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第2 7 卷第1期2024年2 月扬州大学学报（自然科学版）Journal of Yangzhou University(Natural Science Edition)Vol.27 No.1Feb.2024不同直径玄武岩纤维对沥青混合料性能影响康爱红1*，王卡，孔贺誉，祁妍娟，吴星，寇长江1（1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州2 2 512 7；2.江苏连徐高速公路有限公司，江苏徐州2 2 10 0 0；3.江苏润扬大桥发展有限公司，江苏镇江2 12 0 0 1)摘要：为研究玄武岩纤维直径参数对AC-13C型沥青混合料性能的影响，对7，13，2 5m三种不同直径纤维改性后的沥青混合料的高温性能、低温性能和抗裂性能进行检测和对比分析，并结合滑移理论分析玄武岩纤维的直径对混合料中增强作用的影响.结果表明，不同直径的玄武岩纤维在不同程度上增强了沥青混合料的高温、低温、抗裂性能，在相同玄武岩纤维掺量下，纤维的直径越小，其对沥青混合料的增强效果越明显，这是由于纤维直径越小时滑移率越小，混合料性能增强效果越好。关键词：玄武岩纤维；纤维直径；路用性能；纤维复合材料；滑移理论中图分类号：U414D0I:10.19411/j.1007-824x.2024.01.011随着交通荷载的逐年增加，沥青路面性能面临严峻的考验1-2，提高沥青路面材料性能是呕须解决的难题.AC-13C型沥青混合料是广泛应用于普通路面的面层材料，但存在耐久性不高的问题，主要表现为路面易变形、开裂、剥落等.在路面材料中加人纤维是延长路面使用寿命的有效手段，被广泛应用于道路预防性养护和施工工程中.玄武岩纤维是一种绿色环保、抗拉性高的材料3-6 ，其不仅能填充裂缝，还能增强沥青混合料的强度和韧性7-10。纤维特征参数可以影响纤维在沥青混合料中的吸附、加筋作用，进而影响混合料的性能11.有研究表明，长度为6 mm的玄武岩纤维可显著提高OGFC-13沥青混合料的性能12。纤维直径变化也会影响沥青混合料的模量和断裂强度，从而影响纤维在混合料中的增强、增韧作用.杨程程等13研究发现，在AC-13C混合料中，直径为14m的玄武岩纤维的最佳长度及掺量分别为6 mm和0.3%.本文研究不同直径的玄武岩纤维对沥青混合料在高温、低温及抗裂方面的性能影响，并对不同直径的玄武岩纤维沥青混合料增强作用机理进行分析与验证，为相关理论研究和实践应用提供参考.1原材料与试验方法1.1原材料本文采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene-butadiene-styreneblockcopolymer，SBS）改性沥青、石灰岩集料、石灰岩矿粉和长度为6 mm的玄武岩纤维设计AC-13C沥青混合料配合比，表1表4为各项原材料指标，均满足公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTGE20一2 0 11和公路工程集料试验规程JTGE42一2 0 0 5的要求.1.2配合比设计将集料与纤维加人17 5的拌锅中，干拌9 0 s，然后加人不同油石质量比的流体状态SBS改性沥青，湿拌9 0 S，最后加人矿粉继续搅拌9 0 s.表5为AC-13C沥青混合料级配组成，表6 为纤收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 8.*联系人，E-mail：a h k a n g y z u.e d u.c n.基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 17 8 439）；江苏省研究生科研与实践创新计划资助项目（KYCX22_3486)。引文格式：康爱红，王卡，孔贺誉，等.不同直径玄武岩纤维对沥青混合料性能影响J.扬州大学学报（自然科学版），2 0 2 4，27(1):74-78.文献标志码：A文章编号：10 0 7-8 2 4X(2024)01-0074-05第1期检测项目针人度(2 5)/0.1mm软化点/延度(5 cmmin-1,5)/c m针人度指数PI离析软化点差注：RTFOT表示沥青旋转薄膜加热试验.Tab.2Test results of the properties of aggregates类型粒径/mm石灰岩9.513.24.759.5玄武岩2.364.7502.36注：a表观相对密度为烘干材料（包括闭口孔隙）的表观密度与水的密度在各自规定条件下的比；b毛体积相对密度指烘干材料（包括开口、闭口孔隙）的毛体积密度与水的密度在各自规定条件下的比.指标含水率/%相对密度亲水系数维增强AC-13C级配设计结果.玄武岩纤维掺量均为沥青混合料质量的0.3%，长度均为6mm，直径分别为7，13，2 5m，对应的纤维改性AC-13C沥青混合料分别记为AC-BF7，AC-BF13和AC-BF25.AC-13C沥青混合料记为AC.方孔筛/mm合成级配/%类型油石比/%空隙率/%矿料间隙率/%沥青饱和度/%稳定度/kN流值/mm毛体积相对密度AC4.8AC-BF75.1AC-BF135.0AC-BF254.91.3试验方法1）车辙试验.车辙试验按照公路沥青路面施工技术规范JTGF40一2 0 0 4进行，样品尺寸为300mm300mmX50mm，每组3个平行样品，每组试验误差5%以内.通过动稳定度（dynamicstability，D S)评价高温抵抗变形能力.DS=（t z 一ti)NCC,/（d 一di），式中ti，t z 为车载试验时间，康爱红等：不同直径玄武岩纤维对沥青混合料性能影响表1SBS改性沥青性能测试结果Tab.1Performance test results of SBS modified asphalt试验结果规范要求716080865548300.5-0.41.01.42.5表2 集料性能试验结果表观相对密度2.7172.9622.9022.704表3矿粉性能试验结果Tab.3Test results of the properties of mineral powder试验结果规范要求0.312.6542.50.631表5AC-13C沥青混合料级配组成Tab.5Gradation composition of AC-13C asphalt mixture16.013.210098.4表6 纤维增强沥青混合料级配设计结果Tab.6Grading design results of Fiber reinforced AC-13C4.2014.904.1014.834.3015.004.0114.7475检测项目试验结果规范要求弹性恢复(2 5)/%76RTFOT残留物质量变化/%0.08RTFOT残留物针人度比/%86RTFOT残留物15C残留延度/cm37毛体积相对密度b2.6872.9022.853指标试验结果0.150mm100%粒径百分比20规范要求90%92.2%75%1.70.10.80.10.90.12.361.1831.223.871.8172.2471.3072.770.616.812.8715.0313.6813.410.310.74.764.864.835.060.159.32.4642.4662.4612.4690.0756.776分别为45，6 0 min；N为试验车轮往返碾压速度，次min-l；d i，d 为ti，t 时间下的形变量，mm；试验因数 Ci，C 均为1.0.2）单轴贯人试验.采用单轴贯人试验测试纤维-沥青混合料的高温性能，样品为高10 0 mm、直径150 mm的圆柱体，每组4个样品，加载器具是直径为42 mm的金属圆柱体.贯人应力R，=f.o p，其中贯入强度c,=P/A，式中P为最大荷载，N；A 为横截面面积，mm.当样品直径为150 mm时，f.设为 0.35.3）低温小梁试验.采用低温弯曲小梁试验评价低温状态下的抗裂能力，依据公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTGE20一2 0 11，从车辙板中切割出尺寸为2 50 mm30mmX25mm的样品，每组6 根样品，用于测试梁底最大弯拉应变eB=6hd/L和弯曲劲度模量SB=RB/eB，式中h、L为试件的高度与跨度，mm；d 为破坏时的跨中挠度，mm；R B为试件抗弯拉强度，MPa.4）理想拉伸开裂（IDEAL-CT)试验.通过IDEAL-CT测试沥青混合料起裂阶段及裂缝扩展阶段的特征参数.开裂指标CTindex=Grlzs/（l m 7 5l D），反映混合料裂缝扩展速度，式中G，为断裂能，表示裂纹传播的单位面积所需的能量，Jm-；D 为样品直径，mm；l z s 为峰后段7 5%峰值处的位移，mm；m 7 5l为峰后段7 5%峰值处斜率的绝对值。2结果与讨论2.1 高温稳定性图1为车辙试验和单轴贯人试验结果.由图1(a)可知，沥青混合料加入7，13，2 5m直径的玄武岩纤维后，混合料的动稳定度分别增长了50%，38%和2 7%，贯人强度分别增加了2 4%，14%和10%，说明玄武岩纤维的掺人改善了沥青混合料的高温稳定性.这是由于沥青可以很好地黏附于玄武岩纤维的表面，减小了沥青混合料在高温下的流动变形.此外，玄武岩纤维有效分散到骨料中形成三维网状结构，通过纤维沥青界面传递应力，减少了沥青表面和骨料的相对运动趋势，且纤维的拉伸和弹性性能改善了沥青混合料流动变形差的缺点，进一步提高了纤维混合料的抗剪切能力.图1还表明，不同直径玄武岩纤维对混合料性能的改善程度不同，掺人7 m直径的纤维时，沥青混合料的动稳定度和贯人强度增长幅度最大，因为纤维的直径越小，其比表面积越大，可以很好地参与纤维沥青界面区域的应力传递，纤维沥青混合料高温稳定性提升效果越好。6.0000.894950(wu.)/5.0004.00039003.000F200010000AC2.2低温小梁试验表7 为低温小梁试验结果.表7 结果显示，在沥青混合料中分别加人直径为7，13，2 5m的玄武岩纤维后，抗弯拉强度分别增长了7.1%，3.1%，1.6%，最大弯拉应变增长了12.9%，6.5%，2.6%，此外弯曲劲度模量减少了5.5%，3.2%，0.8%.加人玄武岩纤维后，混合料的抗弯拉强度和扬州大学学报（自然科学版）58451.053750.8F/E0.720.6F0.4F0.2F0.0AC-BF7_AC-BF13AC-BF25混合料类型(a)车辙试验结果图1高温稳定性能测试结果Fig.1 Test results of high temperature performance第2 7 卷0.820.79ACAC-BF7AC-BF13AC-BF25混合料类型(b)贯人强度试验结果第1期最大弯拉应变提升，弯曲劲度模量降低，说明玄武岩纤维对沥青混合料有增韧效果.混合料中的玄武岩纤维能够承受一定应力，且对应力具有分散作用，提高了试件的抗荷载能力，因此玄武岩纤维增加了沥青混合料在低温下的抗开裂性能.直径为7 m的玄武岩纤维的性能增强效果最明显，这是因为在相同掺量下，加人小直径的玄武岩纤维后比表面积较大，可以接触更多沥青胶浆，抵消更多温度应力，表现出更好的低温性能.2.3IDEAL-CT试验在IDEAL-CT试验过程中，初始阶段试件在模具的加载下，力与形变量的增长趋势呈线性，此时样品内部的裂缝较少.荷载逐渐达到峰值，随后下降并趋于零，在此过程中样品外部裂缝与内部裂缝贯穿整个试件.图2 为IDEAL-CT试验性能测试结果.由图2 可知，掺人玄武岩纤维后材料的Gr和CTindex均有提高，且直径7 m的玄武岩纤维改善效果最明显.表明玄武岩纤维可以在一定程度上增强材料在裂缝扩展过程中的阻裂效果，而加入7 m玄武岩纤维的混合料延缓裂缝扩展的能力更强.这是因为在玄武岩纤维掺量相同的情况下，小直径的玄武岩纤维根数较多，在混合料开裂的过程中可以承担更多的内部应力，对沥青混合料的宏观性能提升程度越大。7289(a)6.16564.9565432102.4纤维滑移理论分析Hejazi等14采用纤维滑移理论分析了纤维在复合材料中的增强作用机理.根据该理论，纤维滑移率入=d,Erer/（2 tL）.式中，d为纤维直径，m；E，为纤维杨氏模量，MPa；e r 为纤维应变；为纤维与基体间的界面剪切应力，MPa；L为纤维长度，mm.由此可知，滑移率与纤维直径正相关，当直径越小时，滑移率越小，说明纤维可以更多地承受基体材料内部应力，更大程度上起到延缓裂缝的作用，且在相同掺量下，纤维的直径越小，参与增强作用的纤维根数越多，对沥青混合料性能的增强效果越好.参考文献：1J ZHANG Jia,CAO Dandan,ZHANG Jinxi.Three-dimensional modelling and analysis of fracture characteristicsof overlaid asphalt pavement with initial crack under temperature and traffic loading LJJ.Constr Build Mater,2023:367.2WANG Xiaoying,HUANG Yukai,GENG Litao,et al.Multiscale performance of composite modified cold patchasphalt mixture for pothole repair JJ.Constr Build Mater,2023:371.3许星，张金才，王宝凤，等玄武岩纤维表面改性的研究进展J硅酸盐通报，2 0 2 3，42（2）：57 5-58 6，6 0 6.4朱洪洲，谭祺琦，杨孝思，等纤维改性沥青混合料性能的研究现状与展望J.科学技术与工程，2 0 2 2，康爱红等：不同直径玄武岩纤维对沥青混合料性能影响Tab.7Test result of low temperaturetrabecular bending类型RB/MPaAC12.7AC-BF713.6AC-BF1313.1AC-BF2512.9300(b)5.930250F5.218200F150100上90.0500ACAC-BF7AC-BF13AC-BF25混合料类型图2 断裂能(a)和开裂指标(b)测试结果Fig.2Test results of fracture energy(a)and cracking index(b)77表7 低温小梁弯曲性能测试结果BSB/MPa28764.41932464.17730624.2782.9504.383162122ACAC-BF7AC-BF13AC-BF25混合料类型7822(7):2573-2584.5HUANG Yu,CAI Meng,HE Can,et al.Basalt fiber as a skeleton to enhance the multi-conditional tribologicalproperties of epoxy coating LJJ.Tribol Int,2023,183:108390.6WU Bangwei,WU Xing,XIAO Peng,et al.Evaluation of the long-term performances of SMA-13 containingdifferent fibers J.Appl Sci,2021,11(11):5145.7WANG Xinzhong,HE Jun,MOSALLAM A S,et al.The effects of fiber length and volume on material proper-ties and crack resistance of basalt fiber reinforced concrete(BFRC)JJ.Adv Mater Sci Eng,2019:7520549.8陈峰宾，许斌，焦华喆，等玄武岩纤维混凝土纤维分布及孔隙结构表征J中国矿业大学学报，2 0 2 1，50(2):273-280.9吴正光，蒋德安，吕阳，等玄武岩纤维沥青混合料韧性研究及机理分析J南京理工大学学报，2 0 15，39(4):500-505.10ZHANG Yao,GU Qianli,KANG Aihong,et al.Characterization of mesoscale fracture damage of asphalt mix-tures with basalt fiber by environmental scanning electron microscopy JJ.Constr Build Mater,2022,344:128188.11PEI Zhaohui,LOU Keke,KONG Heyu,et al.Effects of fiber diameter on crack resistance of asphalt mixturesreinforced by basalt fibers based on digital image correlation technology JJ.Materials,2021,14(23):7426.12何东坡，左惠宇，玄武岩纤维长度对排水沥青路面性能影响研究J.公路，2 0 2 1，6 6(1)：13-18.13杨程程，刘朝晖，柳力，等玄武岩纤维增强沥青混合料弯拉性能多参数敏感性分析J公路交通科技，2020,37(11):1-7.14HEJAZI S M,ABTAHI S M,SHEIKHZADEH M,et al.Introducing two simple models for predicting fiber-reinforced asphalt concrete behavior during longitudinal loads JJ.J Appl Polym Sci,2010,109(5):2872-2881.扬州大学学报（自然科学版）第2 7 卷Effect of basalt fiber with different diameter onasphalt mixture performanceKANG Aihongl*,WANG Ka,KONG Heyu?,QI Yanjuan,WU Xing,KOU Changjiangl(1.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China;2.Jiangsu Lianxu Expressway Co.Ltd,Xuzhou 221000,China;3.Jiangsu Runyang Development Co.Ltd,Zhenjiang 212001,China)Abstract:In order to study the influence of basalt fiber diameter parameters on the performance ofAC-13C asphalt mixture,the high temperature performance,low temperature performance andcracking performance of asphalt mixture modified with three different diameter fibers of 7,13,25 m are tested and compared,and the influence of diameter on the reinforcement effect of fiber inthe mixture is analyzed by slip theory.The results show that basalt fiber with different diameterscan enhance the high temperature,low temperature and crack resistance of asphalt mixture to var-ying degrees.Under the same content of basalt fiber,the smaller the diameter of the fiber,themore obvious the enhancement effect on asphalt mixture.This is due to the fact that when the fiberdiameter is smaller,the slip ratio is smaller and the performance enhancement of the mixture is bet-ter.Keywords:basalt fiber;fiber diameter;road performance;fiber composite;slippage theory(责任编辑文采)