呂令釗

（河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，河南鄭州450000）

目前，我國瀝青路面基層設計中主要以水泥穩(wěn)定碎石等半剛性材料為主[1-2]，其具有強度與穩(wěn)定性良好且工程造價較低；然而，半剛性材料屬于脆性材料，抗變形能力較低，受溫度影響大，在車輛荷載反復作用下容易形成反射裂縫[3-5]，從而造成瀝青路面出現(xiàn)裂縫、網(wǎng)裂等病害，使其路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、使用性能降低。對此，國內(nèi)外選用較厚的瀝青穩(wěn)定碎石下面層替代部分半剛性基層來延緩反射裂縫貫穿面層時間[6-7]。張宜洛等[8]研究發(fā)現(xiàn)煤液化殘渣改善了瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響，但低溫抗裂性較差。宋慶紅等[9]分別研究了硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石和常規(guī)瀝青穩(wěn)定碎石，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石路用性能較優(yōu)。盧杰等[10]托實際工程對瀝青穩(wěn)定碎石ATB-30 設計和攤鋪工藝進行了研究，發(fā)現(xiàn)路面裂縫顯著降低。張立華等[11]研究了膠粉改性瀝青穩(wěn)定碎石低溫抗裂性。林豪等[12]分別研究了玄武巖、石灰?guī)r、安山巖粗集料復摻法對瀝青穩(wěn)定碎石使用性能的影響。郭伏國[13]研究表明瀝青穩(wěn)定碎石ATPB-25 較AM-25、ATB-25 力學性能最優(yōu)，且疲勞壽命最大。因此，如何設計合適的瀝青穩(wěn)定碎石抗裂材料來延緩反射裂縫的擴展顯得十分重要。筆者通過研究玄武巖纖維（簡稱“BF”）和SBS 改性瀝青對瀝青穩(wěn)定碎石路用性能的影響規(guī)律，為玄武巖纖維瀝青穩(wěn)定碎石推廣提供理論基礎。

1 試驗材料與配合比設計

1.1 試驗材料

（1）瀝青

選用齊魯石化公司生產(chǎn)的A 級70#基質(zhì)瀝青和Ⅰ-C型SBS 改性瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表1～表2。

表1 A 級70#瀝青技術(shù)指標Table 1 Grade A 70# asphalt technical index

表2 高模量瀝青和SBS 改性瀝青技術(shù)指標Table 2 Technical indexes of high modulus asphalt and SBS modified asphalt

由表1 和表2 可知，瀝青技術(shù)性質(zhì)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求。

（2）集料

集料分為粗集料和細集料。粗集料選用石灰?guī)r，公稱粒徑為15～30mm、10～15mm、5～10mm；細集料選用機制砂。集料技術(shù)性質(zhì)滿足JTG F40-2004 要求。

（3）填料

選用礦粉，技術(shù)性質(zhì)見表3。

表3 礦粉技術(shù)性質(zhì)Table 3 Technical properties of mineral powder

（4）玄武巖纖維

選用短切玄武巖纖維，纖維摻量為0.3%，長度為12mm。技術(shù)性質(zhì)見表4。

表4 玄武巖纖維技術(shù)性質(zhì)Table 4 Technical properties of basalt fiber

1.2 配合比設計

參照瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25 設計要求，采用馬歇爾試驗設計方法確定混合料配合比，見表5～表6。表6 中基質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石、玄武巖纖維基質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石、SBS 改性瀝青穩(wěn)定碎石、玄武巖纖維SBS 改性瀝青穩(wěn)定碎石分別表示為ATB-25、BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25。

表5 瀝青穩(wěn)定碎石礦料級配Table 5 Grading of asphalt stabilized macadam

表6 瀝青穩(wěn)定碎石最佳瀝青用量Table 6 Optimum asphalt content of asphalt stabilized macadam

2 研究方案

2.1 試驗方案

（1）高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗評價瀝青穩(wěn)定碎石高溫性能。試驗中，試輪接地壓強為0.7MPa。瀝青穩(wěn)定碎石常用作路面結(jié)構(gòu)下面層，外界環(huán)境溫度對其影響較上面層是較小的，擬車轍試驗溫度選用40℃和60℃。

（2）水穩(wěn)定性

1.2 材料 選擇山東威海潔瑞醫(yī)用有限公司提供的24G×19 mm針管回縮式靜脈留置針，6 cm×7 cm 3M含碘敷貼。

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價瀝青穩(wěn)定碎石水穩(wěn)定性。試驗中，將馬歇爾試件分為四組，編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ組浸于60℃恒溫水槽中48h后進行馬歇爾試驗；Ⅱ組放置于（-18±2）℃環(huán)境中冷凍16h，冷凍結(jié)束后，先后將試件浸于60℃恒溫水槽中24h、25℃恒溫水槽中2h，浸水完畢后進行劈裂試驗；Ⅲ組與Ⅳ組在常規(guī)試驗條件下分別進行馬歇爾試驗和劈裂試驗。

（3）疲勞特性

采用間接抗拉試驗評價瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞特性，試驗儀器選用MTS-810 材料疲勞試驗機。試驗中，加載波形為正弦波，應變控制模式加載，應變水平為550με，擬加載頻率為1Hz、5Hz、10Hz。當試件彎曲勁度模量低于初始勁度模量的50%時，結(jié)束試驗。

（4）低溫抗裂性

采用小梁彎曲試驗評價瀝青穩(wěn)定碎石低溫抗裂性。試驗儀器選用UTM-25 伺服液壓材料試驗機，試驗溫度為-10℃、0℃、15℃，加載速率為50mm/min。

2.2 試件制備

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011） 制 備 試 件， 車 轍 試 驗 試 件 尺 寸為 300mm×300mm×50mm； 浸 水 馬 歇 爾 試 驗、凍融劈裂試驗和疲勞試驗采用馬歇爾試件，尺寸為Φ152.4mm×h101.6mm；小梁彎曲試驗試件尺寸為250mm×30mm×35mm，由車轍試件切割而成。試件制備完成后，室溫環(huán)境下養(yǎng)生48h。每組試驗采用3 個平行試件。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

圖1 瀝青穩(wěn)定碎石車轍試驗結(jié)果Fig. 1 Rutting test results of asphalt stabilized macadam

由圖1 可知，同一試驗溫度下，瀝青穩(wěn)定碎石摻入玄武巖纖維后動穩(wěn)定度得到提高，且滿足規(guī)范設計要求，其中BF+SBS+ATB-25 動穩(wěn)定度最大。溫度60 ℃條 件 下， 與 ATB-25 動 穩(wěn) 定 度 相 比，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 動穩(wěn)定度分別提高了15%、259%、363%；溫度40℃條件下，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 動穩(wěn)定度分別提高了14%、117%、188%，說明SBS+ATB-25 高溫性能顯著優(yōu)于ATB-25、BF+ATB-25 高溫性能。這是因為SBS 改性瀝青較高的軟化點保證了集料之間具有良好的粘結(jié)力，而玄武巖纖維分散在瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)中，起到了加筋作用，抑制了瀝青穩(wěn)定碎石在高溫軸載作用下產(chǎn)生的變形。另外，改性瀝青穩(wěn)定碎石摻入玄武巖纖維后，動穩(wěn)定度約提高了31%，說明玄武巖纖維對瀝青穩(wěn)定碎石高溫性能的改善作用較采用改性瀝青對穩(wěn)定碎石的作用較小。

3.2 水穩(wěn)定性

4 種瀝青穩(wěn)定碎石浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 瀝青穩(wěn)定碎石水穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig. 2 Water stability test results of asphalt stabilized macadam

由圖2 可知，ATB-25 水穩(wěn)定性滿足規(guī)范設計要求，且摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青均對瀝青穩(wěn)定碎石水穩(wěn)定性有一定改善作用。與ATB-25 相比，BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 浸 水 穩(wěn)定度分別提高了14%、38%、67%，殘留穩(wěn)定度分別提高了1.2%、6.1%、8.1%；BF+ATB-25、SBS+ATB-25、BF+SBS+ATB-25 凍融劈裂強度分別提高了12%、39%、65%，凍融劈裂強度比分別提高了1.0%、6.5%、8.0%。這是因為纖維的摻入致使穩(wěn)定碎石瀝青用量增加，集料之間粘結(jié)力增強且纖維膠漿填充了結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙，從而減小了水對瀝青穩(wěn)定碎石的破壞作用。

3.3 疲勞特性

疲勞試驗中，瀝青穩(wěn)定碎石疲勞壽命離散性大，為準確反映其抗疲勞性能，采用雙參數(shù)威布爾模型對試驗數(shù)據(jù)進行處理。95% 保證率下瀝青穩(wěn)定碎石疲勞壽命如圖3 所示。

圖3 瀝青穩(wěn)定碎石疲勞試驗結(jié)果Fig. 3 Fatigue test results of asphalt stabilized macadam

由圖3 可知，同一加載頻率下，BF+SBS+ATB-25 疲勞壽命最高，SBS+ATB-25 次之，ATB-25 疲勞壽命最低。其中，加載頻率1Hz、5Hz、10Hz 下，BF+SBS+ATB-25疲勞壽命分別是ATB-25 疲勞壽命的13.5 倍、8.8 倍、7.6倍，SBS+ATB-25 疲勞壽命分別是ATB-25 疲勞壽命的5.7倍、4.3 倍、2.1 倍，BF+ATB-25 疲勞壽命分別是ATB-25 疲勞壽命的1.1 倍、1.2 倍、1.1 倍。說明采用SBS 改性瀝青可有效提高瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞開裂性，且玄武巖纖維對改性瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞性改善作用較基質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石顯著，這是因為SBS 改性瀝青彈性與韌性優(yōu)于基質(zhì)瀝青，在循環(huán)荷載作用下延緩了裂縫的發(fā)展。

3.4 低溫抗裂性

4 種瀝青穩(wěn)定碎石小梁彎曲試驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 瀝青穩(wěn)定碎石小梁彎曲試驗結(jié)果Fig. 4 Bending test results of asphalt stabilized macadam beam

由圖4 可知：

（1）當試驗溫度逐漸提高，同一類型的瀝青穩(wěn)定碎石彎拉強度先增大后減小，彎拉應變逐漸增大。當溫度從-10℃提高至0℃，瀝青穩(wěn)定碎石彎拉強度平均提高了22%；當溫度從0℃提高至15℃，瀝青穩(wěn)定碎石彎拉強度平均降低了30%；當溫度從-10℃提高至15℃時，瀝青穩(wěn)定碎石彎拉應變平均提高了174%。這是因為瀝青粘度隨溫度升高而降低，瀝青穩(wěn)定碎石具有良好的延展性，從而不容易產(chǎn)生裂縫。

（2）同一試驗溫度下，BF+SBS+ATB-25 低溫抗裂性能最優(yōu)，較ATB-25、BF+ATB-25 和SBS+ATB-25 彎拉強度分別提高了1.6 倍、1.5 倍和1.1 倍，彎拉應變分別提高了1.9 倍、1.7 倍和1.2 倍。說明瀝青穩(wěn)定碎石中摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青均能改善其低溫抗裂性，且采用SBS 改性瀝青的穩(wěn)定碎石改善效果較顯著。

4 結(jié)論

通過對四種瀝青穩(wěn)定碎石路用性能進行試驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青均改善了瀝青穩(wěn)定碎石路用性能，且玄武巖纖維改性瀝青穩(wěn)定碎石高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性及低溫抗裂性最優(yōu)。

（2）玄武巖纖維對瀝青穩(wěn)定碎石路用性能的改善作用較采用改性瀝青對穩(wěn)定碎石的作用要小。瀝青穩(wěn)定碎石摻入玄武巖纖維后，動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比分別平均提高了15%、1.4%、1.1%；較基質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石，采用改性瀝青的穩(wěn)定碎石動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強度比分別平均提高了23%、6.8%、6.0%。

（3）摻入玄武巖纖維和采用SBS 改性瀝青有效地抑制了瀝青穩(wěn)定碎石裂縫的發(fā)展。同一加載頻率下，BF+SBS+ATB-25 疲勞壽命最高，SBS+ATB-25 疲勞壽命次之；同一試驗溫度下，BF+SBS+ATB-25 低溫抗裂性能最優(yōu)，較ATB-25 彎拉強度和彎拉應變分別提高了1.6倍和1.9 倍。