玄武岩纤维长度对沥青混合料路用性能的影响

玄武岩纤维长度对沥青混合料路用性能的影响

徐敏

宜昌市交通规划勘察设计研究院 ，湖北省宜昌市 443000

摘 要：为了探讨玄武岩纤维长度对沥青混合料路用性能的影响，对不同纤维长度下混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性进行了深入的试验分析，通过比较不同纤维长度对各指标的影响规律，得到了最佳纤维长度，研究发现；（1）玄武岩纤维长度的增加会导致混合料的油石比呈线性增长；（2）随着玄武岩纤维长度的增加，车辙深度与相对变形率先减小后增大，浸水残留稳定度及真空饱水残留稳定度先增大后减小，动稳定度与纤维长度间符合二次函数关系；（3）纤维长度为4mm时，对由于冻融所带来的劈裂强度的衰减效果最好；（4）最大弯拉应变与玄武岩纤维长度间满足二次函数关系，纤维长度由6mm增至8mm时，最大弯拉应变的提高幅度较小。

关键词：玄武岩纤维；沥青混合料；路用性能；最佳纤维长度

0.引言

沥青路面具有行车舒适、通车快、养护方便等优点，因而被广泛的应用到高等级公路的建设中，但随着公路交通的发展、交通量的增加，沥青路面出现了较为普遍的车辙破坏及水损害；玄武岩纤维是玄武岩石料熔融后通过拉制而形成的一种连续纤维，具有耐高温、抗老化、高强度、可再生以及与沥青混凝土相容性较好等优点。大量研究表明在沥青混凝土中掺入玄武岩纤维后可显著提高其路用性能：廖芳龄等发现玄武岩纤维可大幅度提高沥青混凝土的低温抗裂性以及冲击韧性，且玄武岩纤维的最佳掺量为0.25%；邓宗才对玄武岩纤维混凝土的抗弯性能进行研究后发现，玄武岩纤维的最佳掺量为2.1kg.m^-3，此时试件的冲击破坏次数较普通沥青混凝土提高了90%；汤寄予等发现掺入适量的玄武岩纤维后，沥青混凝土的的水稳定性提高了10.3%、冻融劈裂强度提高了15%。可以发现，目前关于玄武岩纤维沥青混合料的研究多集中在最佳掺量上，但在实际工程中玄武岩纤维的长度不一、种类各异，因此玄武岩纤维的长度对沥青混合料性能有何影响是有待进一步研究的。

1.试验材料

1.1 玄武岩纤维

本文所用玄武岩纤维为盐城市欧璐宝纤维科技有限公司提供，具体指标见表1。

表1 玄武岩纤维技术指标

1.2 原材料及级配

沥青采用重交通道路石油沥青A—70；粗集料为级配良好的碎石，压碎值为18%、洛杉矶磨耗值为22%、坚固性为13.5%；细集料为品质良好的河砂，含泥量为2.5%、坚固性为12.9%、砂当量为78.3%；矿粉为石灰岩加工而成，加热安定性良好；本文中选用道路中较为常用的AC—13C型沥青混合料进行研究

2.试验方案

本研究中玄武岩纤维长度依次为：2mm、4mm、6mm和8mm，为减少试验变量，参照目前关于玄武岩纤维掺量的研究结果，本文纤维掺量统一取为0.25%，文中所涉及到的沥青混合料试验均参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E2011）中的相关规定。首先进行马歇尔击实试验，确定不同玄武岩长度下的最佳油石比；根据所确定的最佳油石比，分别进行高温车辙试验、马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验以及低温抗裂试验，通过分析不同玄武岩纤维长度对各路用指标的影响规律，从而确定最佳的纤维长度。

3.试验结果及分析

3.1 玄武岩纤维长度对最佳油石比的影响

最佳油石比采用马歇尔击实试验测得，根据目前关于玄武岩纤维沥青混合料的相关研究，预估最佳油石比在5.5%左右，因此在进行击实试验时，预配油石比分别控制为：4%、4.5%、5%、5.5%和6%，按照规范要求分别进行击实试验，通过对脱模后试件的空隙率、VMA和VFA等参数进行测定，来确定不同玄武岩纤维长度下的最佳油石比。

3.2 玄武岩纤维长度对动稳定度的影响

动稳定度试验中试样尺寸

采用LDCX—1型液压成型机成型，碾压成型时的总荷载为9KN，车辙试验的温度为60^。C，试验轮接地压强为 。当试样的最大变形量达到25mm或碾压时间达到1h时即可停止试验。

试验结果表明：

1. 适当的增加玄武岩纤维长度可大幅度提高混合料的动稳定度：当纤维长度由0增长至6mm时，动稳定度逐渐增加，6mm时的动稳定度较普通混合料（未掺玄武岩纤维）提高了18.7%，这是因为玄武岩纤维掺入后起到了“加筋”的作用，有效的增强了对骨料的约束作用，限制了其骨料间的相对滑移，从而抵抗变形的能力增强，动稳定度增加，而较长的纤维对骨料的这种约束作用则增加强烈。但当纤维长度进一步增加时，混合料的动稳定度反而呈现出降低的趋势：纤维长度由6mm增加至8mm时，动稳定度降低了165.5次/mm^-1。

2. 适当的增加玄武岩纤维长度可有效降低试件的车辙深度以及相对变形率。随着玄武岩纤维长度的增加，车辙深度和相对变形率的变化规律基本相同，都是先减小后增加。当纤维长度为6mm时，二者有最小值，此时车辙深度较普通混合料降低了3.4mm，相对变形率较普通混合料降低了6.8%，产生这一现象的原因与（1）中相似。

将动稳定度与纤维长度进行数据拟合后看发现，动稳定度与纤维长度间满足二次函数关系，拟合后的相关性较好。

3.3 玄武岩纤维长度对水稳定性的影响

3.3.1 马歇尔稳定度试验

本文主要采用SYD—0710型马歇尔稳定度试验仪来对浸水及真空饱水后试件的稳定度进行研究，试件采用马歇尔击实仪击实成型，尺寸为 ，试验时的加压速率为 。

试验结果表明：随着玄武岩纤维长度的增加，浸水残留稳定度及真空饱水残留稳定度均呈现出先增大后减小的趋势，当纤维长度为6mm时，二者均达到最大，分别较普通混合料增大11%和5.7%，即适当的增加纤维长度可有效提高混合料的水稳定性，这主要是因为玄武岩纤维在混合料中纵横交错，对骨料起到了很好的固定约束作用，因此在外界水的侵害下，骨料与沥青间不易分离，稳定性较好。当纤维长度由6mm增长至8mm时，浸水残留稳定度及真空饱水残留稳定度均显著降低，这是因为纤维长度过长，会造成混合料内部的空隙率增加，增加了外界水入侵的机会，因此浸水和真空饱水后的稳定度大幅下降。

3.3.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是对试件在经过冷冻处理后再进行劈裂试验，主要测量指标有冻融劈裂强度以及强度比，劈裂试验时，记录下试件破坏时的极限荷载p，则试件的劈裂强度R为：

式中： /mm。

试验结果表明：

1. 对于未经冻融的试件而言，随着玄武岩纤维长度的增大，试件的劈裂强度呈抛物线形式变化，即当纤维长度为0~6mm时，劈裂强度逐渐增大，且增大幅度依次为0.17MPa、0.15MPa和0.05MPa，4mm的纤维长度和6mm的纤维长度所对应的劈裂强度较为接近，当纤维长度进一步增长时劈裂强度降低。这说明适当的增加玄武岩纤维长度可有效提高试件的劈裂强度，对于未经冻融的试件而言，这一最佳纤维长度为6mm。

2. 冻融后试件的劈裂强度随纤维长度的变化规律亦是先增大后减小，当纤维长度由6mm增长至8mm时，劈裂强度降低了0.17MPa，远大于未经冻融时的降低幅度，这是因为玄武岩纤维长度过大，造成了试件孔隙率的增加，外界水更容易进入试件内部，冻胀力对集料间的粘结作用造成了严重的破坏，因此此时劈裂强度的降低幅度远大于未经冻融时劈裂强度的降低幅度。

3. 强度比随着纤维长度的增加先增加后减小，并在纤维长度为4mm时，强度比最大，这说明通过适当的增加玄武岩纤维长度可有效的抑制由于冻融效应带来的劈裂强度的降低，并且这种抑制效果在纤维长度为4mm的时候最为显著。

3.4 玄武岩纤维长度对低温抗裂性的影响

本文采用低温弯曲试验来对不同纤维长度混合料的低温抗裂性进行研究，试件采用车辙成型机碾压成型，加压试验采用WAW—AD型万能试验机进行，试验时的温度及加载速率分别为 。

试验结果表明：

1. 对于弯拉强度而言，纤维长度并不是越大越好，当纤维长度由0增长至4mm时，抗弯拉强度增长较快，纤维长度每增加2mm，抗弯拉强度依次增长0.42MPa和0.26MPa。但当纤维长度超过6mm后，抗弯拉强度反而有降低的趋势，这同样是由于纤维长度过长导致试件粘结强度较低所致。

2. 通过适当的增加玄武岩纤维长度可有效提高试件的最大弯拉应变，普通混合料的最大弯拉应变仅为2485.10με，当纤维长度为8mm时，最大弯拉应变增长至2828.30με，提高幅度达14%，但同样的当纤维长度由6mm增长至8mm时，最大弯拉应变的提高幅度较小，仅为18.9με，从图4中国可以看出，最大弯拉应变与纤维长度呈较好的二次函数关系。

3. 随着玄武岩纤维长度的增加，劲度模量先增大后减小，当纤维长度为2mm时，劲度模量达到最大，为2642.95MPa，当纤维长度继续增加时劲度模量反而逐渐减小，纤维长度为6mm时，劲度模量下降到与普通混合料的劲度模量较为接近。

5.结论

本文通过对不同玄武岩纤维长度下沥青混合料路用性能的研究，得到了如下结论：

（1）随着玄武岩纤维长度的增加，混合料的油石比呈直线形式增加，玄武岩纤维长度每增加2mm，油石比约增长0.2%。

（2）车辙深度与相对变形率均随着玄武岩纤维长度的增加而先减小后增大，且二者均在6mm的纤维长度下达到最下值；当纤维长度为6mm时动稳定度达到最大，且动稳定度与纤维长度间满足二次，函数关系。

（3）浸水残留稳定度及真空饱水残留稳定度随着玄武岩纤维长度的增加，均呈现出先增大后减小的趋势，当纤维长度为6mm时，二者有最大值。

（4）通过适当的增加纤维长度可有效提高混合料的劈裂及冻融劈裂强度，当纤维长度为4mm时，对由于冻融所带来的劈裂强度的衰减效果最好。

（5）随着玄武岩纤维的增加，最大弯拉应变呈二次函数的形式逐渐增加，但当纤维长度超过6mm后，最大弯拉应变的提高幅度较小。

（6）综合考虑各项指标随玄武岩纤维长度的变化规律，最佳纤维长度可取值为6mm。

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