高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明属于道路工程材料，道路养护技术领域，特别是一种高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维沥青混合料及其制备方法。

背景技术

改革开放以来，随着我国经济的不断发展，我国的道路建设事业得到了前所未有的发展空间，由于我国的气候和交通荷载条件复杂，车辆超载现象严重等原因，公路沥青路面产生了一系列路面病害及结构破坏等问题。因此，如何提高路面质量，延长路面使用寿命这个问题就摆在了道路科研工作者的面前。

沥青路面在使用过程中，受到车辆荷载的反复作用和环境温度交替变化所产生的温度应力作用，沥青路面长期处于应力应变反复变化的状态。随着荷载作用次数的增加，材料内部缺陷，微裂纹不断扩展，路面结构强度逐渐衰弱，直到发射疲劳破坏，路面出现裂缝。

近些年来，提高沥青路面抗疲劳开裂的主要措施有掺入纤维改善沥青混合料的抗裂性能，常用的纤维有木质素纤维、聚酯纤维、钢纤维、有机纤维等。玄武岩纤维作为一种新型的矿物纤维，与传统使用的纤维相比，玄武岩纤维用有很大的优势和突出的特点，对沥青混合料的抗疲劳性能的提高有着显著的作用。然而现有的纤维添加方式并不能最大化发挥纤维的作用，本发明提出的级配玄武岩纤维组合对沥青混合料的抗疲劳开裂性能有显著提高。

发明内容

本发明的目的是提出一种高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维沥青混合料及其制备方法，该混合料可以大大提高沥青混凝土路面的抗疲劳开裂性能，减少道路维修次数，延长其使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料，以质量百分比计，包括如下组分组成：SBS改性沥青4.316％～4.635％、级配玄武岩纤维0.347％～0.416％、矿料94.328％～95.973％。

进一步的，所述的级配玄武岩纤维采用如下组合方式中的任意一种：

组合Ⅰ：0.010％～0.020％6mm+0.190％～0.195％9mm+0.190％～0.195％12mm；

组合Ⅱ：0.040％～0.060％6mm+0.185％～0.215％9mm+0.135％～0.165％12mm；

组合Ⅲ：0.085％～0.115％6mm+0.185％～0.215％9mm+0.085％～0.115％12mm；

组合Ⅳ：0.135％～0.165％6mm+0.185％～0.215％9mm+0.040％～0.060％12mm；

组合Ⅴ：0.190％～0.195％6mm+0.190％～0.195％9mm+0.010％～0.020％12mm。

进一步的，所述矿料包括粗细集料和矿粉，矿粉占矿料总质量的3％；其中，粗细集料材料为玄武岩，粗细集料中1#料、2#料、3#料与4#料分别占矿料总质量的23％、32％、13％与29％；矿粉为粒度为0.075mm以下磨细的石灰岩。

进一步的，所述的级配玄武岩纤维改性沥青混合料采用AC-20悬浮密实连续级配。

上述高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；

(2)在173±5℃条件下预先加热矿料中的粗细集料和矿粉5h以上；

(3)将拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的粗细集料与级配玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，再将步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的矿粉拌合90～100s，制备成所述的SBS改性沥青混合料。

与现有材料相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明所述的高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料，可以大幅度地提高沥青混合料的疲劳性能。

(2)本发明所述的高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料，在提高沥青混合料的疲劳开裂性能时，不降低沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。

(3)本发明所述的高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料，提高路面使用寿命，减少路面维修费用。

附图说明

图1为本发明不同类型沥青混合料疲劳试验比较图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明所述的高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料及其制备方法做进一步说明。实施例分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ组合方案下的级配玄武岩纤维改性沥青混合料。

实施例1：

先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；在173±5℃条件下预先加热12310.864g粗细集料和380.748矿粉(粒度为0.075mm以下的石灰岩)5h以上；将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的12310.864g粗细集料(其中1#料、2#料、3#料与4#料的质量分别为2919.071g、4061.316g、1649.909g、3680.568g)加热与50.766g的级配玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，其中级配玄武岩纤维采用6mm长度玄武岩纤维0.012g、9mm长度玄武岩纤维24.678g和12mm长度玄武岩纤维26.088g三者混合的组合方式(即0.012g 6mm+24.678g 9mm+26.088g 12mm)。再加入596.506g步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的380.748g矿粉拌合90～100s，制备成所述的级配玄武岩纤维改性沥青混合料；所述沥青混合料采用AC-20悬浮密实连续级配，沥青油石比为4.7％。

实施例2：

先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；在173±5℃条件下预先加热12310.864g粗细集料和380.748矿粉(粒度为0.075mm以下的石灰岩)5h以上；将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的12310.864g粗细集料(其中1#料、2#料、3#料与4#料的质量分别为2919.071g、4061.316g、1649.909g、3680.568g)加热与50.766g的级配玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，其中级配玄武岩纤维采用6mm长度玄武岩纤维6.726g、9mm长度玄武岩纤维24.867g和12mm长度玄武岩纤维18.6 24g三者混合的组合方式(即6.726g 6mm+24.867g9mm+18.6 24g12mm)。再加入596.506g步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的380.748g矿粉拌合90～100s，制备成所述的级配玄武岩纤维改性沥青混合料；所述沥青混合料采用AC-20悬浮密实连续级配，沥青油石比为4.7％。

实施例3：

先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；在173±5℃条件下预先加热12310.864g粗细集料和380.748矿粉(粒度为0.075mm以下的石灰岩)5h以上；将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的12310.864g粗细集料(其中1#料、2#料、3#料与4#料的质量分别为2919.071g、4061.316g、1649.909g、3680.568g)加热与50.766g的级配玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，其中级配玄武岩纤维采用12.795g6mm+25.210g9mm+12.62 3g12mm的组合方式。再加入596.506g步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的380.748g矿粉拌合90～100s，制备成所述的级配玄武岩纤维改性沥青混合料；所述沥青混合料采用AC-20悬浮密实连续级配，沥青油石比为4.7％。

实施例4：

先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；在173±5℃条件下预先加热12310.864g粗细集料和380.748矿粉(粒度为0.075mm以下的石灰岩)5h以上；将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的12310.864g粗细集料(其中1#料、2#料、3#料与4#料的质量分别为2919.071g、4061.316g、1649.909g、3680.568g)加热与50.766g的级配玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，其中级配玄武岩纤维采用18.256g6mm+25.012g9mm+6.97 2g12mm的组合方式。再加入596.506g步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的380.748g矿粉拌合90～100s，制备成所述的级配玄武岩纤维改性沥青混合料；所述沥青混合料采用AC-20悬浮密实连续级配，沥青油石比为4.7％。

实施例5：

先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；在173±5℃条件下预先加热12310.864g粗细集料和380.748矿粉(粒度为0.075mm以下的石灰岩)5h以上；将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的12310.864g粗细集料(其中1#料、2#料、3#料与4#料的质量分别为2919.071g、4061.316g、1649.909g、3680.568g)加热与50.766g的级配玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，其中级配玄武岩纤维采用24.926g6mm+25.012g9mm+0.03 2g12mm的组合方式。再加入596.506g步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的380.748g矿粉拌合90～100s，制备成所述的级配玄武岩纤维改性沥青混合料；所述沥青混合料采用AC-20悬浮密实连续级配，沥青油石比为4.7％。

本发明实施案例1-5所述的高抗疲劳开裂性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料与对比例1-5所述的其他类型的沥青混合料(基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、SBS+6mmBF改性沥青混合料、SBS+9mmBF改性沥青混合料、SBS+12mmBF改性沥青混合料)在不同应变水平下的平均疲劳试验结果见表1和图1。

对比例1：

基质沥青混合料是指沥青胶结料为基质沥青的沥青混合料。

上述基质沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将基质沥青在150±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；

(2)在173±5℃条件下预先加热矿料中的粗细集料和矿粉5h以上；

(3)将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的粗细集料在加热拌合锅内拌合90s，再将步骤(1)保温备用的基质沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的矿粉拌合90～100s，制备成所述的基质沥青混合料。

对比例2：

SBS改性沥青混合料是指沥青胶结料为SBS改性沥青的沥青混合料。

上述SBS改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；

(2)在173±5℃条件下预先加热矿料中的粗细集料和矿粉5h以上；

(3)将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的粗细集料在加热拌合锅内拌合90s，再将步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的矿粉拌合90～100s，制备成所述的SBS改性沥青混合料。

对比例3：

SBS+6mmBF改性沥青混合料是指掺长度为6mm玄武岩纤维的SBS改性沥青混合料。

上述SBS+6mmBF改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；

(2)在173±5℃条件下预先加热矿料中的粗细集料和矿粉5h以上；

(3)将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的粗细集料与掺量为0.4％、长度为6mm的玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，再将步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的矿粉拌合90～100s，制备成所述的SBS+6mmBF改性沥青混合料。

对比例4：

上述SBS+9mmBF改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；

(2)在173±5℃条件下预先加热矿料中的粗细集料和矿粉5h以上；

(3)将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的粗细集料与掺量为0.4％、长度为9mm的玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，再将步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的矿粉拌合90～100s，制备成所述的SBS+9mmBF改性沥青混合料。

对比例5：

上述SBS+12mmBF改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将SBS改性沥青在160±5℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；

(2)在173±5℃条件下预先加热矿料中的粗细集料和矿粉5h以上；

(3)将沥青混合料拌合锅加热至170±5℃，先将预先加热的粗细集料与掺量为0.4％、长度为12mm的玄武岩纤维在拌合锅内拌合90s，再将步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90～100s，最后掺入预加热的矿粉拌合90～100s，制备成所述的SBS+12mmBF改性沥青混合料。

表1不同类型沥青混合料疲劳试验结果

表2不同类型沥青混合料其他路用性能试验结果

从表1和图1可以看出，不同沥青混合料在不同应变水平下的疲劳寿命的变化，随着应变水平的提高疲劳寿命降低。并且发现级配玄武岩纤维改性沥青混合料的疲劳作用次数明显高于基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和仅添加单一长度的玄武岩纤维沥青混合料。由表2可以看出，本发明所述的高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料，在提高沥青混合料的疲劳开裂性能时，不降低沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。

在450με条件下，高抗疲劳性能的配玄武岩纤维改性沥青混合料的疲劳寿命是基质沥青混合料的5～30倍，是SBS改性沥青混合料的1.5～6倍。

在650με条件下，高抗疲劳性能的配玄武岩纤维改性沥青混合料的疲劳寿命是基质沥青混合料的1.5～7倍，是SBS改性沥青混合料的1.5～5倍

在850με条件下，高抗疲劳性能的配玄武岩纤维改性沥青混合料的疲劳寿命是基质沥青混合料的2～4倍，是SBS改性沥青混合料的1.5～3倍。

对比这几种高抗疲劳性能的级配玄武岩纤维改性沥青混合料的疲劳寿命，更加推荐Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组合方案下的级配玄武岩纤维改性沥青混合料。

玄武岩纤维分散在沥青混合料中，成三维空间网状分布，这种空间网状结构可以传递应力和抵消相应的应力，纤维与沥青胶浆间形成很好地粘结性，削弱集料颗粒间的相对位移。

在沥青混合料承受外界车辆荷载重复作用时，级配玄武岩纤维形成的空间网状结构对混合料中集料颗粒起到加筋的作用，吸收裂纹扩展时的部分能量，从而减缓裂纹的产生，提高其疲劳寿命。