桥面铺装玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的路用性能研究.pdf

72牛宗胜 桥面铺装玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的路用性能研究桥面铺装玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的路用性能研究牛宗胜（北京市首发高速公路建设管理有限责任公司，北京 100071）摘要：通过将不同掺量的玄武岩纤维和橡胶颗粒进行单掺、复掺制备 AC-20 级配桥面铺装沥青混合料，采用高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验，对玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的路用性能展开综合考察，研究结果表明：玄武岩纤维能够明显改善沥青混合料的高温抗车辙变形性，而橡胶能够有效增强沥青混合料的低温抗裂性与水稳定性；将玄武岩纤维和橡胶进行复掺可综合提升沥青混合料的路用性能，推荐采用掺量为 4%的玄武岩纤维和 3%的橡胶颗粒复合改性，有利于提升桥面铺装沥青混合料的服役质量及使用性能。关键词：桥面铺装；沥青混合料；玄武岩纤维；橡胶；路用性能中图分类号：U 414Study on Road Performance of Basalt Fiber and Rubber Composite Modifi ed Asphalt Mixture for Bridge Deck PavementNIU Zong-sheng(Beijing First Expressway Construction Management Co.,LTD.,Beijing 100071,China)Abstract:The AC-20 graded asphalt mixture for bridge deck pavement is prepared by mixing basalt fiber and rubber particles with diff erent amounts,the road performance of basalt fi ber and rubber composite modifi ed asphalt mixture was comprehensively investigated by using high-temperature rutting test,low-temperature beam bending test,immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test,the results show that basalt fi ber can signifi cantly improve the high-temperature rutting resistance of asphalt mixture,while rubber can eff ectively enhance the low-temperature cracking resistance and water stability of asphalt mixture;The composite blending of basalt fi ber and rubber can comprehensively improve the pavement performance of asphalt mixture.It is recommended to use 4%basalt fi ber and 3%rubber particles to improve the service quality and service performance of asphalt mixture for bridge deck pavement.Key words:bridge deck pavement;asphalt mixture;basalt fi ber;rubber;road performance由于沥青混合料路面具有施养简捷、平整耐磨、行车舒适等优势，故在我国桥面铺装建设工程中得到广泛的应用1-3。在长期重载、湿度、温度等因素耦合作用下，桥面铺装层的沥青混合料容易产生车辙、开裂、拥包等病害，严重影响到沥青路面的使用质量及寿命4-5。为了改善桥面铺装沥青混合料的使用性能，国内路桥工作者对此进行了一些研究，如：李黎明等6探讨了集料强度对钢桥面铺装环氧沥青混合料疲劳性能的影响规律，认为辉绿岩集料能够有效改善环氧沥青混合料的疲劳性能；鲁华英等7以港珠澳大桥桥面铺装工程为例，采用室内试验对桥面铺装浇注式沥青混合料的性能进行了优化研究，并确定了其最佳配合比；顾晓燕等8采用低温弯曲试验与疲劳试验，系统评价了不同掺量聚酯纤维改性环氧沥青混凝土的低温抗裂性及抗疲劳性，结果表明 0.3%聚酯纤维能够有效提升桥面铺装沥青混合料的柔性与韧性；魏志峰9探讨了木质素纤维和聚酯纤维单掺、复掺对桥面铺装环氧沥青混合料路用性能的影响，认为掺量为 1.2%的木质素纤维与 1.8%的聚酯纤维复掺能够有效改善沥青混合料的路用性能。本文通过将不同掺量的玄武岩纤维和橡胶颗粒进行单掺、复掺制备 AC-20 级配桥面铺装沥青混合料，采用高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验，针对玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的路用性能展开系统研究，以期为同类沥青混合料的设计及工程应用提供指导与借鉴。1 试验部分1.1 原材料沥青选用 SBS 改性沥青，经检测其性能指标见表1；粗集料选用粒径为 4.7521 mm 的玄武岩碎石，细集料选用粒径小于 4.75mm 的玄武岩矿粉，粗、细集料的技术指标见表 2；填料选用石灰石矿粉，其表观密度为作者简介：牛宗胜，本科，高级工程师，主要从事道路桥梁工程方面研究工作。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期732.72gcm-3，含水量为 29%，亲水系数为 41，吸水率为13.7%，填料的各项技术指标均满足现行规范要求；纤维选用短切玄武岩纤维（BF），单丝直径为 12m，长度为 7mm，抗拉强度为 1820MPa，极限拉伸应变为 2.9%，弹性模量大于 8000MPa，含水量小于 0.1%；橡胶颗粒（RP）由废旧橡胶材料经破碎加工而成，其主要性能指标见表 3。表 1 SBS 改性沥青的基本技术指标Table 1 Basic technical indexes of SBS modified asphalt检测项目试验结果规范要求针入度(25)/0.1mm55.74060软化点/64.360延度(5)/cm3820135 粘度/(Pas)1.913.0RTFOT 残留物质量变化/%0.03-1.01.0针入度比(25)/%7865残留延度(10)/cm2715表 2 粗细集料的主要技术指标Table 2 Main technical indicators of the coarse and fine aggregates项目粗集料细集料9.521 mm4.759.5 mm2.364.75 mm02.36 mm密度/(gcm-3)2.832.762.752.72压碎值/%21.622.822.7磨耗值/%14.313.712.9吸水率/%0.282629砂当量/%81表 3 橡胶的主要技术指标Table 3 Main technical indicators of rubber项目检测结果粒径/mm2.384.75密度/(gcm-3)1.15硬度66水分含量/%0.281.2 试验方案试验采用 AC-20 级配类型进行玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的配合比设计，其目标级配曲线如图 1所示。玄武岩纤维和橡胶颗粒采用单掺、混掺的方式添加至沥青混合料内，玄武岩纤维的掺量分别为 0%、2%、4%、6%，橡胶颗粒掺量分别为 0%、2%、3%、4%，通过采用高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来综合评价玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性。?图 1 AC-20 沥青混合料级配曲线Fig.1 Gradation curve of AC-20 asphalt mixture2 结果与讨论2.1 高温稳定性采用标准试件（300mm300mm50mm）在 60 高温环境下进行室内车辙试验，得到不同玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的车辙试验结果，如图 2 和图 3 所示。?图 2 复合改性沥青混合料车辙变形率变化曲线Fig.2 Change curve of rut deformation rate of composite modifi ed asphalt mixture?图 3 复合改性沥青混合料动稳定度变化曲线Fig.3 Change curve of dynamic stability of composite modifi ed asphalt mixture根据图 2 和图 3 可知，在相同玄武岩纤维掺量下，复合改性沥青混合料的车辙变形率均随着橡胶掺量的增加呈逐渐增大变化，而动稳定度则均随之呈逐渐减小变化，但车辙变形率与动稳定度的整体变幅均表现较小，说明橡胶的掺入对沥青混合料高温抗车辙性能有一定的影响，原因是橡胶能够增强沥青混合料的黏度，使其弹性变形能力得到提高，因此在高温环境下沥青混合料的车辙深度有所增加；在相同橡胶掺量情形下，随着玄武岩纤维掺量的增加，复合改性沥青混合料的车辙变形率均表现为逐渐减小变化，而动稳定度则均表现为逐渐增大变化，说明玄武岩纤维的掺入能够有效增强沥青混合料抵抗车辙变形的能力，原因是玄武岩纤维加筋于沥青混合料中能够形成空间稳定结构，限制了高温荷载下集料间的滑移能力，同时玄武岩纤维的弹性模量较高，一定程度增强了沥青混合料的强度，故而有效地改善了沥青混合料的高温抗车辙变形能力。2.2 低温抗裂性按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E20-2011）采用标准小梁试件进行低温弯曲试验10，试验温度为-10，不同玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的低温小梁弯曲试验结果如图 4 所示。?图 4 复合改性沥青混合料破坏应变变化曲线Fig.4 Change curve of failure strain of composite modified asphalt mixture从图 4 可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，沥青混合料的破坏应变逐渐增大，其中在玄武岩纤维掺量为0%时，2%、3%、4%橡胶改性沥青混合料的破坏应变较于未掺橡胶沥青混合料分别增大了 17.3%、19.6%、24.4%，说明橡胶的掺入能够有效改善沥青混合料的低温抗裂性能，原因是橡胶属于一种黏弹性材料，能够增强沥青混合料的延展性与弹塑性变形能力，从而有利于缓解外力对结构产生的损伤破坏，因此沥青混合料的低温74牛宗胜 桥面铺装玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的路用性能研究抗开裂能力得到明显提升。随着玄武岩纤维掺量的增加，沥青混合料的破坏应变均呈先增大后减小变化，其中在橡胶掺量为 0%时，2%、4%、6%玄武岩纤维改性沥青混合料的破坏应变分别较于未掺纤维沥青混合料增加了7.9%、4.4%、0.2%，说明掺入适量的玄武岩纤维在一定程度上能够提升沥青混合料的低温抗裂性，原因是玄武岩纤维具有加筋、分散及阻裂等作用，其在沥青混合料中能够形成稳定的空间网状结构，有利于荷载应力的分散及传递，抑制了结构裂缝的产生和发展，因此沥青混合料的低温抗开裂能力有所增强；但纤维过量容易出现结团现象，降低了沥青混合料结构的稳定性，故其低温抗裂性能也有一定程度的下降。2.3 水稳定性采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验评价玄武岩纤维橡胶复合改性沥青混合料的抗水损害性能11-12，其相关试验结果如图 5 和图 6 所示。?图 5 复合改性沥青混合料残留稳定度变化曲线Fig.5 Change curve of residual stability of composite modifi ed asphalt mixture?图 6 复合改性沥青混合料冻融劈裂强度比变化曲线Fig.6 Change curve of freeze-thaw cracking strength ratio of composite modified asphalt mixture由图 5 和图 6 可知，随着橡胶掺量的增加，沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈逐渐增大变化，其中在相同玄武岩纤维掺量情形下，2%、3%、4%橡胶沥青混合料的浸水残留稳定度较未掺橡胶沥青混合料分别至少增加了 0.8%、1.3%、1.8%，而冻融劈裂强度比较之分别至少增加了 0.6%、1.1%、1.7%，说明橡胶的掺入能够改善沥青混合料的抗水损害性能，原因是橡胶具有良好的延展性和黏弹性，能够包裹于纤维与集料的表面，有利于提升沥青混合料的黏度及稳定性，因此水稳定性能有所增强；随着玄武岩纤维掺量的增加，沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈逐渐减小变化，其中在相同橡胶掺量情形下，2%、4%、6%玄武岩纤维改性沥青混合料的浸水残留稳定度较未掺纤维沥青混合料分别至少减小了 2.3%、3.9%、5.9%，而冻融劈裂强度比较之分别至少减小了 2.2%、4.0%、5.3%，说明玄武岩纤维的掺入一定程度上削弱了沥青混合料的抗水损害性能，原因是玄武岩纤维属于热敏性较高的材料，虽然能增强沥青混合料的强度与硬度，但在冷热、浸水环境下容易产生温差收缩变形，从而引起混合料产生松散开裂现象，进而降低了水稳定性能。3 结论（1）随着橡胶掺量的增加，复合改性沥青混合料的动稳定度逐渐减小，而车辙变形率、浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均逐渐增大；掺入橡胶能够有效改善沥青混合料的水稳定性，但对高温抗车辙变形性有所影响。（2）随着玄武岩纤维掺量的增加，复合改性沥青混合料的动稳定度逐渐增大，而车辙变形率、浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比则逐渐减小；玄武岩纤维的掺入可以显著增强沥青混合料的高温稳定性，但其对水稳定性有所削弱。（3）橡胶和适量的玄武岩纤维掺入均能增强复合改性沥青混合料的低温抗裂性能；橡胶对沥青混合料的低温抗裂性的影响较于玄武岩纤维更为敏感。（4）综合复合改性沥青混合料的各项路用性能试验结果可知，橡胶的掺入能够有效增强沥青混合料的黏弹性及延展性，而玄武岩纤维能够明显改善混合料的强度特性；通过将玄武岩纤维和橡胶进行复掺可综合提升沥青混合料的路用性能，推荐采用掺量为 4%的玄武岩纤维和 3%的橡胶颗粒复合改性，有利于提升桥面铺装沥青混合料的服役质量及使用性能。?1 宋书彬.硅藻土/玄武岩纤维复合改性沥青混合料性能试验研究 J.合成材料老化与应用,2021,50(01):59-61.2 马峰,杨宇峰,纪续,等.玄武岩纤维沥青混合料力学及疲劳特性 J.西安工业大学学报,2022,42(04):393-400.3 王民,李波,包广志,等.基于干法改性的浇注式沥青混合料性能试验研究 J.中外公路,2022,42(06):193-196.4 沈洋,曾嵘,王曦东,等.桥面铺装病害修补的沥青混合料性能试验研究 J.山东交通科技,2022(04):5-8.5 唐雷,陈李峰,高培伟,等.环境因素对桥面铺装防水黏结层黏结性能影响特征研究 J.交通科技,2022(05):100-103.6 李黎明,黄红明,曾国东,等.集料强度对环氧沥青混合料疲劳性能的影响 J.公路与汽运,2022(06):118-121.7 鲁华英,王民,徐伟.港珠澳大桥浇注式沥青混合料性能优化试验研究 J.科学技术与工程,2020,20(06):2434-2440.8 顾晓燕,高剑飞,李惠翔.聚酯纤维用于环氧树脂沥青混合料增柔及增韧技术研究 J.中外公路,2022,42(03):247-250.9 魏志峰.复掺纤维环氧沥青混凝土在桥面铺装中的应用研究 J.合成材料老化与应用,2019,48(06):58-62.10 李宁利,王猛,赵新坡.橡塑合金改性沥青混合料路用性能研究 J.重庆大学学报,2022,45(11):46-58.11 冯松锴.木质素纤维改善再生沥青混合料的路用性能研究 J.合成材料老化与应用,2022,51(06):62-64.12 张亚婕,白领群,吕海将,等.煤矸石粉沥青混凝土路用性能试验 J.长安大学学报(自然科学版),2022,42(05):33-42.