玄武岩纤维沥青混凝土的路用性能研究

业

文 英 文 翻 译

（原文及翻译）

学院：土木与交通学院 专业：土木工程 学号；200903212 姓名：刘璐璐

毕 论

玄武岩纤维沥青混凝土的路用性能研究

陈渊召，李振霞

（华北水利水电学院土木与交通学院，中国 郑州，450011

邮箱：cyz740513@ncwu.edu.cn zhenxiali2009@ncwu.edu.cn）

关键词：道路工程，路用性能，研究，沥青混凝土，稳定性，抗裂性。

摘要：为了探究玄武岩纤维在增强沥青混合材料路用性能方面的作用，通过高温 稳定性、水稳性和低温抗裂性实验对玄武岩纤维沥青混合料和聚酯纤维、木质纤 维以及控制混合物的路用性能进行对比研究。 结果表明，相对于沥青混合料，纤维沥青混合料的路用性能有很所提高和优化，并且在最佳纤维掺量不变的情况下，玄武岩纤维沥青混合料的路用性能要优于聚酯纤维和木质纤维。

引言

由于沥青路面平稳、舒适、噪音低等优点，它被广泛的应用于高速公路的建设当中。然而，随着轴载和车流量的不断增加，沥青路面的早期损坏越来越严重，因此，应该通过一些方法调整沥青混凝土来提高路用性能。在这些沥青混凝土的改性剂中，纤维因其良好的改善作用及其结构简单、成本低的优点已经获得越来越多的关注。各种类型的纤维改性剂（如甲基纤维素和聚酯）的制作和改善效果的机制已经得到深入的研究，并且一些研究已获得了一些成果。在甲基纤维和聚酯纤维之后，作为一种新型的沥青混凝土添加剂和稳定剂，玄武岩纤维因其显著的技术特性得到了广泛的关注。玄武岩纤维不仅弥补了有机纤维强度低、弹性模量小和不耐高温的缺陷，而且也克服了矿物纤维污染环境的缺点，如石棉纤维。在20世纪90年代，在美国的佐治亚州修建了第一个用玄武纤维改性剂的路面，并表现出了优异的路面性能。到目前为止，在中国玄武岩纤维沥青结合料的路用

性能研究是有限的。相对于聚酯的纤维，木质纤维和控制混合物，通过高温稳定性、水稳性和低温抗裂性实验对玄武岩纤维增强沥青混凝土路用性能的研究是可行的。

材料和矿物混合料的级配

矿物混合物的选择和分类，灰岩和石灰石掺合料取自辽阳的永利采石场。

表1为混合分类测试。

表1 矿物混合料等级

AC-16级配类型 19 通过下列筛子矿物混合料质量百分比（mm） 16 12.5 最高标准界限 100 最低标准界限 100 选择等级 100 98 85 66 50 42 31 22 15.2 8.5 6.5 100 95 75 58 42 32 22 16 11 7 4 90 80 9.5 4.75 62 2.36 48 1.18 36 26 18 0.6 0.3 0.15 14 0.075 8 纤维的主要指标。表2为实验纤维的主要技术指标。

表2 实验纤维的主要技术指标

测试项目 颜色 纤维的直径(μm) 长度（mm） 玄武岩纤维 银灰色 15 12 聚酯纤维 白色 15 12 木质纤维 45 1.2 比重 (g/cm3) 熔点（℃） 含水量（%） 抗拉强度（Mpa） 弹性模量（Gpa） 伸长率（%） 2.56-3.05 1050 <0.1 3000-4840 >40 3.2

1.38 >256 2.0 500 16-19 15-30 0.91 170 12-15 <300 3.5 15-25 高温车辙试验。根据文献，对AC-16沥青混凝土、玄武岩纤维、聚酯纤维、

和木质纤维沥青混凝土（纤维含量分别为0.15%、0.3%和0.45%）在最佳沥青骨料比例的情况下进行60℃动态稳定性测试。下图1为实验结果。

图1结果表明，与控制沥青混凝土相比，纤维沥青混凝土的动态稳定性有显著的提高。当纤维量为0.3%是，玄武岩纤维、聚酯纤维和木质纤维沥青混凝土的动态稳定性分别提高了66%、42%和24%。因此，纤维量的增加能够明显提高沥青混凝土的耐高温性。分析其原因，一方面是由于大量纵横交错的纤维变形和沥青砂浆粘结力共同产生的桥联合效应，这种效应能够防止骨料的脱落，还能够承受温度应力以提高沥青的粘结力，进而提高了沥青混凝土的高温稳定性；另一方面，纤维的直径一般不到20μm，每克纤维的表面积高达几平方米，并且它巨大的表面积和沥青渗透所形成的界面在沥青混凝土作为一种复合材料的不同阶段缓冲压力，改性沥青通过纤维和在界面形成的化学键来增加沥青的粘度，降低了沥青的温度敏感度，从而提高了沥青混凝土的高温稳定性。有图1可知，纤维含量在某一特定值时，纤维对沥青混凝土的高温性能达到最佳，这就是所谓的最佳用量，玄武岩纤维、聚酯纤维最佳用量为0.30%左右,木质纤维大约0.25%。当纤维的用量超过最佳用量时，纤维混合料的动态稳定性就开始下降或者来回波动，其原因是纤维的增加导致了它分配的下降，并且那些千篇一律的纤维束和那些成为“缺陷点”的沥青混凝土，其改性、粘度和纤维的强度不能得到充分的利用，甚至降低了沥青混凝土的高温稳定性。

水阻力试验

表3为实验结论

表3 纤维沥青混凝土水稳定性实验结果

类型 浸水马歇尔试验 冻融劈裂试验

稳定/KN 沉浸稳定/KN 残余稳定/% 无冻融劈裂抗拉强度/Mpa 冻融劈裂抗拉强度/Mpa 0.670 无冻融劈裂强度比/% 81.2 控制混合物 玄武岩纤维 8.52 7.27 85.4 0.825 12.45 11.72 94.2 1.125 1.040 92.5 聚酯纤维 11.06 木质纤维 9.83 10.15 8.87 91.8 90.2 0.952 0.905 0.862 0.767 90.5 84.8 有表3知，剩余的三个沥青混凝土的稳定性都满足要求标准并且在一定程度上有所增加，与聚酯纤维和木质纤维相比，玄武岩纤维中的玄武岩对提高马歇尔稳定度和沥青混凝土的沉浸稳定度有很重要的。当纤维量最佳时，玄武岩纤维、聚酯纤维和木质纤维沥青混凝土的沉浸马歇尔稳定度分别提高10.3%、7.5%和5.7%。分析其原因主要是因为纤维的增加增加了混合料中沥青的含量，这又增加了矿物骨料的有效膜厚度，从而有效的减少了在沥青界面与矿物骨料间水的可能性，更进一步沥青混合料中其他的稳定性；另外，纤维的增加能够填充沥青混合料中的空隙，并且能够增加沥青的粘度。从冻融劈裂试验结果可以看出控制混合物的冻融劈裂试验抗拉强度和无冻融劈裂试验的抗拉强度相比纤维沥青混凝土的抗拉强度在一定程度上有提高，玄武岩纤维、聚酯纤维和木质纤维无冻融劈裂试验的抗拉强度分别体老了36.4%、15.4%和6.2%，冻融劈裂强度试验增加了55.2%、28.7%和14.5%。原因主要是由于与纤维混合料相比控制混合物在冻融过程中有更多的孔隙度；谁在墙上产生水压力并且在沥青和骨料之间促进了裂

缝的增长。

低温抗裂实验

低温抗裂实验是沥青路面受损的重要原因之一，这严重影响了路面的寿命。根据文献,弯曲试验的小梁在低温度-10摄氏度是用来评估对玄武岩纤维低温抗裂的影响。用来试验的MTS材料试验机是从美国进口的，加荷的方法是集中加载，实验数据有电脑自动采集。表4为实验结果。

表4 纤维沥青混凝土低温抗裂性实验结果

类型 极限弯拉强度/Mpa 控制混合物 玄武岩纤维 聚酯纤维 木质纤维 9.134 10.747 10.523 10.236

实验结果表明，与控制混合料相比纤维混合料的极限弯拉强度、破坏应变和弯曲刚度模量有显著的提高。原因是一方面纤维的增加使最佳沥青含量增加，这导致了沥青混凝土的应力松弛性能和弯曲强度的提高，另一方面，纤维对沥青混凝土的影响确保了沥青混凝土极限弯拉强度的提高，因此，沥青混凝土的低温抗裂性可以通过纤维来提高。与聚酯纤维和木质纤维相比，玄武岩纤维的低温抗裂性性能更加明显。弯曲抗拉强度、破坏应变和弯曲刚度模量分别提高了17.7%、44.7%和32.8%。

7.45 10.78 10.15 9.85 破坏应变/(10-3) 弯曲刚度模量/Mpa 8980 11925.1 10132.5 9835.2 结论

通过各种纤维含量的实验，玄武岩纤维最佳含量是0.3%，与之相对应的最

佳沥青比率为5.35%。实验结果表明沥青混合料的车辙稳定性因为纤维的增加而得到了明显的提高。与聚酯纤维和木质纤维相比，玄武岩纤维对沥青混合料的高温稳定性的提高是很有效的。玄武岩沥青混凝土的车辙稳定性增加了66%和47%。

在最佳的纤维含量情况下，沥青混合料的水稳定性因为纤维的增加而得到显著的提高，并且沉浸残余的稳定性和冻融劈裂强度都得到了显著的改善。与聚酯纤维和木质纤维相比，在相同的实验条件下，玄武岩纤维能够有效地提高沥青混凝土的水稳定性。它的沉浸马歇尔稳定性、剩余稳定性、冻融劈裂强度和无冻融劈裂强度率分别增加了61.2%、10.3%、55.2%、和13.9%。

结果表明沥青混凝土的低温抗裂性的提高因为纤维增加而得到了明显的提高，并且与聚酯纤维和木质纤维相比，玄武岩纤维的提高效果更好一些。它的弯拉极限强度、破坏极限和弯曲刚度模量分别提高了17.7%、44.7%和32.8%。 实验结果证明玄武岩纤维显著提高了沥青混凝土路面性能，并且在这三种类型的纤维中，玄武岩纤维对路面性能的影响是最综合的，因此，玄武岩纤维是值得推广和应用的。

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