玄武岩纤维筋网沥青混合料的层间抗剪特性研究

Study on Interlayer Shear Resistance of Asphalt Mixture Reinforced by Basalt Fiber Mesh

摘要

为了揭示玄武岩纤维筋网沥青混合料层间抗剪特性，提出自主研发的复合板剪切试验方法，分析玄武岩纤维筋网直径和网格间距对沥青混合料层间抗剪强度和层间黏结系数的影响规律。结果表明：随着玄武岩纤维筋网直径和网格间距的增大，层间抗剪强度和层间黏结系数均呈现先增大后降低的趋势；当筋网直径为6 mm且网格间距为60 mm×60 mm时，玄武岩纤维筋网对沥青混合料层间抗剪特性的提升效果最为显著，较未布设玄武岩纤维筋网时，层间剪切强度提高28%，层间黏结系数提高78%；当玄武岩纤维筋网直径大于8 mm或网格间距为40 mm×40 mm和100 mm×100 mm时，布设玄武岩纤维筋网反而不利于层间抗剪特性。

Abstract

To investigate the interlayer shear properties of basalt fiber-reinforced asphalt mixtures, a composite plate shear test method was proposed. The study examined the effects of the diameter and mesh spacing of the basalt fiber reinforcement mesh on the interlayer shear strength and interlayer bond coefficient of the asphalt mixture. The results indicated that both the interlayer shear strength and interlayer bonding coefficient initially increased and then decreased as the diameter and interlayer spacing of the basalt fiber reinforcement mesh increase. Specifically, when the mesh diameter was 6 mm and the mesh spacing was 60 mm×60 mm, the basalt fiber mesh had the most significant positive impact on enhancing the interlayer shear properties. The interlayer shear strength and interlayer bonding coefficient increased by 28% and 78%, respectively, compared to the values without a basalt fiber reinforcement mesh. Conversely, when the diameter of the reinforcement mesh exceeded 8 mm, or when the mesh spacing was either 40 mm×40 mm or 100 mm×100 mm, the installation of the basalt fiber reinforcement mesh was detrimental to the interlayer shear properties.

Graphical abstract

关键词

沥青混合料 / 玄武岩纤维筋网 / 层间抗剪性能 / 复合板剪切试验

Key words

Asphalt mixtures / Basalt fiber mesh / Interlayer shear resistance / Composite plate shear test

玄武岩纤维是由玄武岩石料经1 450 ℃以上高温熔融后，采用铂铑合金拉丝漏板高速拉制而制成的连续矿物纤维材料。玄武岩纤维作为一种新型矿物纤维，具有价格适中、与胶结材料相容性好、力学强度高、耐磨耐腐蚀、易降解、来源广泛、生产过程无有害物质排放等优点^[1-2]。现有研究表明，将玄武岩纤维应用于土木工程材料当中，能够显著增强材料的抗裂和抗疲劳性能，从而有效提升工程结构的耐久性^[3-5]。与钢纤维、植物纤维和化工纤维(聚酯纤维、聚丙烯醇纤维等)相比，玄武岩纤维在多个方面展现出显著优势，例如减少金属材料的使用^[6]，具备优于植物纤维的技术性能^[7]，在生产过程中产生的有害物质低于化学纤维^[8]，因此具有广阔的应用前景和重要的推广价值。

沥青面层是由不同类型沥青混合料组成的层状复合体系。不同结构层之间的联结效果与沥青路面使用性能息息相关，若层间联结欠佳，在车辆荷载和高温天气作用下，不同结构层之间易因抗剪能力不足而发生推移，造成路面病害^[9]。因此，提高沥青面层的层间联结性能以及结构层的层间抗剪性能，对于保证沥青路面耐久性具有重要意义^[10]。

近年来，利用纤维筋网提升沥青面层的层间联结成为一种新兴的层间加固技术^[11]。LEE等^[12]和CUI等^[13]以层间黏结强度为指标分析碳纤维筋网对沥青路面反射裂缝出现频次的影响，结果表明添加筋网后路面抗裂性明显提升。RAGNI等^[14]和LEE等^[15]从力学性能、高温性能、低温性能和水稳定性等方面比较玻璃纤维筋网和碳纤维筋网应用于增强沥青面层层间联结的差异性，指出玻璃纤维筋网能够更好地提升沥青路面抗车辙和抗剪性能。ZHU等^[16]对聚酯纤维筋网和水石膏纤维筋网展开同类研究，发现聚酯纤维筋网的提升效果更佳。WALUBITA等^[17]和DANSOU等^[18]分析纤维筋网网格尺寸对沥青混合料层间黏结强度的影响规律，并揭示了纤维筋网对沥青混合料层间抗裂性的增强机理，发现与传统钢丝加固技术相比，纤维材料不仅可以提供更好的加固效果，而且能够在高温环境中提供更高的稳定性，从而适应于更复杂的使用条件。上述研究表明，纤维筋网对于提升沥青面层层间联结和路面耐久性具有显著的应用效果和极大的应用潜力。

然而，纤维筋网目前多采用聚酯纤维、碳纤维、玻璃纤维等纤维材料制备。碳纤维和玻璃纤维筋网虽具有较好使用效果，但价格偏高，会增加工程成本^[19-20]，聚酯纤维筋网虽价格适中，但其筋网成型工艺较为复杂^[21]，均不利于纤维筋网的进一步推广应用。考虑到玄武岩纤维优秀的技术性能、适中的材料成本、成熟的制备工艺、理想的环保效益，应用玄武岩纤维筋网加强沥青混合料层间联结是提升路面抗剪特性的可行途径。尽管玄武岩纤维已广泛应用于提升沥青混合料抗疲劳^[22]、高温抗车辙^[23]、低温抗裂性^[24]、水稳定性^[25]和黏结特性^[26]，但玄武岩纤维筋网对沥青混合料层间加固的作用效果尚不明确。鉴于此，本文研发复合板剪切试验方法，以抗剪强度和层间黏结系数为指标，揭示玄武岩纤维筋网直径和网格间距对沥青混合料层间抗剪性能的影响，研究结果有助于推动玄武岩纤维筋网的应用与推广。

1 实验部分

1.1 主要原料

玄武岩纤维筋是以玄武岩纤维与合成树脂为基体，添加适量促进剂、固化剂和阻燃剂等辅助剂制成，经过浸润、拉挤、模压、固化及特殊的表面处理工艺形成^[27]。玄武岩纤维筋由浙江石金玄武岩纤维股份有限公司提供，表1为玄武岩纤维筋网的性能指标，图1为玄武岩纤维筋网。网格间距选用40 mm×40 mm、60 mm×60 mm、80 mm×80 mm和100 mm×100 mm，纤维筋直径(φ)选用4、6、8、10 mm。玄武岩碎石，陕西融欣矿业开发有限公司；石灰岩机制砂，陕西融欣矿业开发有限公司；石灰岩矿粉，陕西宝鸡顺通达矿业有限公司。沥青选用茂名市鑫路建材科技有限公司生产的SBS(I-D)改性沥青(工业品)。沥青混合料，AC-13、AC-20和AC-25，最佳油石比分别为4.8%、4.3%和4.1%，茂名市鑫路建材科技有限公司。表2为沥青矿料级配。

1.2 仪器与设备

电子万能材料试验机，WDW-50，试验量程最大为50 kN，西安路德交通科技有限公司提供。

1.3 样品制备

采用尺寸为300 mm×300 mm×180 mm的三层复合板试件，自上而下分别采用4 cm AC-13、6 cm AC-20和8 cm AC-25混合料，图2为试件制备过程。将充分拌和的AC-25沥青混合料装填入尺寸为300 mm×300 mm×80 mm的单层试模中，用击实锤捣实充分。随后，使用轮碾仪对其往返碾压，直至试件厚度达到80 mm，完成下层板试件。将充分拌和的AC-20沥青混合料装填入尺寸为300 mm×300 mm×60 mm的单层试模中，用击实锤捣实充分。随后，使用轮碾仪对其往返碾压，直至试件厚度达到60 mm为止，完成中层板试件。待下层板和中层板试件冷却24 h后，进行脱模，将下层板试件置入尺寸为300 mm×300 mm×180 mm的试模内，向其表面均匀撒布0.45 kg/m²的黏层油沥青，将目标尺寸的玄武岩纤维筋网放置于下层板上固定，绑扎方式为全绑扎，编织时横纵筋分开。之后，再将中层板试件置于该试模内，撒布同剂量黏层油，将相同尺寸玄武岩纤维筋网采用同样方式置于中层板上固定。将充分拌和的AC-13沥青混合料装填入制得的试模中，用击实锤捣实充分。随后，使用轮碾仪对其往返碾压，直至试件总厚度达到180 mm，从而完成试件的制备。

1.4 性能测试与表征

图3为复合板剪切试验过程。试验前将成型好的试件放入温度为(60±0.5) ℃的恒温箱中保温6~8 h，当试件内部温度满足要求后，将试件置于如图3b所示的夹具上，将上层板和中层板分别置于两支座上，受剪的中层板处于悬空状态，缓慢下降试验机压头使之与中面层相接触，调整试件及夹具位置与垂直方向平行，开始进行剪切，加载速率采用10 mm/min，直至试件层间剪切破坏。计算剪切强度(τ)和层间黏结系数(K)。

\tau =\frac{P}{S}(1)

\tau =K\mathrm{\Delta }u(2)

式(1)和式(2)中：τ为剪切强度，MPa；P为最大剪切荷载，kN；S为层间受剪面积，取值为90 000 mm²；K为层间黏结系数，N/m³；Δu为层间相对位移，m。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

表3为玄武岩纤维筋网沥青混合料层间剪切试验结果。其中，τ_J、K_J分别表示加筋后层间剪切强度和层间黏结系数，τ_W、K_W分别表示未加筋时层间剪切强度和层间黏结系数。

2.2 玄武岩纤维筋网直径对层间抗剪性能的影响

图4为玄武岩纤维筋网直径对层间抗剪特性的影响。从表3、图4可以看出，在筋网网格间距一定的条件下，随着纤维筋网直径增大，沥青路面层间抗剪强度与层间黏结系数呈现先增大后减小趋势。当纤维筋网直径为4 mm或6 mm时，合理设置网格间距，能够使布设筋网时的层间抗剪强度与层间黏结系数高于未加筋时。当纤维筋网直径为6 mm、筋网网格间距为60 mm×60 mm时，层间剪切强度和层间黏结系数最大，分别为0.165 MPa和3.179×10⁷ N/m³，相比未加筋时，层间剪切强度提高28%、层间黏结系数提高78%，可见玄武岩纤维筋网对于层间抗剪性能提升效果显著。然而，当纤维筋网直径增大为8 mm或10 mm时，玄武岩纤维筋网沥青混合料层间抗剪强度与层间黏结系数较未加筋时有所降低。当纤维筋网直径为10 mm时，层间剪切强度平均仅为0.113 MPa，层间黏结系数平均仅为1.447×10⁷ N/m³，相比未加筋时，层间剪切强度降低12%，层间黏结系数降低19%，说明玄武岩纤维筋网直径不宜过粗，否则布设筋网反而会削弱沥青路面的层间抗剪性能。

图5为不同玄武岩纤维筋网直径下层间抗剪性能的归一化结果。从图5可以看出，在筋网网格间距一定的条件下，层间抗剪强度和层间黏结系数均随纤维筋网直径增大而呈现先增大后减小趋势。这主要是因为增大纤维筋网直径，会增加筋网与沥青混合料之间的接触面积，从而增大内摩阻角和黏结面积，根据库伦-摩尔理论，沥青路面层间剪切强度得到提高。当纤维筋网直径增大到一定范围时，过大的直径导致沥青混合料在筋网周围的密实度降低，沥青难以充分填充较大的空间和紧密包裹，减小了有效摩擦接触面积。此外，沥青与筋网间的有效黏结面积也未随直径的增加而降低，过大的直径会阻碍混合料之间相互嵌锁，从而导致层间抗剪性能降低。

2.3 玄武岩纤维筋网网格间距对层间抗剪性能的影响

图6为筋网网格间距对层间抗剪性能的影响。从表3、图6可以看出，在筋网直径一定的条件下，随着纤维筋网的网格间距的增大，层间抗剪强度与层间黏结系数呈现先增大后减小的趋势。当纤维筋网直径为4 mm或6 mm且筋网的网格间距为60 mm×60 mm、80 mm×80 mm时，玄武岩纤维筋网沥青混合料的层间抗剪性能相比未加筋时有所提高，抗剪强度平均提高15%，层间黏结系数平均提高42%。当纤筋网的网格间距为40 mm×40 mm或100 mm×100 mm时，玄武岩纤维筋网沥青混合料层间抗剪强度和层间黏结系数普遍低于未加筋时抗剪强度和层间黏结系数，这说明玄武岩纤维筋网的网格间距应控制在一定范围内，不宜过宽也不宜过窄，否则布设筋网反而会削弱沥青路面层间抗剪性能。

图7为不同筋网网格间距下沥青路面层间抗剪性能归一化结果。从图7可以看出，在纤维筋网直径一定的条件下，层间抗剪强度和层间黏结系数均随筋网网格间距增大而呈现先增大后减小趋势。当筋网网格间距过小，例如网格间距为40 mm×40 mm时，单位面积内有更多的筋材存在，筋材的紧密排列会影响沥青混合整体密实度和均匀性，进而降低沥青路面层间抗剪性能。当筋网网格间距增大到一定范围时，例如60 mm×60 mm和80 mm×80 mm，筋网能使筋材与沥青混合料之间形成较好的互相嵌锁和黏结效果，混合料更好地填充和压实在筋网格室中，确保沥青与筋材的黏结均匀且连续，从而增强沥青路面层间抗剪性能。若继续增大筋网网格间距，如网格间距为100 mm×100 mm时，筋材分布密度降低，筋网在沥青面层中的增强作用减弱，导致对层间抗剪性能的提升效果降低。

3 结论

为了研究玄武岩纤维筋网沥青混合料层间抗剪特性，提出复合板剪切试验方法，揭示玄武岩纤维筋网直径和网格间距对沥青混合料层间抗剪强度和层间黏结系数的影响规律。结果表明：随着玄武岩纤维筋网直径和网格间距的增大，层间抗剪强度和层间黏结系数均呈现先增大后降低的趋势。当筋网直径为6 mm且网格间距为60 mm×60 mm时，玄武岩纤维筋网对沥青混合料层间抗剪特性提升效果最为显著，相比未加筋时层间剪切强度提高28%，层间黏结系数提高78%；当筋网直径大于8 mm后或网格间距为40 mm×40 mm和100 mm× 100 mm时，布设玄武岩纤维筋网沥青混合料的层间抗剪强度和层间黏结系数反而低于未加筋沥青混合料，说明玄武岩纤维筋网过粗、过宽或过窄均不利于层间抗剪性，工程应用时应严格控制筋网规格；适宜直径和间距的玄武岩纤维筋网利用其三维网状结构，通过侧向约束作用提升沥青混合料层间抗剪切性能，但筋网直径过大或间距过宽会减小混合料与筋网间有效摩擦和黏结接触面积，导致层间抗剪性能衰减；筋网间距过小则会影响沥青混合密实度和均匀性，导致混合料性能下降。

参考文献

[1] 李天窄,李益南.玄武岩纤维泡沫混凝土的制备及性能分析[J].塑料科技,2024,52(10):104-107.

[2] 李庆文,禹萌萌,祝青云,玄武岩-聚乙烯醇混杂纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀研究[J].塑料科技,2022,50(10):5-11.

[3] 徐冬梅,李艳,郭红星.冻融作用下BFRP筋与混杂纤维混凝土黏结性能研究[J].塑料科技,2023,51(10):71-76.

[4] 毛楠,翟健梁,赖淏,寒区沥青混合料阻裂性能研究进展[J].应用化工,2024,53(2):458-462.

[5] 何超金.玄武岩纤维布/PVC复合材料的制备及力学性能研究[J].塑料科技,2022,50(4):15-18.

[6] 秦鹏成,邓长青,周翔,双绞合钢丝加筋网夹层系统的路用性能研究[J].华北水利水电大学学报:自然科学版,2021,42(1):89-94.

[7] 陈飞,张林艳,李先延,天然纤维沥青混合料研究与应用进展[J].应用化工,2022,51(5):1472-1479.

[8] 孟杰,唐晓亮.不同纤维对沥青混合料性能影响分析[J].化工新型材料,2023,51():584-587.

[9] 沈涛,周宁.基于劈裂试验的新旧路面拼接界面黏结性能研究[J].应用化工,2022,51():171-174.

[10] 呙润华,张海虎.考虑层间接触状态的沥青路面力学性能分析[J].科学技术与工程,2022,22(25):11203-11211.

[11] 黄立葵,冯晓东,夏爱辉,沥青路面结构层间加筋性能试验研究[J].铁道科学与工程学报,2023,20(2):600-610.

[12] LEE S Y, PHAN T M, PARK D W. Evaluation of carbon grid reinforcement in asphalt pavement[J]. Construction and Building Materials, 2022, 351: 128954.

[13] CUI Q, FENG Z G, SHEN R T, et al. Piezoresistive response of self-sensing asphalt concrete containing carbon fiber[J]. Construction and Building Materials, 2024, 426: 136121.

[14] RAGNI D, CANESTRARI F, ALLOU F, et al. Shear-torque fatigue performance of geogrid-reinforced asphalt interlayers[J]. Sustainability, 2020, 12(11): 4381.

[15] LEE J H, BAEK S B, LEE K H, et al. Long-term performance of fiber-grid-reinforced asphalt overlay pavements: A case study of Korean national highways[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), 2019, 6(4): 366-382.

[16] ZHU S Y, XU Z R, QIN X T, et al. Fiber-reinforcing effect in the mechanical and road performance of cement-emulsified asphalt mixtures[J]. Materials, 2021, 14(11): 2779.

[17] WALUBITA L F, NYAMUHOKYA T P, KOMBA J J, et al. Comparative assessment of the interlayer shear-bond strength of geogrid reinforcements in hot-mix asphalt[J]. Construction and Building Materials, 2018, 191: 726-735.

[18] DANSOU A, MOUHOUBI S, CHAZALLON C, et al. Modelling of the fatigue cracking resistance of grid reinforced asphalt concrete by coupling fast BEM and FEM[J]. Road Materials and Pavement Design, 2023, 24(3): 631-652.

[19] 赵子斌,孙红,赵丽平.改性碳纤维增强聚苯乙烯泡沫混凝土的制备及其性能研究[J].塑料科技,2022,50(3):33-36.

[20] 张志萍,董建明.玻璃纤维增强再生沥青混合料性能研究[J].公路,2023,68(9):80-87.

[21] 张抒幻,吴金荣,张涛.钢渣粉/聚酯纤维沥青混合料水稳定性研究[J].科学技术与工程,2023,23(2):785-793.

[22] 李靖,曹海波,任海生.玄武岩纤维增韧环氧沥青及其混合料性能研究[J].公路,2024,69(9):285-290.

[23] 董俊杰,邬燕,张伟,玄武岩纤维对高RAP掺量热再生沥青混合料路用性能的影响[J].化工新型材料,2024,52():289-293.

[24] 张垚,颜子超,康爱红,高寒大温差条件下玄武岩纤维沥青混合料低温性能研究[J].实验技术与管理,2024,41(5):92-98.

[25] 栾利强,余和德,文双寿,玄武岩纤维对聚氨酯改性沥青混合料水稳定性提升研究[J].化工新型材料,2024,52(5):269-273.

[26] 杨程程,柳力,刘朝晖,基于分子动力学的偶联剂接枝改性玄武岩纤维与沥青黏附特性研究[J].材料导报,2024,38(6):274-280.

[27] 林明安,林加剑.高温和冻融后玄武岩纤维筋力学性能研究[J].铁道工程学报,2023,40(8):18-22.

基金资助

陕西省科技厅创新能力支撑计划(2022TD-06)