摘要: 久马高速作为高寒地区高速公路，因地区及环境因素影响，平均海拔3000米以上，全年最低温度为零下29.3℃，因此，沥青路面中的低温抗裂性能指标较为关键。国内已有研究发现纤维的添加对沥青混合料的低温抗裂性能有显著提升，基于此研究发现，本文通过在原材料和配合比设计基础上，通过在SMA-13沥青混合料中添加掺量为3%、5%、7%的玄武岩纤维，进行马歇尔试验、低温弯曲试验、车辙试验及浸水马歇尔和冻融劈裂试验，试验结果显示，SMA-13沥青混合料随着玄武岩纤维的掺入，其路用性能得到有效提升。玄武岩纤维掺最为5%时，低温抗裂性能提升至最佳。同时对高寒地区沥青砼各阶段施工温度提出建议。
Abstract: As a highway in high-altitude and cold regions, the Jiuma Expressway has an average altitude of over 3000 meters due to regional and environmental factors, and the lowest temperature throughout the year is minus 29.3˚C. Therefore, the low-temperature crack resistance performance index in asphalt pavement is crucial. There are studies in China that have found that the addition of fibers significantly improves the low-temperature crack resistance of asphalt mixtures. Based on this research, this article found that by adding 3%, 5%, and 7% basalt fibers to SMA-13 asphalt mixtures on the basis of raw materials and mix design, Marshall tests, low-temperature bending tests, rutting tests, immersion Marshall and freeze-thaw splitting tests were conducted. The test results showed that with the addition of basalt fibers, the road performance of SMA-13 asphalt mixtures was effectively improved. When the content of basalt fiber is at most 5%, the low-temperature crack resistance performance is improved to the best. At the same time, suggestions are made for the construction temperature of asphalt concrete in various stages in high-altitude and cold regions.
1. 引言
随着我国西部地区的发展，道路运输发展及建设为当下重点。本次研究以G6015久马高速工程为背景。该高速公路位于青藏高原的东南缘，平均海拔3000米以上，气温最低达零下29.3℃，全年冰冻期长。受地区及环境影响，相比我国其它高速公路，对其低温性能的要求更高。国内已有相关研究表明纤维的运用可以提高沥青路面的低温抗裂性能，而研究多用于沥青路面的中下面层，以路面中的半刚性基层结构为主[1] [2]。运用在沥青砼的研究较少，现有纤维掺入沥青砼的研究也多为稳定度、水稳定性、高温稳定性等相关试验为主[3]，低温抗裂性能的研究仅限于满足相关路由性能即可，少有针对于高寒地区沥青砼的低温抗裂性能的研究。本次研究将基于纤维作为外掺材料加入沥青路面面层，通过配合比设计方法，对沥青砼面层进行路用性能试验。该研究对于提升高寒地区沥青路面低温抗裂性能具有较大的意义。
2. 原材料
2.1. 改性沥青
沥青路面面层使用SBS改性沥青，对其进行针入度、延度、软化点(环球法)等试验。检测结果见表1。其各项指标均满足相关规范[4]。
Table 1. Testing results of SBS modified asphalt
表1. SBS改性沥青检测结果
| 检测项目 |
检测结果 |
规范标准 |
试验方法 |
| 针入度(25˚C, 100 g, 5 S) (0.1 mm) |
65.1 |
≥50 |
T0604-2011 |
| 软化点TRB/˚C |
72 |
≥70 |
T0606-2011 |
| 延度5˚C，5 cm (min/cm) |
48.5 |
≥45 |
T0605-2011 |
| 旋转粘度135˚C/Pa·s |
1.54 |
≤3 |
T0625-2011 |
| 弹性恢复25˚C/% |
92.0 |
≥85 |
T0662-2000 |
2.2. 集料
粗集料选用新鲜、坚硬、耐磨、洁净且没有风化的花岗岩，石料干净无杂质。检测结果见表2；细集料选用颗粒饱满、灰尘含量低、干燥、无杂质的玄武岩。检测结果见表3。各项指标；填料选用洁净、干燥的石灰石矿粉。检测结果见表4。其各项指标均满足相关规范[5]。
Table 2. Coarse aggregate testing results
表2. 粗集料检测结果
| 检测项目 |
检测结果 |
规范标准 |
| 含泥量/% |
1.56 |
≤3 |
| 压碎值/% |
11.7 |
≤22 |
| 吸水率/% |
1.15 |
≤2 |
| 软石含量/% |
0.42 |
≤1 |
| 针片状含量/% |
4 |
≤15 |
| 洛杉矶磨耗值/% |
16.1 |
≤28 |
| 坚固性(质量损失)/% |
7.2 |
≤8 |
Table 3. Fine aggregate testing results
表3. 细集料检测结果
| 检测项目 |
检测结果 |
规范标准 |
| 砂当量/% |
71 |
≥60 |
| 坚固性(>0.3 mm)/% |
7.3 |
≥8 |
| 吸水率/% |
1.5 |
≤3 |
| 含泥量/% |
1.49 |
≤3 |
Table 4. Mineral powder testing results
表4. 矿粉检测结果
| 检测项目 |
检测结果 |
规范标准 |
| 含水量/% |
0.49 |
≤1 |
| 表观密度/(g·cm−3) |
2.73 |
≥2.5 |
| 亲水系数 |
0.65 |
≤1 |
| 塑性指数 |
2.7 |
≤4 |
| 外观 |
无团粒结块 |
无团粒结块 |
2.3. 纤维
考虑到本次工程当地环境及气候影响，纤维选用为玄武岩纤维。相对于其他几种纤维[6]，玄武岩纤维具有耐高温、耐腐蚀性、高强度和刚度、提高恢复能力、抗老化性等特性。检测结果见表5。
Table 5. Basalt fiber testing results
表5. 玄武岩纤维检测结果
| 检测项目 |
检测结果 |
单位 |
| 单纤维直径 |
5.3~6.2 |
Um |
| 密度 |
2620~2640 |
kg/cm3 |
| 静态使用温度 |
−268~648 |
˚C |
| 弹性模量 |
10,000~11,000 |
kg/mm2 |
| 拉伸强度 |
3000~4830 |
MPa |
3. 配合比设计
3.1. SMA-13混合料配合比设计
结合工程路面施工设计，对SMA-13沥青混合料进行配合比设计，级配曲线如图1。
Figure 1. SMA-13 grading curve
图1. SMA-13级配曲线
3.2. 玄武岩纤维最佳掺量及最佳油石比
将玄武岩纤维分别以3%、5%、7%掺量，掺入SMA-13沥青混合料中。设置6.3%为沥青混合料的最佳油石比，根据混合料配合设计比将沥青、粗细集料、纤维进行拌制，按±0.3间隔制作3组马歇尔试验所需的试件，将试件加热至80˚C后，进行压实。依据马歇尔试验结果对不同掺量的玄武岩纤维和石油比进行对比。马歇尔试验结果见表6。
Table 6. Marshall test results
表6. 马歇尔试验结果
| 纤维掺量/% |
油石比/% |
毛体积相对密度 |
稳定度/kN |
流值/mm |
VV/% |
VMA/% |
VFA/% |
| 3 |
6 |
2.405 |
6.50 |
2.36 |
4.38 |
18.1 |
76.2 |
| 6.3 |
2.403 |
6.98 |
2.84 |
4.21 |
18.6 |
78.6 |
| 6.6 |
2.401 |
7.12 |
3.15 |
3.97 |
19.1 |
80.3 |
| 5 |
6 |
2.401 |
10.15 |
2.96 |
4.56 |
18.4 |
76.5 |
| 6.3 |
2.415 |
9.79 |
3.14 |
4.18 |
18.5 |
79.2 |
| 6.6 |
2.412 |
8.61 |
3.46 |
3.83 |
18.6 |
81.6 |
| 7 |
6 |
2.414 |
7.48 |
2.76 |
4.42 |
18.2 |
75.3 |
| 6.3 |
2.412 |
7.95 |
2.74 |
4.03 |
18.4 |
77.6 |
| 6.6 |
2.409 |
7.35 |
2.91 |
3.83 |
18.6 |
79.4 |
4. SMA-13混合料路用性能试验
4.1. 冻融试验
该高速公路受气候影响，大部分时间处于低温环境下，对低温抗裂性能要求更高[7]。将不同掺量的玄武岩纤维分别制作3组低温弯曲试验，试验温度设置为−30℃，加载速率为50 mm/min。试验结果如图2。
Figure 2. Maximum bending and tensile strain at low temperature under different fiber contents
图2. 不同纤维掺量下低温弯曲最大弯拉应变
由图2可知，当玄武岩纤维掺量在一定范围内增加时，沥青砼的可承受的最大弯拉应变呈现出先增长后下降的趋势，从图中可以看出，纤维掺量在5%左右时最优(最大弯拉应力出现峰值)。随着玄武岩纤维掺量的增加，最大弯拉应变值呈先上升后下降的趋势，分析其原因在于纤维的掺入会使沥青基体内部结构发生变化，使其混合料的粘结性能增强，增强了混合料的横向膨胀变形效果的约束力，使其抗压强度在一定程度上得到提升。但随着纤维用量增大，掺入的纤维之间会产生团聚现象，纤维过多而导致薄弱界面增多，当薄弱界面作用优于纤维的增强作用时，其强度反而降低。因此，当掺量为5%时，最大弯拉应变、最大荷载和劲度模量都较大，即低温抗裂性能较好。
4.2. 高温试验
高温试验采用最为常规的车辙试验对不同玄武岩纤维掺量的SMA-13沥青混合料，进行高温稳定性检验。试验温度设置为50℃，轮压为0.7 MPa。试验结果如图3。
Figure 3. Rutting test results under different fiber content
图3. 不同纤维掺量下车辙试验结果
由图3可知，不同玄武岩纤维掺量下的动稳定度试验结果指标都满足要求(≥5500)。当玄武岩纤维掺量在一定范围内增加时，从图中可以看出，动稳定度呈现出先增长后下降的趋势，与冻融试验结果显示一样，纤维掺量在5%左右时最优(动稳定度出现峰值)。分析其原因在于，混合料中由于玄武岩纤维的过量使用，会导致其不能充分分布在沥青混合料中，减弱了玄武岩纤维的黏附作用和加筋效果。
4.3. 水稳定性试验
研究中对不同玄武岩纤维掺量下的SMA-13沥青混合料，采用了浸水马歇尔和冻融劈裂试验来进行水稳定性检测。试验结果见表7。
Table 7. Water stability test results
表7. 水稳定性试验结果
| 纤维掺量/% |
残留马歇尔稳定度/% |
冻融劈裂残留强度比/% |
| 3 |
89.5 |
83.2 |
| 5 |
93.6 |
86.6 |
| 7 |
93.4 |
87.1 |
由表7可知，当玄武岩纤维掺量在一定范围内增加时，马歇尔稳定度呈现出先增长后下降的趋势，冻融劈裂残留强度比呈现出逐渐增长趋势。这是由于当玄武岩纤维掺入沥青混合料后，使沥青膜厚度增大，同时增强了沥青胶浆的裹附力，让沥青与矿料的界面作用提升，从而有效地削弱了水对沥青与矿料界面的作用的影响。
5. 低温条件下沥青砼施工
沥青砼路面中的沥青混凝土密实度与施工过程中的碾压温度呈主要关系。最终希望得到较好的平整度，需要沥青混合料在施工过程中维持在一个合适的温度范围内才能实现[8]。而本次施工地区气温较低，在运输及碾压过程中，会加速沥青混凝土温度的降低。针对这一下情况，建议在拌和站时可以适当提高沥青混合料的出厂温度，当运输车辆到达施工现场时，沥青混合料的温度不会因为气温影响而不能满足施工过程中所需的温度范围，从而使得沥青混合料压实性更好。各阶段施工温度建议见表8。
Table 8. Construction temperature recommendations for each stage
表8. 各阶段施工温度建议
| 项目 |
施工采用温度 |
规范要求温度范围 |
| 沥青加热温度 |
165 |
155~165 |
| 矿料温度 |
175 |
比沥青加热温度高10~30 |
| 混合料出料温度 |
165 |
145~165 |
| 运到现场温度 |
165 |
>145 |
| 摊铺温度 |
155 |
>150 |
| 开始碾压时 |
150 |
混合料内部 > 145 |
| 碾压终了时 |
90 |
表面温度 > 80 |
6. 结论
1) 为证明掺入不同掺量的玄武岩纤维SMA-13沥青砼的配合比设计的合理性，研究采用马歇尔试验来进行验证，试验结果显示其各项指标均满足相关规范要求。该级配设计为本次工程提供了较大的参考价值；
2) 研究采用冻融试验、高温试验、水稳定性试验对掺入不同掺量的玄武岩纤维沥青混合料路用性能进行试验。试验结果显示，沥青混合料的路用性能随着玄武岩纤维的掺入有明显提升。当玄武岩纤维的掺量为5%时，低温抗裂性能和高温性能得到最大提升，而水稳定性随着掺量增加而增大。本次研究以提高沥青砼在高寒地区的低温抗裂性能为设计指标，因此玄武岩纤维的最佳掺量为5%。