摘 要：

为研究SBS改性沥青混合料中玄武岩纤维的最佳掺配率,以及玄武岩纤维材料对SBS改性沥青混合料的路用性能提升能力,文章通过制备含有不同掺量的6mm玄武岩纤维-SBS改性沥青混合料,对其各项性能进行试验分析。结果表明,玄武岩纤维不仅可以提高沥青混合料的劈裂抗拉强度、水稳定性、同时也可提高其高温、低温稳定性,且当SBS改性沥青混合料中玄武岩纤维的掺量为0.3%时,提升效果更加显著。

关键词: 路用性能;玄武岩纤维;改善能力;SBS改性沥青混合料

0 引言

为显著改善沥青混合料的路用性能,常在沥青混合料中掺入 SBS改性剂,然而 SBS改性剂存在一定的弊端,无法全面提升沥青混合料的综合性能,因此大量学者为有效提高沥青混合料的路用性能,通常主张在SBS改性沥青混合料中掺加其他材料对其进行化学或物理的共同改性沥青网sinoasphalt.com。目前有不少研究表明,纤维材料可以提升沥青混合料的韧性与强度[1-3],因此在沥青混合料中掺入纤维的做法较为普遍,目前研究者们常用的纤维材料有木质素纤维、矿物纤维等,而玄武岩纤维不仅具有稳定的化学性质、较高的强度,且其吸水率和价格较低,更符合绿色交通的发展理念。

秦格斐等[4]利用IDEAL对不同级配的沥青混合料展开了温开裂试验,并以开裂指标对掺加了玄武岩纤维的沥青混合料进行了开裂性能分析。王本帅等[5]利用断层扫描图像技术研究了玄武岩纤维在沥青混合料中的结构参数,并讨论了不同纤维长度对 AC-13的性能影响。樊兴华等[6]通过 DSR和 BBR试验测试了玄武岩纤维对两种基质沥青的性能影响,结果表明,沥青标号越低,玄武岩纤维的改善效果越明显。卢祎苗等[7]采用汉堡车辙试验研究了高温水浴耦合作用下玄武岩纤维对沥青混凝土的变形能力和抗水损害的影响。杨程程等[8]利用Matlab软件结合有限元模型模拟了玄武岩纤维在沥青混合料中的空间分布模型,并分析了纤维长度与掺量对沥青混合料的影响。杨盼盼[9]在不同级配的沥青混凝土中掺加了玄武岩纤维材料,结果表明,玄武岩纤维可显著提高其各项路用指标。

目前在沥青混合料中掺加玄武岩纤维已成为提高沥青混合料性能的一种重要手段,然而对SBS改性沥青混合料中玄武岩纤维的最佳掺配比例以及性能提升能力的研究还很少,因此本文对掺入了玄武岩纤维材料的SBS改性沥青混合料进行了针对性研究,对比分析了玄武岩纤维材料的性能提升能力与最佳掺配率。

1  原材料性能与试验

1.1 沥青材料

本试验采用埃索成品SBS(I-D)改性沥青,其来源于东莞泰和沥青产品有限公司,各项沥青参数性能如表1所示。

1.2 玄武岩纤维

玄武岩纤维材料的原料为天然玄武岩矿石,即将天然玄武岩矿石放置在1500℃高温下熔融,经过提炼抽丝与相应处理而制成的无机非金属新型高性能纤维。由于其具有吸水性小、强度高、易加工、耐腐蚀等优点,因此被广泛用于道路建设。本研究选取长沙柠祥建材有限公司生产的玄武岩短切纤维(长度为6mm),其玄武岩纤维参数如下页表2所示。

2 玄武岩纤维对沥青混合料性能的影响

2.1 高温稳定性

沥青混合料中评价高温性能的试验众多,其中车辙试验因其更接近实际情况被广泛应用于试验研究,而动稳定度作为车辙试验的评价指标,其值越大,沥青混合料的高温抗车辙能力就越好。因此本研究对含有不同掺量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)的玄武岩纤维沥青混合料试件进行车辙试验,动稳定度(DS)结果如图1所示。

由图1可知,掺入玄武岩纤维后的沥青混合料动稳定度较未添加玄武岩纤维的大幅度增加,而动稳定度越大,高温抗变形能力越强,因此当加入0.3%的玄武岩纤维时,沥青混合料的高温抗变形能力最佳。添加玄武岩纤维的SBS改性沥青混合料按动稳定度由小到大排序为:0%<0.2%<0.4%<0.3%。此外,当玄武岩纤维掺量从0%增至0.3%时,AC-13CSBS改性沥青混合料的DS 值逐渐提升,而掺量从0.3%增至0.4%时,DS 值逐渐降低,可知玄武岩纤维的掺量与 DS 值并不是呈单一正相关关系,即在沥青混合料中掺加玄武岩纤维需要控制在合理的掺配区间,否则会影响沥青混合料的 DS 值,而合适的掺量区间为0.3%左右。

这是因为在最佳用量范围内,玄武岩纤维材料能够在沥青混合料中均匀分布,对沥青混合料起到“加筋”作用,因此动稳定度会逐渐增大;而当纤维掺量超过最佳用量(0.3%)时,纤维在施工拌和过程中不能均匀分散在混合料中,交错搭接的纤维使得“加筋”作用明显减弱,所以出现动稳定度与纤维掺量呈负相关趋势。

2.2 低温抗裂性

为探究沥青混合料在低温条件下,不同掺量的玄武岩纤维对其低温抗裂性能提升能力,本试验将低温温度设为-10℃,然后对不同玄武岩纤维掺量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)下的沥青混合料进行三点弯曲室内试验,其最大弯拉应变如图2所示。

由图2可知:相较于未添加玄武岩纤维的沥青混凝土,掺量为0.2%、0.3%、0.4%的玄武岩纤维沥青混合料的最大弯拉应变分别提升了22.9%、23.9%、21.8%。由此可见最大弯拉应变并不是随玄武岩纤维掺量呈单一线性变化,当玄武岩纤维的掺量增至一定水平时,最大弯拉应变增幅平缓,因此玄武岩纤维存在一个最佳掺量,即当玄武岩纤维掺量为0.3%时,最大弯拉应变值最大,为8220.7με。其主要原因是6mm的纤维长度能在沥青混凝土中均匀分散,相互搭接形成隐形的空间结构,而0.3%的玄武岩纤维掺量与0.2%掺量相比,不至于因纤维数较少而无法形成完整的空间网络结构;与0.4%掺量相比,不会因为纤维含量过多,而导致拌和过程中纤维无法均匀分散或分散较困难,无法充分发挥其加筋作用,导致对沥青混凝土的低温性能提升较少的情况。

2.3 水稳定性

为评价沥青混合料的水稳定性,采用标准马歇尔试件,对不同掺量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)下的玄武岩纤维沥青混合料进行冻融劈裂试验,其中试件双面各击实50次,加载速率设为50mm/min,试验温度控制在25℃,试验步骤均按照标准试验规程进行,其试验结果如图3所示。

由图3可知:随着玄武岩纤维用量的增加,沥青混合料的冻融劈裂强度比分别提高了4.2%、6.1%、9.9%,这说明沥青混合料的冻融劈裂强度与纤维掺量成正相关,且在玄武岩纤维掺量为4%时,达到最大值。这主要是由于一定掺量的玄武岩纤维能够均匀分散在沥青混合料中,增加集料的表面积,将沥青胶浆牢牢锁在纤维和集料上。此外,玄武岩纤维在沥青混合料内部相互交错形成网状结构,能将沥青混合料牢牢固定在一起,从而表现出很好的水稳定性及抗剥落能力,使沥青不易从集料表面剥落。

2.4 劈裂破坏性能

为评价玄武岩纤维对沥青混合料在特定温度和荷载作用下抗劈裂破坏性能的改善作用,以及不同玄武岩纤维掺量(0%、0.2%、0.3%、0.4%)下的沥青混合料的力学性质。本研究制作了标准马歇尔试件,对其劈裂破坏性能进行研究,其中试验加载速率为50mm/min,试验温度为15℃,其劈裂抗拉强度结果如图4所示。

由图4可知:不同纤维掺量对沥青混合料的劈裂抗拉强度的增强作用不一样,由小到大进行排序为:0%<0.2%<0.4%<0.3%。由此可知,掺加纤维后沥青混合料较未掺 加 的沥 青 混合 料 劈 裂抗 拉 强度 分 别提 高 了5.8%、11.6%、8.3%。劈裂抗拉强度表征材料的抗拉性能,由此可知,在本试验条件下,当纤维掺量为0.3%时,沥青混合料的劈裂强度最高,所以当掺量为0.3%时沥青混合料的抗拉性能最好。

这主要是因为沥青混合料中的玄武岩纤维均匀分散形成三维骨架网络,使得沥青混合料的抗变形能力大幅度提高,相应地,沥青混合料的整体强度也会因为玄武岩纤维的骨架网格结构而增强;此外,玄武岩纤维之间相互搭接,可将沥青与混合料牢牢地锁在一起,具有很强的加筋作用,从而分担一部分拉应力,同时玄武岩纤维还能在裂缝扩展初期将两部分锚固在一起,增强了沥青混合料的抗应变能力。

 3  结语

本文通过对添加了不同掺量玄武岩纤维(0.2%,0.3%,0.4%)的SBS改性沥青混合料采取一系列性能试验,得出以下结论:

(1)在SBS改性沥青混合料中掺入玄武岩纤维材料后,其低温与高温性能、水稳定性能以及抗拉性能都能得到显著提升。

(2)随着玄武岩纤维的掺量从0%增至0.3%,沥青混合料的动稳定度、最大弯拉应变、冻融劈裂强度和劈裂抗拉强度逐渐提高;而当其掺量从0.3%增至0.4%时,动稳定度、最大弯拉应变以及劈裂抗拉强度均呈下降趋势,但冻融劈裂强度却一直在升高。因此,综合沥青混合料的各项路用性能,当玄武岩纤维的掺量为0.3%时综合性能最佳。

(3)适量的玄武岩纤维能够在拌和过程中均匀分散在沥青混合料中,经过摊铺碾压最终形成三维立体骨架;而纤维之间相互搭接,具有很强的加筋作用,可将沥青与混合料牢牢地锁在一起,使沥青不易从集料表面剥落,从而增强了其抗应变能力。

参考文献：

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[2]王 宏.聚酯纤维对硬质沥青混合料增柔增韧性及改性机理试验研究[J].公路,2016,61(3):160-166.

[3]方明伟,王 丹,殷 玲,等.基于灰色关联法的外掺纤维沥青混合料路用性能研究[J].公路,2019,64(5):23-29.

[4]秦格斐,吴正光,孟伟杰,等.不同级配玄武岩纤维沥青混合料的IDEAL抗裂性能[J].公路,2022,67(3):37-41.

[5]王本帅,康爱红,吴星怡,等.玄武岩纤维沥青混合料长度级配设计[J].河南科技大学学报(自然科学版),2022,43(3):63-70,8.

[6]樊兴华,薛振华.大温差地区掺玄武岩纤维低标号沥青混合料路用性能研究[J].中外公路,2020,40(5):286-291.

[7]卢祎苗,肖 鹏,夏 炎,等.玄武岩纤维沥青混合料水损伤衰变规律分析[J].公路工程,2020,45(2):55-60,85.

[8]杨程程,刘朝晖,柳 力,等.基于空间分布模型的玄武岩纤维参数对沥青混合料的影响[J].玻璃钢/复合材料,2019(9):14-19.

[9]杨盼盼.玄武岩纤维沥青混合料高温及疲劳性能试验研究[D].扬州:扬州大学,2019.