。