玄武岩纤维掺量对热再生沥青混合料性能的影响研究

郭琦

（张家口路桥建设集团有限公司，河北 张家口 075000）

1 引言

研究表明，纤维在沥青混合料当中的加筋作用能有效改善沥青混合料的路用性能[1-2]。 近年来，各种纤维在沥青混合料中的应用研究日益广泛，其中，玄武岩纤维作为一种优质的矿物纤维，具有改善沥青路面性能的特点，已被广泛用于沥青路面的改造工程。 然而，目前对玄武岩纤维在再生沥青混合料中的应用研究还很少。 基于此，本文对同掺量玄武岩纤维的再生沥青混合料进行马歇尔试验，并研究玄武岩纤维的掺量对再生沥青混合料相关指标的影响，包括高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性，并研究玄武岩纤维的掺量与再生沥青混合料马歇尔试验各项指标间的对应关系，从而确定玄武岩纤维的最佳掺量。

2 工程概况

某高速公路全线按双向四车道高速公路标准进行设计，设计时速为100 km/h。 沥青面层结构较薄，承载能力较一般路面低，经过了12 年的通车运营，路面技术状况正逐年下降， 现拟将主干道翻挖、 铣刨下来的沥青上面层材料AC-13 为RAP 材料，采用玄武岩纤维热再生技术制备路面材料，并研究玄武岩掺量对混合料性能的影响。

3 工程实践

3.1 原材料

3.1.1 再生沥青混合料（RAP）

沥青材料的类型是基质沥青， 选用0.075~16 mm 的一组标准方孔套筛进行筛分试验， 并对其原始状态的表观级配组成进行分析。

3.1.2 新集料

根据JTG F 40—2004 《公路沥青路面施工技术规范》，新集料选用当地优质的石灰岩破碎而成的碎石， 集料尺寸分为0~2 mm、2~8 mm、8~16 mm、16~22 mm，并使用填料。

3.1.3 再生剂

从再生剂性能检测试验结果来看， 再生剂的各项技术指标符合规范中RA-1 型再生剂的技术要求， 说明所选再生剂性能较高[3]。 其中，60 ℃时的运动黏度为5.347 mm2/s，闪点不宜低于220 ℃，薄膜烘箱试验前后质量变化在-3%~3%，老化前后60 ℃运动黏度比不宜大于30%。

3.2 混合料配合比设计

（1）只掺入新沥青，不掺入玄武岩纤维；再生沥青混合料的可参考经验沥青用量为3%、3.5%、4%、4.5%、5%， 依次进行各项指标的马歇尔试验， 分析得到最佳新沥青掺量为4%；（2）掺入新沥青和玄武岩纤维，以（1）得出的最佳沥青用量为参考指标， 在再生沥青混合料中分别加入不同掺量的玄武岩纤维（0.2%、0.3%、0.4%）进行马歇尔试验，每种纤维掺量下参考5 个新沥青掺量分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%设定，根据试验数据分析确定最佳的玄武岩纤维掺量及其相应的新沥青掺量。不同掺量玄武岩纤维时再生混合料马歇尔试验结果见表1。

表1 再生沥青混合料马歇尔指标

可以分析得出：根据空隙率、沥青饱和度、稳定度所确定的最佳油石比范围在4.4~5.0，且毛体积密度及稳定度最大值、空隙率中值及沥青饱和度中值分别为：α1＝5.4%、α2＝5.1%、α3＝4.5%、α4＝4.6%，则最佳沥青用量初始值OAC1=（α1+α2+α3+α4）／4＝4.9%， 而满足各项技术指标要求的油石比范围为4.4%~5.0%，中值为4.7%，因此，目标沥青混合料最佳油石比取OAC =4.8。

3.3 混合料路用性能

3.3.1 高温稳定性

沥青路面车辙是沥青混合料在高温和荷载的共同作用下因抗剪能力不足而引发的横侧向流动变形。 依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的汉堡车辙试验评价AC-20 再生沥青混合料的高温性能， 制备5 种纤维掺量的AC-20 标准马歇尔成型试件，控制指标见表2、图1。

图1 不同纤维掺量时沥青混合料的动稳定度

表2 再生剂性能测试试验结果

根据图1 分析，玄武岩纤维的掺量增加对混合料的高温稳定性有较好的提升作用， 混合料的动稳定度随着玄武岩掺量的增加而增加。 在玄武岩纤维掺量为0.2%时混合料的动稳定度提升最显著，对混合料高温稳定性能影响最大，但随着纤维掺量的逐渐增加， 混合料动稳定度的提升幅度趋于平缓。

总结： 掺入玄武岩纤维对混合料的髙温稳定性有一定的提高， 并且随着纤维含量的增加， 混合料的动稳定度逐渐增大，但是增幅较为缓和。

3.3.2 水稳定性能

在再生混合料的性能试验中，需要结合浸水试验和冻融劈裂试验来评价混合料的水稳定性，并利用残留稳定度和冻融劈裂强度比来确定混合料的水稳定性。 试验结果如图2 所示。

从图2 可以看出，随着玄武岩掺量的增加，混合料残留稳定度先快速增加后缓慢降低，在玄武岩掺量为4%时达到峰值，为92.7%。 而混合料的冻融劈裂强度比也随着玄武纤维掺量的增加呈现先增大后减小的变化规律，增加幅度较为缓和，冻融劈裂强度比达到最大值时，对应的玄武岩纤维掺量为6%。

综合这两个指标考虑，玄武岩掺量在4%~6%时，热再生沥青混合料具有较好的水稳定性。 这是因为纤维的掺入使混合料内部的界面强度增大， 同时纤维掺量的增多导致油石比的提高，沥青膜的厚度和比表面积随之增大，从而提高了混合料水稳定性，综上所述，玄武岩纤维的掺入使混合料具有更好的水稳定性。

3.3.3 低温性能

根据规范， 热再生混合料评价低温性能常用的方法为小梁弯曲试验，制备5 种纤维掺量的AC-20 标准马歇尔成型试件，试验结果如图3 所示。

图3 不同再生剂掺量的最大弯拉应变

根据图3 可以看出，随着纤维掺量的增加，最大弯拉应变整体的上升趋势， 这是由于玄武岩纤维的掺入使沥青用量增加，沥青与集料之间的界面强度随之增大。 同时，纤维的加筋作用可以使混合料中产生的裂缝得到缓冲， 阻碍裂缝的进一步扩大并扩散应力。 但纤维掺量增加到0.4%之后，再生沥青混合料的低温性能的提升效果稍有降低，在纤维掺量0%~4%时最大弯拉应变增加了210 με，而从6%~8%只增加了14 με。

在热再生沥青混合料掺入纤维后， 纤维掺量在0.4%~0.8%时混合料均有较好的路用性能，但过低掺量（0.2%）对再生沥青混合料的低温性能改善效果不足，过高掺量（0.8%）又会一定程度上劣化水稳定性能，因此，热再生沥青混合料中玄武岩纤维的最佳掺量为0.6%[4]。

4 结语

本文依托某高速公路项目， 从厂拌热再生沥青混合料配合比设计，施工工艺和质量控制3 个方面进行分析，可以得出掺玄武岩纤维在公路工程沥青路面养护中的具有良好广阔的应用前景，得出结论如下：

1）在玄武岩纤维掺量为0.2%~0.4%时混合料的动稳定度提升最显著，对混合料高温稳定性能影响最大，但随着纤维掺量的逐渐增加，混合料动稳定度的提升幅度趋于平缓；

2）适当掺入玄武岩纤维能全面提高再生混合料的路用性能，玄武岩掺量在0.4%~0.6%时，热再生沥青混合料具有较好的水稳定性；

3）在热再生沥青混合料中纤维掺量过低（0.2%）对再生沥青混合料的低温性能改善效果不足， 纤维掺量过高掺量（0.8%）又会在一定程度上劣化水稳定性能，因此，热再生沥青混合料中玄武岩纤维的最佳掺量为0.6%。