经济的快速发展，我国基础设施建设取得巨大成就，人们对交通设施的要求已不满足于方便出行，而是对道路的行车舒适性、安全性等服务水平提出了更高的诉求。交通行业已把如何改善路面的耐久性、行车安全性作为目前努力的方向。常规密级配沥青混合料空隙率较小，平整度较好，能够保证行车的舒适性，但其排水效果一般，且随着使用年限的增加抗滑性能逐年降低，尤其多雨地区路面积水不能快速排出，严重影响行车安全。排水式沥青混合料具有降噪、排水、抑雾气、抗滑等优点，是沥青路面重要的一种结构层，尤其适用多雨地区，但其空隙率较大，往往在18%~25%之间，混合料内部结构会暴露在外界环境中，会加速沥青老化, 同时也会受到雨水特别是压力动水的冲刷，沥青胶浆极易从骨料之间脱落，影响路面路用性能和使用年限。纤维在混合料中能够起到吸附、稳定沥青的效果，相关学者21世纪初已提出将纤维掺入到排水式沥青混合料中来改善路面性能的理论。本研究选用的玄武岩纤维是一种矿物纤维，是由玄武岩通过一定工艺拉丝而成，较其他纤维具有力学性能好、物理化学稳定性强、与沥青相容性好等优点^[1]。高黏剂作为一种外加剂掺入混合料中，能够改善沥青的性能，增强骨料之间的黏韧性，能够改善排水式沥青混合料沥青胶浆易脱落的缺点。目前关于玄武岩纤维排水高黏沥青路面的研究较少，需做进一步深入研究。郭黎黎、文湘^[2]将不同比例的TPS掺入沥青混合料中，并进行了相关性能的研究，发现TPS的掺入，能够改善混合料的抗水损害、耐磨及耐久性能。Kimberly R Lyons等^[3]研究发现纤维及SBS改性剂的组合能够改善沥青胶浆的抗剥落能力。Jian-Shiuh Chen^[4]将普通沥青、聚合物改性沥青、高黏沥青及纤维以不同的掺配比例掺入到混合料中，发现掺高黏沥青及纤维的排水式沥青混合料较其他混合料整体综合性能更优。韦佑坡等^[5]研究发现，玄武岩纤维掺量为0.4%时，AC-13C沥青混合料整体路用性能最优。郝孟辉^[6]等研究发现，选用长度为6 mm, 掺量为0.3%的玄武岩纤维，AC-13C沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性分别提高了61.3%，24.9%，疲劳性能提高了2倍。OGFC开级配排水式沥青路面采用高黏剂来改善沥青与矿料之间的黏结强度，增强沥青路面的抗飞散能力已是业内常用的措施，本研究在现有研究的基础上侧重于玄武岩纤维对排水式沥青路面性能的影响研究，将LT-HVA高黏剂及玄武岩纤维掺入到排水式OGFC-13沥青混合料中，并开展高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害及抗疲劳等路用性能研究，为排水式沥青路面结构层的应用提供理论基础。

沥青的性能对沥青路面结构层的使用年限及服务水平有着关键性作用，本研究采用某石油化工有限公司生产的SBS I-D改性沥青进行研究，其主要性能指标检测结果详见表 1。

由于排水沥青路面空隙率较大，其抗水损害能力较差，本研究选用某材料科技有限公司生产的LT-HVA高黏改性剂来改善常规SBS I-D聚合物改性沥青胶浆的黏度，从而增强矿料之间的黏聚力，LT-HVA主要性能指标检测结果见表 2。

纤维在混合料中能够起到吸附、稳定沥青的作用，能够改善矿料之间的黏附性，减少沥青胶浆从空隙中剥落，改善排水沥青路面的路用性能。本研究选用的玄武岩纤维由郑州某玄武石纤有限公司生产，其型号分别为BF6 mm-12 μm，BF9 mm-12 μm，BF12 mm-12 μm，3种纤维主要技术指标试验结果见表 3。

本研究将不同掺配比例的玄武岩纤维、SBS I-D改性沥青及LT-HVA高黏剂混合制备玄武岩纤维高黏沥青，其中BF(9 mm，3%)表示纤维长度为9 mm，掺量为3%(占沥青质量)，掺配方案见表 4。已有研究表明^[7]，LT-HVA高黏度剂与SBS改性沥青的最佳掺比为8∶92。

为使玄武岩纤维充分束状分散，本研究选用叶片式沥青搅拌器制备玄武岩纤维高黏沥青试样，操作步骤如下：(1)将纤维置于105 ℃烘箱内烘至恒重。(2)加热容器至175 ℃，将一定质量流动状态的沥青倒入容器，然后按照掺配比例加入LT-HVA高黏剂，用搅拌器在(175±5)℃的温度下对上述试样进行高速剪切60 min，然后在175 ℃温度下静置1 h。(3)按照掺配比例将纤维缓慢地加入沥青中进行高速剪切10 min, 然后在175 ℃温度下静置30 min。借鉴美国SHRP方法评价沥青性能，本研究选用CVO型动态剪切流变仪检测玄武岩纤维高黏沥青的高温性能，在试验温度分别为58，64，70，76 ℃和82 ℃时测定其复数模量(G^*)、相位角(δ)及抗车辙因子(G^*/sin δ)来评价沥青的高温黏弹特性。

通过对不同BF，LT-HVA，SBSI-D掺配方案的沥青进行不同温度时的复数模量、相位角及抗车辙因子试验来评价沥青黏性及弹性变化情况，试验结果见图 1。

图 1 动态剪切试验结果 Fig. 1 Dynamic shear test result

图选项

由图 1可以得出：复数模量表征沥青在一定温度下抵抗形变的能量大小，复数模量越大，沥青抵抗形变能力越强，随着试验温度的升高，玄武岩纤维高黏沥青的G^*逐渐降低，但降低幅度逐渐减小；相同试验温度下，纤维和LT-HVA的掺入，沥青G^*有所增大，这表明纤维和LT-HVA能够改善沥青的抗剪切变形能力。

温度在58~76 ℃之间时，纤维和LT-HVA的掺入，沥青δ会降低，表明此试验条件下，沥青弹性增强，黏性降低，改善了此试验温度范围内沥青的抗变形能力；温度在76~88 ℃之间时，SBS改性沥青的δ会急剧下降，且小于同时掺有纤维和LT-HVA的SBS改性沥青，表明此试验温度范围内纤维和LT-HVA改善了沥青的黏性部分，同时也降低了沥青的弹性部分，提高了沥青的高温稳定性能。

随着试验温度的升高，不同纤维和LT-HVA掺配方案沥青的G^*/sin δ逐渐降低，但降低幅度逐渐减小。试验温度相同时，掺有纤维和LT-HVA沥青的G^*/sin δ试验结果均明显高于SBS改性沥青。纤维长度为9 mm，掺量为3%，4%时沥青所呈现出的车辙因子最大，表明纤维和LT-HVA的掺入，能够较好地改善沥青的温度敏感性，且纤维长度和掺量的不同对沥青温度敏感性的改善效果存在差异。

本研究选用OGFC-13排水式沥青混合料展开研究，粗集料分别为10~15，5~10 mm和3~5 mm玄武岩碎石，细集料为0~3 mm石灰岩石屑，填料为石灰岩磨细的矿粉。由于矿料级配设计过程中4.75 mm，9.5 mm筛孔间距较大，研究中增加了孔径为7.5 mm的方孔筛，矿料级配结果见表 5。

JTG E20—2011要求配合比设计时油石比的间隔为±0.5，本研究为更精确求取最佳油石比，在经验最佳油石比的基础上将间隔规定为±0.3。对不同玄武岩纤维规格及不同掺量的OGFC-13沥青混合料进行析漏损失、肯特堡飞散损失及马歇尔试验确定最佳油石比及马歇尔相关参数指标，析漏损失、肯特堡飞散损失试验结果分别见图 2~图 3，马歇尔试验结果见表 6。

图 2 析漏损失试验 Fig. 2 Leakage loss test

图选项

图 3 肯特堡飞散损失试验 Fig. 3 Kentburg dispersion loss test

图选项

沥青面层是一种柔性结构层，高温环境下，在车辆轴载的长期作用下易形成车辙病害，车辙、泛油、拥包是沥青路面高温稳定性差的主要表现形式^[8-11]。本研究选用60 ℃环境下的车辙试验来评价不同纤维规格及不同掺量(占混合料质量)的OGFC-13沥青混合料高温抗车辙能力，试验结果见图 4。

图 4 动稳定度试验结果 Fig. 4 Dynamic stability test result

图选项

由图 4可以得出：高黏剂及纤维的掺入能够改善OGFC-13排水沥青混合料的高温抗车辙能力；掺量相同，纤维长度为9 mm时动稳定度试验结果最优，长度相同，纤维掺量为0.3% 时动稳定度试验结果较好。这主要因为高黏剂能够改善沥青的黏度，增强沥青胶浆与矿料之间的黏结强度，限制了矿料之间的滑移，承载能力得到提高，有效改善了混合料高温环境下抵抗车辆轴载塑性变形的能力；而纤维在混合料内部形成三维乱相分布状态，同时纤维能够起到吸附、稳定沥青的效果，进一步限制矿料之间的滑移，改善了混合料的高温抗车辙能力，同时OGFC-13沥青混合料工程最大粒径为13.2 mm，粗集料在混合料中的中心间距多为6~12 mm之间，纤维过短搭接效果不明显，纤维过长及掺量较大存在搭接冗余，因此纤维长度为9 mm，掺量为0.3%时，混合料表现出更高的高温抗车辙能力。

沥青混合料对温度较为敏感，低温环境下，混合料变得硬而脆，当混合料内部的允许拉应力小于温缩应力时，沥青路面就会形成轻微裂缝，如不加以处治就会形成更为严重的块状裂缝甚至龟裂等严重病害^[12-14]。冬春季节交替时，沥青路面往往会出现很多裂缝，这些裂缝的出现是混合料低温抗开裂能力差的主要表现形式。本研究选用-10 ℃小梁弯曲试验来评价不同纤维规格及不同掺量的OGFC-13沥青混合料低温抗开裂能力，试验结果见图 5。

图 5 最大弯拉应变试验结果 Fig. 5 Maximum bending tensile strain test result

图选项

由图 5可以得出：高黏剂及纤维的掺入能够改善OGFC-13排水沥青混合料的低温抗开裂能力；掺入SBS+LT-HVA，SBS+LT-HVA+BF(6 mm，0.3%)，SBS+LT-HVA+BF(6 mm，0.4%)，SBS+LT-HVA+BF(9 mm，0.3%)，SBS+LT-HVA+BF(6 mm，0.4%)，SBS+LT-HVA+BF(12 mm，0.3%)。SBS+LT-HVA+BF(12 mm，0.4%)较OGFC-13(SBS)最大弯拉应变试验结果分别提高了8.2%，18.4%，12.2%，22.4%，14.4%，25.8%和18.0%，其中SBS+LT-HVA+BF(12 mm，0.3%)对混合料低温抗开裂能力改善效果最优。这主要因为高黏剂能够增强沥青胶浆之间的黏结强度，纤维具有吸附、稳定沥青的作用，同时纤维的掺入，沥青用量也随之增大，增加了矿料之间沥青膜的厚度，能够增加沥青胶浆的黏度，从而改善矿料之间的黏结强度，低温环境下小梁底面抵抗剪切破坏的能力随之增强。

沥青路面在车辆轮胎揉搓、紫外线及雨水冲刷等外部环境长期作用下，沥青胶浆会从矿料之间脱落，导致沥青路面出现松散甚至坑槽等病害^[15-17]。本研究选用浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比两个试验来分析不同纤维规格、不同纤维掺量的OGFC-13沥青混合料水稳定性能，试验结果分别见图 6~图 7。

图 6 浸水马歇尔残留稳定度试验结果 Fig. 6 Immersion Marshall residual stability test result

图选项

图 7 冻融劈裂残留强度比试验结果 Fig. 7 Freeze-thaw splitting residual strength ratio test result

图选项

由图 6~图 7可以得出：高黏剂及纤维的掺入能够改善OGFC-13排水沥青混合料的抗水损害能力，其中纤维掺量及长度不同时，冻融劈裂残留强度比的试验结果差别不大，而纤维长度相同，掺量为0.3%时，浸水马歇尔残留稳定度试验结果较优，整体考虑，SBS+LT-HVA+BF(9 mm，0.3%)OGFC-13沥青混合料抗水损害能力最优。这主要因为，纤维的掺入，沥青用量随之增大，飞散及析漏试验结果降低，混合料内部沥青包裹纤维，沥青胶浆黏度增加，矿料之间黏结强度增大，因此水稳定性能得到改善。

在外界环境及车辆轴载的综合重复作用下，沥青路面损伤逐渐积累，结构层整体性能下降，当作用次数超过结构层允许次数时，路面内部产生的应力就会超过结构层自身抗力而发生疲劳破坏。这主要因为结构内部存在缺陷，外力作用下会在薄弱处产生应力集中而出现轻微裂缝，外力的重复作用会使得这些轻微裂缝延伸、汇聚，结构层整体性能逐渐下降，最终发生破坏。可用疲劳破坏时所能承受的重复应力大小及作用次数来表征沥青路面抵抗疲劳破坏的能力^[18-20]。本研究选用UTM-25疲劳试验机来研究排水式沥青混合料的抗疲劳性能，试验结束条件为试件劲度模量下降50%。本研究选用650，850和1 050 με 3个应变控制水平进行试验，不同纤维规格及不同掺量的OGFC-13沥青混合料疲劳寿命和累计耗散能结果分别见图 8~图 9。

图 8 疲劳寿命试验结果 Fig. 8 Fatigue life test result

图选项

图 9 累积耗散能试验结果 Fig. 9 Cumulative dissipated energy test result

图选项

由图 8~图 9可以得出：高黏剂及纤维的掺入能够改善OGFC-13排水沥青混合料的抗疲劳性能，随着应变的增加，混合料的疲劳寿命及累积耗散能均明显逐渐降低，且不同纤维规格及不同掺量的OGFC-13降低趋势一致，相同条件下，SBS+LT-HVA+BF(9 mm，3%)OGFC-13沥青混合料抗疲劳效果最优。究其原因，纤维在混合料中三维乱相分布起到相互搭接作用，荷载作用下能够一定程度限制试件开裂；纤维掺入，增加了混合料的沥青用量，矿料间的黏附性能增强；纤维能够固定自由沥青，限制矿料相对错动，使结构层整体稳定性增加，需要更大的荷载及能量才能使其发生开裂。

通过对不同SBS改性沥青、LT-HVA高黏剂、玄武岩纤维掺配方案的OGFC-13排水式沥青混合料配合比设计及高低温性能、水稳定性能及抗疲劳等路用性能研究得出以下结论：

(1) 纤维和LT-HVA的掺入，沥青抗剪切变形能力及高温稳定性增强，温度敏感性降低；随着纤维长度及掺量的增加，沥青混合料最佳油石比逐渐增大，但对空隙率影响较小。

(2) 高黏剂及玄武岩纤维的掺入能够改善排水沥青混合料的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害及抗疲劳性能；高黏剂能够改善沥青的黏度，增强沥青胶浆与矿料之间的黏结强度，纤维具有吸附、稳定沥青的效果，沥青用量增大，增加了矿料之间沥青膜的厚度，且在沥青混合料内部呈三维乱相搭接分布，使沥青混合料稳定性增强；SBS+LT-HVA+BF(9 mm，3%)OGFC-13沥青混合料高温抗车辙、抗水损害及抗疲劳性能最优，SBS+LT-HVA+BF(12 mm，0.3%)OGFC-13沥青混合料低温抗开裂性能最优。