摘要：
为提高沥青混合料的综合路用性能，本文采用玄武岩纤维与废胶粉复合改性方式，设计不同纤维掺量（0%~0.4%），进行劈裂强度、水稳定性、动稳定度及低温小梁弯曲试验，研究其高低温性能与抗水损能力。结果表明，玄武岩纤维可显著提高混合料的抗裂性和稳定性，掺量为0.2%~0.3% 时的性能最优。研究成果为绿色高性能沥青路面材料的推广应用提供了理论支持和实践依据。
关键词：玄武岩纤维 ；废胶粉 ；改性沥青混合料 ；高低温性能
随着我国交通运输行业的快速发展，道路建设规模不断扩大，沥青混合料作为路面结构的关键材料之一，其高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性直接影响路面的服务性能和使用寿命 [1]。然而，在交通荷载和环境应力共同作用下，传统沥青路面易出现车辙、开裂和水损害等病害，亟需通过材料改性手段提高其综合性能 [2]。
废胶粉作为一种来源广泛的固体废弃物，在沥青改性中能够有效提高混合料的高温性能和疲劳寿命，同时也有助于减少环境污染，实现资源循环利用。但受制于其与基质沥青相容性较差，废胶粉改性沥青在低温抗裂性和施工均匀性方面仍存在一定不足 [3-4]。玄武岩纤维具有比普通有机纤维更高的拉伸强度和弹性模量，同时具备良好的耐热性、耐酸碱性和分散性 [5]。掺入沥青混合料后，玄武岩纤维可阻滞裂缝扩展，起到增韧抗裂、增强结构稳定性的作用 [6]。
本研究以玄武岩纤维与废胶粉为复合改性材料，选取掺量为 18% 的废胶粉，并设计不同掺量的玄武岩纤维，系统开展马歇尔试验、劈裂强度、水稳定性、高温车辙试验与低温弯曲试验等，综合评估改性沥青混合料的路用性能。
1 改性沥青配合比设计
1.1 原材料
本研究使用的改性沥青混合料由基质沥青、废胶粉、玄武岩纤维及矿质集料等主要材料组成。为确保试验结果的代表性与科学性，各原材料选取均需要符合现行道路工程规范要求。
基质沥青：选用道路工程中常用的 70#A 级基质沥青，其具有良好的黏结性能和加工适应性。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行检测，所得主要性能指标如针入度、软化点、延度等均满足《公路沥青路面施工技术规范》中的技术要求，适用于中温地区的道路工程。
废胶粉 ：废胶粉取自经过常温机械粉碎处理的废旧轮胎，主要成分为橡胶烃、炭黑及微量金属杂质。为保证与基质沥青的良好相容性，选用粒径为 60 目、无纤维夹杂的高纯度胶粉产品。本试验中的胶粉掺量控制为基质沥青质量的 18%，通过湿法剪切方式与沥青充分混合后形成复合改性沥青。此掺量综合考虑了稳定性与经济性，前期预试验结果表明其具有良好的改性效果。
玄武岩纤维 ：玄武岩纤维为天然矿石高温熔融后拉制而成，具有良好的力学强度、化学稳定性及热稳定性。纤维呈短切状，长度为 6 mm，直径约为 17 μm，表面粗糙，便于在沥青中形成物理锚固和空间骨架结构。试验设计掺量分别为 0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%（按混合料总质量计），研究其对沥青混合料力学性能与路用性能的影响变化规律。
矿质集料 ：粗集料选用破碎玄武岩，细集料为天然中砂，矿粉采用石灰岩粉。各类集料经筛分及物理性能检测后确认，其针片状颗粒含量、压碎值、表观相对密度及吸水率等均满足规范要求，能够确保混合料的结构稳定性与强度形成。
1.2 集料性能及级配
为保证混合料结构骨架的强度和水稳定性，研究对粗、细集料及矿粉的基本物理性质进行试验，主要检测项目包括压碎值、针片状含量、表观相对密度、吸水率等。各项指标均按《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）执行，试验结果见表 1。
试验结果表明，所用集料各项物理指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）里 AC-13 级配的要求，可用于中粒式沥青混合料的设计与施工。本试验采用 AC-13 规格的连续级配，结合《公路沥青路面施工技术规范》中规定的 AC-13 级配范围进行配合比设计。级配曲线如图 1 所示。
该级配设计在满足规范要求的基础上，兼顾了混合料的密实性与工作性，为后续沥青 - 纤维 - 胶粉三相体系的协同作用提供了良好的结构基础。
1.3 最佳油石比
本试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中马歇尔试验相关规定进行操作。设计沥青用量为 5.0%、5.2%、5.4%、5.6%、5.8%，采用标准马歇尔击实次数（75 次/面）进行制样，每个沥青用量对应 3 组试件。综合各指标考虑，结合《公路沥青路面施工技术规范》推荐的马歇尔设计判据，本试验选取沥青用量为 5.4% 作为最佳油石比。
2 玄武岩纤维 - 废胶粉改性沥青混合料路用性能
2.1 劈裂破坏性能
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法，采用标准马歇尔试件进行劈裂试验，分析不同玄武岩纤维掺量下改性沥青混合料的抗劈裂强度变化规律，试验结果如图 2 所示。
由图 2 可知，随着玄武岩纤维掺量增加，沥青混合料的劈裂强度先显著上升，掺量为 0.2% 时达到最大值（1.83 MPa），相较未掺纤维混合料增幅约为 11.5%，然后强度略有回落，但整体仍高于未掺纤维组。其增强机制主要归因于玄武岩纤维在混合料内部形成微观“桥接”结构，限制裂缝扩展，提高混合料的抗拉和延展能力。低掺量时，纤维能较好地分散，并与沥青黏结度增强，而掺量超过 0.3%后，纤维可能出现团聚或分布不均，反而削弱其增强效果，导致劈裂强度略有下降。
因此，从劈裂强度角度看，玄武岩纤维掺量为 0.1%~0.2%时的增强效果最为显著，建议在该范围内优化设计，获得更优的抗裂性能。
2.2 水稳定性
为系统评估玄武岩纤维掺量对废胶粉改性沥青混合料水稳定性能的影响，本文采用残留马歇尔稳定度（RMS）试验和冻融劈裂强度比（TSR）试验两种方法进行对比分析，试验结果如图 3 所示。
由图 3 可知，随着玄武岩纤维掺量增加，混合料的残留稳定度总体呈“先升后降”的趋势。掺量为 0.2% 时残留稳定度达到最大值 77.76%，比未掺纤维组提高约 4.82%，说明适量纤维能在沥青与集料之间形成良好的骨架结构，有效抵抗水侵造成的软化破坏。在掺量进一步增至 0.4% 后，稳定度显著降至 69.17%，较最高值下降超过 10%，主要原因可能是纤维过量引起团聚，形成弱界面，加剧水损作用，冻融劈裂强度比随纤维掺量的变化趋势与 RMS 相似，0.2% 时达到峰值 84.78%，较无纤维组（79.29%）提高约 6.93%。在掺量从 0% 增至 0.2% 的过程中，纤维有效限制了冻融循环引发的微裂缝扩展，提高了混合料的整体韧性和抗剥离能力，而当掺量增至 0.4% 时，TSR 降至 81.36%，虽仍高于无纤维组，但增强效果有所减弱。
综合残留稳定度与TSR两项指标分析可知，掺量为0.2%时，玄武岩纤维对水稳定性能的提升作用最为显著，表现出良好的协同增强效果，因此，将其作为复合改性沥青混合料的最优掺量（0.2%~0.3%）。
2.3 高温与低温性能
沥青混合料在服役过程中需要承受季节性高温与寒冷环境交替作用，其高温抗车辙能力与低温抗裂能力是评估其适应性的重要性能指标。本节通过动稳定度（DS）试验与低温小梁弯曲试验，研究玄武岩纤维掺量对复合改性沥青混合料高低温性能的影响。高稳定能与低温性能研究结果如图 4和图 5 所示。
由图 4 可知，动稳定度随玄武岩纤维掺量的变化趋势呈典型的“先升后降”型。未掺纤维时，混合料的动稳定度为 5957 次 /mm，车辙抵抗能力较弱。掺加 0.1% 和0.2% 纤维后，动稳定度显著上升，分别增至 8037 次 /mm和 9783 次 /mm，其中，0.2% 掺量对应的抗车辙能力最强，与无纤维组相比，增幅达到 64.2%，说明适量纤维能显著增强混合料的结构骨架，提高高温稳定性。
由图 5 可知，随着玄武岩纤维掺量增加，混合料在各低温条件下的抗弯拉强度均明显上升，掺量为 0.2%~0.3% 时达到峰值。在 0℃下，抗弯拉强度从未掺纤维时的 10.89MPa增至掺 0.3% 时的 12.61 MPa，增幅为 15.76%。在 -10℃下，从 8.95 MPa 增至 11.63 MPa，提高 29.9%。在 -15℃下，从8.48 MPa 增至 11.16 MPa，增幅达到 31.6%，表明玄武岩纤维对混合料低温抗裂性能具有显著增强作用。在掺量超过0.3%后，抗拉强度略有回落，推测为纤维分散性下降，局部集聚反而形成微弱界面，削弱整体结构连续性。
综上所述，建议玄武岩纤维掺量控制在 0.2%~0.3%，在确保分散均匀的前提下，能在不同气候区域内兼顾混合料的高低温路用性能，延长道路结构的使用寿命与提高运行安全性。该复合改性体系适用于南北方不同气候条件下的高等级公路沥青路面，具有良好的推广应用前景。
3 结论
掺入玄武岩纤维显著提高了混合料的劈裂强度与低温抗裂性能。当掺量为 0.2%~0.3% 时，劈裂强度较未掺纤维组提高约 11.5%，低温弯曲强度增幅最高达到 31.6%，表明纤维在改善混合料韧性、延缓裂缝扩展方面具有显著效果。
纤维掺量为 0.2% 时，复合改性沥青混合料的水稳定性表现最佳。此时残留马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比分别提高 4.82% 和 6.93%，说明玄武岩纤维能够有效构建稳定骨架结构，提高混合料在水侵与冻融循环下的强度保持能力。
高温抗车辙性能随纤维掺量增加而先升后降，玄武岩纤维掺量为 0.2% 时，动稳定度达到最大（9783 次 /mm），增幅达到 64.2%。综合高低温及水稳定性指标，推荐玄武岩纤维的最佳掺量为 0.2%~0.3%，可有效提高混合料的整体路用性能，适用于高等级公路（特别是气候条件复杂地区）的应用需求，具有良好的工程推广前景。
参考文献：
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声明：
原创作者：吴昊（东台市公路工程有限责任公司，江苏 盐城 224200）。
