不同形态玄武岩纤维增强SMA沥青混合料性能研究.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 0 8 9-0 7市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.8Aug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.089不同形态玄武岩纤维增强SMA沥青混合料性能研究方雪飞,寇长江*,陈闯闯,柴京奥，高子宇,关宝君,冯祎飞(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州2 2 50 0 0)摘要：为了研究不同形态玄武岩纤维沥青混合料的路用性能，制备了絮状木质素纤维、絮状玄武岩纤维、短切玄武岩纤维和复掺絮状纤维4种纤维增强SMA沥青混合料；通过高温车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验对比分析了4种纤维SMA沥青混合料的路用性能；采用单轴压缩动态模量试验对比分析了不同试验温度和加载频率下4种纤维SMA沥青混合料的动态模量。试验结果表明：玄武岩纤维SMA沥青混合料路用性能优于木质素纤维SMA沥青混合料，絮状玄武岩纤维对SMA沥青混合料高温稳定性改善效果较好，但不及复掺纤维SMA沥青混合料的高温稳定性；短切玄武岩纤维SMA沥青混合料在低温方面表现较好，复掺纤维SMA沥青混合料的低温抗裂性能最好；SMA沥青混合料的水稳定性基本不受纤维种类和纤维形态的影响；不同纤维SMA沥青混合料动态模量主曲线的高频段、低频段结果分别与低温小梁弯曲试验结果、高温车辙试验结果一致，复掺纤维SMA沥青混合料具有较好的高、低温性能。关键词：絮状玄武岩纤维；短切玄武岩纤维；纤维SMA沥青混合料；路用性能；动态模量中图分类号：TU528.42Fang Xuefei,Kou Changjiang*,Chen Chuangchuang,Chai Jingao,Gao Ziyu,Guan Baojun,Feng YifeiAbstract:In order to study the road performance of different forms of basalt fiber asphalt mixtures,four types of fiberreinforced stone matrix asphalt(SMA)asphalt mixtures of flocculent lignin fiber,flocculent basalt fiber,short cutbasalt fiber,and composite addition of flocculent fiber were prepared,whose road performance were compared andanalyzed by high-temperature rutting test,low-temperature small beam bending test,and freeze-thaw splitting test;And their dynamic modulus under different test temperatures and loading frequencies were compared and analyzedby uniaxial compression dynamic modulus tests.The experimental results show that the road performance of basaltfiber SMA asphalt mixture is superior to that of lignin fiber SMA asphalt mixture.The flocculent basalt fiber has goodimprovement effects on the high-temperature stability of SMA asphalt mixture,but it is not as good as the high-temperature stability of composite fiber SMA asphalt mixture;Short cut basalt fiber SMA asphalt mixture performswell at low temperature,while composite fiber SMA asphalt mixture has the best low-temperature crack resistanceperformance;The water stability of SMA asphalt mixture is basically not affected by the type and morphology offibers;The high-frequency and low-frequency results of the dynamic modulus main curve of different fiber SMA as-收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 5基金项目：国家自然科学基金（52 17 8 439）；江苏省高等学校大学生创新训练计划项目（2 0 2 2 11117 148 Y）；江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师”；江苏省科协青年科技人才托举工程作者简介：方雪飞，女，在读本科生，专业方向为土木工程。通讯作者：寇长江，男，副教授，博士，主要研究方向为公路与水路运输和材料科学。引文格式：方雪飞，寇长江，陈闯闯，等.不同形态玄武岩纤维增强SMA沥青混合料性能研究I.市政技术，2 0 2 3，41（8）：8 9-95.（FANGXF，KOU C J,CHEN C C,et al.Study on different forms of basalt fiber reinforcing SMA asphalt mixture performance J.Journal of municipaltechnology,2023,41(8):89-95.)文献标志码：AStudy on Different Forms of Basalt Fiber Reinforcing SMAAsphaltMixturePerformance(School of Architecture Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225000,China)90phalt mixtures are consistent with the results of low-temperature small beam bending test and high-temperature rut-ting test respectively.The composite fiber SMA asphalt mixture has good high and low temperature performance.Key words:flocculent basalt fibers;short cut basalt fibers;fiber SMA asphalt mixture;road performance;dynamicmodulusJournal of Municipal Technology第41卷随着交通量不断增长和重载超载现象日益严峻，沥青路面在设计使用年限内就会出现车辙、裂缝和水损害等路面病害，严重影响了行车舒适性和行车安全，并且需要大量的资金和人力进行路面维修养护。国内外学者研究发现，防止沥青路面出现早期病害的主要措施是对沥青进行改性，通过提高沥青自身的性能来改善沥青混合料的路用性能，从而减少沥青路面病害的产生。例如，经过橡胶改性的沥青具有优良的弹性恢复性能和低温延度，从而提高了沥青混合料的高、低温性能和抗裂性能等1。目前我国道路工程普遍采用木质素纤维、聚合物纤维和矿物纤维对沥青混合料进行改性或增强2-4,这些纤维在沥青混合料中主要起到加筋、稳定、阻裂、吸附等作用5-6,但都存在着不同的缺点。有学者研究发现，将不同种类的纤维复掺到沥青混合料中，可以改善其路用性能7-9。玄武岩纤维作为一种绿色环保材料，与集料材质相同，有利于再生利用,并且对沥青混合料性能的改善效果较好,尤其是能够显著提升沥青混合料的疲劳性能。但目前学者关注玄武岩纤维对沥青混合料性能的影响规律以短切玄武岩纤维为主10-12,对絮状玄武岩纤维沥青混合料的研究较少，而絮状玄武岩纤维在价格上较短切玄武岩纤维更为经济。因此，笔者基于以往学者的研究成果，针对当前玄武岩纤维沥青混合料的研究现状，探讨了不同形态的玄武岩纤维对SMA沥青混合料路用性能的影响。该研究成果对于更加科学、经济地选用合适的纤维增强材料具有积极的指导意义。1原材料及其配合比设计1.1原材料1.1.1集料与填料试验所用粗集料为玄武岩集料,分为1号料(10 15mm）、2 号料(5 10 mm)和3号料(3 5mm)3档;细集料为石灰岩集料，为4号料(0 3mm）；矿粉为石灰岩矿粉。1.1.2沥青试验选用PG76-22的SBS改性沥青，严格按照JTGE20一2 0 11公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的试验方法对所用沥青进行相关性能检测，各项性能指标均满足规范要求，见表1。表1沥青性能试验结果Tab.1Asphalt performance test results试验项目针入度(2 5)/0.1 mm软化点/延度(5 cm/min,5)/c m弹性恢复（2 5）/%质量变化/%RTFOT后针人度比/%残留物5残留延度/cm1.1.3纤维外加剂纤维作为一种外加剂,虽然掺量较低，但其可以有效改善沥青混合料的路用性能；此外，纤维的自身性能也会对沥青混合料路用性能产生较大影响。因此,笔者对比研究了絮状木质素纤维(FlocculentLigninFiber,FLF)絮状玄武岩纤维(Flocculent Basalt Fiber,FBF）、短切玄武岩纤维(Short Cut Basalt Fiber,CBF)3种纤维的性能,其外观形貌见图1。通过试验研究发现，絮状木质素纤维的吸湿率最大，达到了30.3%，而短切玄武岩纤维仅为2.7%。这说明絮状木质素纤维在潮湿环境下易吸收水分，出现结团现象，从而对纤维SMA沥青混合料的水稳定性产生一定的影响。絮状木质素纤维的热稳定性较差，短切玄武岩纤维的热稳定性最好。1.2配合比设计1.2.1单掺纤维SMA-13沥青混合料SMA-13为间断级配,按照相关规范给出的矿料集料范围对SMA-13沥青混合料进行配合比设计，通过级配曲线拟合出3种级配分别为级配A、级配B和级配C。根据工程经验做出如下控制：1号料和2 号料用量之和大于7 0%，矿粉用量控制在10%左右。SMA-13沥青混合料设计级配曲线见图2。根据前期研究成果并结合工程实践，絮状玄武岩纤维在SMA-13沥青混合料中的掺量建议值为试验值技术要求试验方法564070T 0604201181804830T 060520119665-0.11.08660T 060420113720T 06052011T 06062011T 06622011T 06102011第8 期a)絮状木质素纤维c)短切玄武岩纤维图1试验所用纤维示意图Fig.1 Schematic diagram of fibers in the testTab.2 Volume parameters of preliminary proposed gradation油石比/毛体积级配类型%级配A5.8级配B5.8级配C5.8技术要求件，并进行马歇尔稳定度试验。试验结果表明，当絮状玄武岩纤维SMA-13沥青混合料的空隙率满足3%4%时，其油石比为5.8%，此时絮状玄武岩纤维SMA-13沥青混合料的矿料间隙率和饱和度均满足规范要求；肯塔堡飞散试验结果和谢伦堡沥青析漏试验结果也均满足规范要求。因此，掺加0.4%絮状玄武纤维类型最佳油石比/%絮状木质素纤维5.8絮状玄武岩纤维5.8短切玄武岩纤维5.71.2.2复掺纤维SMA-13沥青混合料复掺纤维SMA-13沥青混合料配合比设计与单方雪飞等：不同形态玄武岩纤维增强SMA沥青混合料性能研究0.075 0.15 0.3 0.61.182.36b）絮状玄武岩纤维筛孔尺寸/mm图2 SMA-13沥青混合料设计级配曲线Fig.2 Design grading curves of SMA-130.4%，初始油石比拟定为5.8%，对初拟的3种级配通过马歇尔试验击实法双面击实7 5次成型试件，并测量其体积参数，结果见表2。根据JTGF40一2 0 0 4公路沥青路面施工技术规范中的规定，级配B的体积参数满足要求，因此选择级配B作为推荐级配。按照级配B称取各档集料的质量，选取4.8%、5.3%、5.8%、6.3%和6.8%5个油石比制备马歇尔试表2 初拟级配的体积参数最大理论空隙率/相对密度相对密度2.4862.5572.4702.5612.4602.565表3单掺纤维SMA-13沥青混合料马歇尔试验结果Tab.3 Marshall test results of single fiber SMA-13 asphalt mixture毛体积相对密度2.4722.4962.49291100一级配上限90级配下限80一级配中值70合成级配%/率6050403020100%2.83.54.134岩纤维的SMA-13沥青混合料的最佳油石比为5.8%。结合工程实际情况和前期研究成果，确定絮状木质素纤维、絮状玄武岩纤维和短切玄武岩纤维在SMA-13沥青混合料中的掺量分别为0.3%、0.4%和0.4%。单掺纤维SMA-13沥青混合料马歇尔试验结果见表3。空隙率/%矿料间隙率/%3.817.13.316.33.616.3掺纤维SMA-13沥青混合料类似，根据对扬州地区施工单位应用SMA-13沥青混合料情况的走访调4.75矿料间隙率/粗集料骨架间隙率/%16.638.4817.339.7617.241.1317.0饱和度/%78.079.677.99.5饱和度/%83.279.577.07585简称FLFSMA-13FBFSMA-13CBFSMA-1313.292研，采用如下复掺方案：纤维总掺量为SMA-13沥青混合料质量的0.4%，选择絮状玄武岩纤维和絮状木纤维类型最佳油石比/%絮状玄武岩纤维和5.9絮状木质素纤维2纤维SMA-13沥青混合料路用性能试验研究对FLFSMA-13、FBFSM A-13、C BFSM A-13以及FBF+FLFSMA-13进行路用性能试验，以评价纤维SMA-13沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能以及水稳定性能。2.1高温车辙试验高温车辙试验用于测定沥青混合料的高温抗车辙能力，采用轮碾成型机制备30 0 mmx300mmx50mm的板块状试件，车辙试验机的参数设置为：温度6 0,轮压0.7 MPa,轮碾速度42 次/min。每组3个平行试件，且变异系数不大于2 0%。纤维SMA-13沥青混合料高温车辙试验结果见表5。表5纤维SMA-13沥青混合料高温车辙试验结果Tab.5 High temperature rutting test results of fiber SMA-13asphaltmixture纤维掺量/混合料类型%FLF SMA-130.3FBFSMA-130.4CBFSMA-130.4FBF+FLFSMA-130.3+0.1由表5可知,FBFSMA-13和CBF SMA-13的动稳定度高于FLFSMA-13提升幅度为12.30%24.98%，主要是因为玄武岩纤维具有较好的力学性能，在SMA-13沥青混合料中起加筋作用。由于絮状玄武岩纤维的吸油率与短切玄武岩纤维相比有所增加,因此其能够更有效地吸附沥青,可以在SMA-13沥青混合料中形成相对稳定的结构沥青膜，从而减小沥青在混合料中的流动性，提高沥青混合料的高温稳定性。因此,FBFSMA-13的动稳定度与CBFSMA-13相比提高了11.2 8%，这说明玄武岩纤维形态对沥青混合料高温稳定性有一定的影响。Journal of Municipal Technology表4复掺纤维SMA-13沥青混合料马歇尔试验结果Tab.4 Marshall test results of composite fiber SMA-13 asphalt mixture毛体积相对密度2.493动稳定度/技术要求(次/mm)5.437679561067995第41卷质素纤维复掺,其复掺比均为3:1。复掺纤维SMA-13沥青混合料马歇尔试验结果见表4。空隙率/%矿料间隙率/%3.116.52.2低温小梁弯曲试验低温小梁弯曲试验是我国常用的一种评价沥青混合料低温性能的试验方法，其评价指标为抗弯拉强度、最大弯拉应变以及弯曲劲度模量，计算方法见式(1)(3):RB=3LPB26h26hd8B=Z;RBSB=8B式中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度,MPa;8B为试件破坏时的最大弯拉应变，10 ;SB为试件破坏时的弯曲劲度模量,MPa;b为跨中断面试件的宽度，mm;h为跨中断面试件的高度,mm;L为试件的跨径,mm;P为试件破坏时的最大荷载,N;d为试件破坏时的跨中挠度,mm。将30 0 mmx300mmx50mm的车辙板切割成250mmx30mmx35mm的长方体小梁。试验前将长方体小梁、试验所需模具和压头置于-10 环境中保温4h；试验时将长方体小梁放在支座上，压头对准跨3 000中位置，设置UTM机的加载速率为50 mm/min，启动UTM机开始试验,直至长方体小梁断裂破坏。纤维SMA-13沥青混合料低温抗裂性能试验结果见图3。由图3可知，与FLFSMA-13相比,FBFSMA-13和CBFSMA-13的抗弯拉强度和最大弯拉应变有显著提高，提升幅度分别为7.48%8.8 0%和17.9 2%33.12%，而弯曲劲度模量明显降低，这说明玄武岩纤维SMA-13沥青混合料具有较好的低温抗裂性。其原因是玄武岩纤维具有较好的抗拉伸能力和分散性，“加筋”效果显著，同时纤维构成的网状结构“纤维-沥青相”可以更好地分散应力，提升了抗外部荷载的能力。在低温条件下，沥青混合料的抗变形能力通常采用弯拉应变大小来表征，弯拉应变越大，说明该沥青混合料的低温性能越好。饱和度/%81.0简称FBF+FLFSMA-13(1)(2)(3)第8 期方雪飞等：不同形态玄武岩纤维增强SMA沥青混合料性能研究9314121086420FLFSMA-134.00035003000(9-01)/牵至件泉?售2.5002 0001500F10005000FLFSMA-1350004.475400030002.00010000FLF SMA-13图3纤维SMA-13沥青混合料低温抗裂性能试验结果Fig.3 Low-temperature cracking resistance test results of fiberSMA-13 asphalt mixture2.3冻融劈裂试验13.0713.2312.16a)抗弯拉强度361732042.717FBF SMA-13b)最大弯拉应变40783658FBF SMA-13c)弯曲劲度模量12.712.9584295水损害是沥青路面的主要病害之一。在多雨或昼夜温差较大的地区，沥青路面长期处于高湿度和冻融环境中,加之车辆荷载的碾压作用,沥青混合料空隙中的水会不断产生动水压力，使水分子渗人到沥青与集料的界面处，从而降低了沥青与集料的黏附力，导致细小集料的脱落，最终在沥青路面上形成坑槽等损坏,继而影响沥青路面的平整性、舒适性和安全性。笔者采用冻融劈裂试验研究不同纤维对SMA-13沥青混合料水稳定性能的影响。参照JTGE20一2 0 11公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行测试，依据冻融劈裂强度比来评价纤维SMA-13沥青混合料的水稳定性能，试验结果见表6。表6 纤维SMA-13沥青混合料水稳定性能试验结果Tab.6 Water stability performance test results of fiberSMA-13 asphalt mixture未冻融试件的冻融后试件的冻融劈裂混合料类型劈裂强度/MPa劈裂强度/MPa强度比/%FLFSMA-131.06FBFSMA-131.09CBFSMA-131.15FBF+FLFSMA-131.22由表6 可知,纤维可以有效改善SMA-13沥青混合料的抗水损害能力,其冻融劈裂强度比较规范中的要求至少提高了5.8 5%，但不同纤维对SMA-13沥青混合料的水稳定性能改善效果差别不大。3纤维SMA-13沥青混合料动态模量试验研究3.1动态模量试验方案笔者采用单轴压缩动态模量试验来测定不同纤维SMA-13沥青混合料的动态模量。以旋转压实成型的方式制作直径为150 mm、高为17 0 mm的圆柱体试件，然后使用钻芯取样机和磨切机，得到直径为10 0 mm、高为150 mm的试件。试验设备采用UTM-25试验机,以控制应变的方式分别在不同温度(-10、5、2 0、35、50)和荷载频率(0.1、0.5、1、5、10、25Hz）下进行测试。试验顺序为先低温后高温，在同一温度下时先高频后低频。3.2动态模量主曲线的建立3.2.1西格摩德(Sigmoidal)模型国内外大量研究表明，采用Sigmoidal模型拟合0.910.951.011.0885.8587.1687.8388.5294动态模量主曲线可以很好地描述主曲线的特征，函数见式(4):log(/E*/)=S+式中：|E*|为沥青混合料的动态模量,MPa;t为在基准温度下的加载时间，S；8 为动态模量极小值的对数；为动态模量极大值的对数;、为描述Sigmoidal模型形状的参数。在拟合主曲线时，参数、受沥青混合料的空隙率、级配和饱和度的影响,同时形状参数、的大小受参数、的影响。用二次多项式拟合得到的移位因子具有很高的精度，可以很好地表达移位因子与温度的关系。3.2.2动态模量主曲线图基于时-温等效原理和Sigmoidal模型建立全频域下的动态模量主曲线，选取T,=20作为纤维SMA-13沥青混合料的参考温度，运用MicrosoftExcel来拟合主曲线中的参数，拟合计算结束精度要求为：S,/S。0.0 5;R 2 0.99。动态模量的模型拟合参数见表7,不同纤维SMA-13沥青混合料主曲线图见图4。表7 动态模量的模型拟合参数Tab.7 Model fitting parameters for dynamic modulusFBF+FLF拟合参数FFLF SMA-13 FBFSMA-13 CBFSMA-133.84-1.080.48-0.45Ci-10.1C290.2FLFSMA-13CBFSMA-131054.0103.5101043.0102.5x102.0 x101.5x1010310210110-710-6 10-5 10-410-310-210-1100101102103104105106107图4不同纤维SMA-13沥青混合料主曲线图Fig.4 Main curves of fiber SMA-13 asphalt mixturesJournal of Municipal Technology-8(4)e+ylogtSMA-133.793.84-1.12-1.060.490.48-0.45-0.45-10.3-10.389.190.0FBFSMA-13FBF+FLF SMA-132.2104210-410-610-6810缩减频率/H2第41卷由图4可知，不同纤维SMA-13沥青混合料动态模量主曲线具有一致性，纤维SMA-13沥青混合料的动态模量随着频率的增大而增大，其中在高频和低频两端增大趋势较平缓，中间则呈加速增加的趋势，总体呈“S形。在低频区域,FBF+FLFSMA-13的动态模量略优于其他3种纤维SMA-13沥青混合料；在高频区域,FBF+FLFSMA-13的动态模量低于CBFSMA-13。玄武岩纤维具有较好的抗拉伸能力和分散性，对沥青混合料的“加筋”效果显著，但其吸油率较低，难以吸附和稳定沥青，无法保持沥青玛蹄脂的富油特性；而絮状木质素纤维具有较高的吸油率,对沥青的吸附和稳定能力较好，复掺FBF+FLF的沥青混合料可以很好地结合2 种纤维的优点，对沥青混合料加筋增韧的同时，尽可能保持了SMA-13沥青混合料的富油特性，使其具有较高的动态模量。综上,FBF+FLFSMA-13具有最优的路用性能。4结论1)不同种类纤维对SMA-13沥青混合料高温稳定性均有一定的改善作用,絮状玄武岩纤维对 SMA-13沥青混合料高温稳定性改善效果较好，但不及FBF+FLFSMA-13的高温稳定性。2)4种纤维SMA-13沥青混合料中，FBF+FLFSMA-13的低温抗裂性能最好,FBFSMA-13和CBF3.86SMA-13的抗弯拉强度比FLFSMA-13的抗弯拉强度-1.09提升了7.48%8.8 0%，而同一种类、不同形态纤维沥0.47青混合料的抗弯拉强度仅相差1.2 2%-0.42-10.389.32.01041.8x101.6x10*1.410%1.210#缩减频率/Hz3)纤维可以有效改善SMA-13沥青混合料的抗水损害能力，其冻融劈裂强度比较规范中的要求至少提高了5.8 5%，但不同纤维对SMA-13沥青混合料的水稳定性改善效果差别不大。4)不同纤维沥青混合料动态模量主曲线的高频段、低频段结果分别与低温小梁试验结果、高温车辙试验结果一致,FBF+FLFSMA-13具有较好的高、低温性能。MET参考文献【1栾海，张洋，刘铁山，等.橡胶改性沥青混合料路用性能试验10研究J.公路,2 0 12(6):2 2 4-2 2 7.(LUANH,ZHANG Y,LIU T编减率/S,et al.Experimental study on road performance of rubber mod-ified asphalt mixtureJJ.Highway,2012(6):224-227.)【2 付建红.木质素纤维对温拌高模量沥青及其混合料抗裂性能的影响机理J.公路工程，2 0 15,40(5)：45-49,90.（FUJH.Thecrack resistance influence mechanism of lignin fiber on warm-第8 期high modulus asphalt and its mixtureJJ.Highway engineering,2015,40(5):45-49,90.)3有崔世富.掺木质纤维的多孔沥青混合料性能研究J.中外公路,2 0 19,39(2):2 2 3-2 2 6.(CUI S F.Study on the performanceof porous asphalt mixture mixed with wood fibers J.Journal ofChina&foreign 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