0 引言

经济的快速发展及城镇化进程的加快，客货流转时间周期逐渐缩短，这对交通基础设施的服务能力和水平提出了更高的要求。早期修建的沥青路面随着使用年限增加及道路设计期间对交通量增长趋势的预估偏差，在通车运营5年左右就出现裂缝、车辙、松散等路面病害，加之管养单位资金的不足，导致养护不到位，路面病害恶化较为严重。因此，为改善沥青路面使用年限，提高其服务水平，相关道路科研工作者对沥青路面用新材料展开了大量研究，其中玄武岩纤维(BF)作为一种矿物纤维，具有良好的物理力学性能，且与沥青混合料相容性良好，在行业内得到广泛关注^[1]。

相关学者已针对玄武岩纤维沥青混合料的性能开展了部分研究。蒋梦雅^[2]选取不同类型纤维展开沥青与纤维之间黏结强度性能研究，并评价不同类型纤维对黏结强度的影响机理。袁祖光^[3]研究表明，玄武岩纤维对排水沥青路面整体性能的改善效果优于聚合物纤维及植物纤维。李震南^[4]对玄武岩纤维沥青混合料的整体稳定性能进行研究，结果表明，玄武岩纤维的掺入，能够有效传递混合料内部应力，降低结构层开裂风险，提高沥青路面的抗裂性能。孙晓^[5]将硅藻土及玄武岩纤维掺入到混合料中制作成复合改性沥青混合料并展开相关性能研究，结果表明，硅藻土及玄武岩纤维的掺入能够显著改善沥青路面的高温抗塑性变形及低温抗开裂能力。邵先胜^[6]将不同掺量的玄武岩纤维掺入到沥青混合料当中并展开相关路用性能研究，结果表明，玄武岩纤维掺量为0.4%(占沥青混合料质量)时，AC-13C和AC-20C这2种沥青混合料整体性能最优。何东坡^[7]将不同长度的玄武岩纤维掺入OGFC-13排水沥青混合料当中并展开相关性能研究，结果表明，在合理掺量范围内，玄武岩纤维长度为6 mm时，沥青路面整体性能最优。郭庆林等^[8]将玻璃纤维及玄武岩纤维掺入到沥青混合料当中并开展抗开裂性能研究，结果表明，在工程实体应用过程中，纤维的长度不宜超过12 mm。马峰^[9]选用响应曲面设计理论对玄武岩纤维在沥青混合料中的最佳长度及掺量展开研究，结果表明，纤维长度为6 mm，掺量为6%时，沥青路面水稳定性能最优。曹学禹^[10]对TiO₂/ZnO-BF复合改性沥青混合料相关性能展开研究，结果表明，6%玄武岩纤维及4%TiO₂/ZnO的掺入能够改善沥青混合料的高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害及疲劳性能。李俊峰等^[11]对玄武岩纤维排水高黏沥青混合料性能进行研究，结果表明，玄武岩纤维长度为9 mm，掺量为0.3%的OGFC-13沥青混合料高温稳定性、水稳定值及抗疲劳性能最优, 玄武岩纤维长度为12 mm, 掺量为0.3%的OGFC-13聚合物高黏复合改性沥青混合料低温性能最优。现有研究多关注于玄武岩纤维掺量及长度对沥青路面的影响效果，而纤维单丝直径对沥青路面性能的影响研究较少。本研究将从玄武岩纤维长度、单丝直径、路用性能功效及经济功效等方面对不同级配类型沥青混合料的适用性展开研究，为玄武岩纤维沥青混合料在工程实体中的应用提供理论基础。

1 原材料及配合比设计 1.1 纤维

选用某公司生产的玄武岩纤维展开研究，包括2种长度、2种单丝直径，规格型号分别为BF17-6，BF21-6，BF17-12及BF21-12。为对比玄武岩纤维对沥青混合料性能的改善效果，选用聚酯纤维PF21-6，玻璃纤维GF17-6作为对照试验。对连续玄武岩纤维及短切玄武岩纤维开展室内相关性能试验，其主要技术指标试验结果见表 1。

1.2 沥青

沥青作为混合料的胶结材料，其性能优劣对沥青路面的路用性能及使用年限至关重要，选用高等级沥青路面常用的SBS I-D聚合物改性沥青展开研究，其主要技术指标试验结果见表 2。

1.3 配合比设计

本研究选用高等级沥青路面常用的AC-13C和AC-20C这2种密级配沥青混合料展开研究，2种混合料矿料级配设计结果见表 3。结合前期研究成果，玄武岩纤维、聚酯纤维、玻璃纤维的掺量为0.4%(占沥青混合料质量)^[1]。不同纤维掺配方案沥青混合料马歇尔试验结果见表 4。

1.4 SEM扫描试验

选用GeminiSEM 500扫描电镜对沥青内部微观结构进行1 500倍的扫描，能够直观清晰的观测到纤维在沥青内部的分布状况。将改性沥青在160 ℃的烘箱内加热1.5 h备用，然后将一定掺量的玄武岩纤维分批次加入到160 ℃的改性沥青当中，边加入边用高速剪切机以800 r/min的剪切速度剪切，待玄武岩纤维完全加入后再剪切15 min，制备得到纤维改性沥青试样。将140 ℃的改性沥青，掺有8%BF17-6，8%BF21-6(占沥青质量)的改性沥青制备成SEM试样。试样冷却后进行微观结构电镜扫描结果表明，沥青及掺有玄武岩纤维的沥青放大1 500倍后的微观形态较为清晰，掺有玄武岩纤维沥青的微观结构更为复杂，玄武岩纤维表面吸附、稳定大量沥青，在沥青中能够均匀三维乱相分布，且相互穿插、搭接，沥青不再是单相状态，而是结构变得粗糙、复杂，可以有效抑制沥青界面之间的相互滑移。

2 路用性能 2.1 高温稳定能

沥青混合料性能对温度较为敏感，高温环境下，韧性降低，塑性增强。沥青路面属于柔性结构层，其高温稳定性能受交通量、气温及车辆轴载影响较大，且作为路表结构层，直接承受车辆轴载及高温的综合作用^[12-15]。近年来，随着“温室效应”的作用，北方夏季高温天气呈现逐年增多的趋势，局部地区气温高达40 ℃以上，沥青路面多呈黑色或深褐色，具有较强吸收热量的能力，路表温度往往会超过65 ℃以上，车辆轴载作用下极易因发生塑性变形而出现车辙病害。本研究选用车辙及单轴贯入试验来评价沥青混合料的高温稳定性能。

2.1.1 车辙试验

为评价较高气温天气下沥青路面的高温抗车辙能力，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的规定制备车辙板试件，选用60、70 ℃试验温度开展车辙试验，不同纤维、不同级配类型沥青混合料车辙试验结果见图 1。

由图 1可知，随着试验温度的增加，相同级配类型、相同纤维类型混合料的动稳定度试验结果降幅显著，当试验温度为70 ℃时，未掺纤维的AC-13C和AC-20C混合料的动稳定度分别为1 834、2 047次· mm^―1，已不满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004) 中改性沥青混合料动稳定度不低于2 800次· mm^―1的技术要求；相同级配类型、相同试验温度时，掺玄武岩纤维混合料的动稳定度试验结果显著高于聚酯纤维和玻璃纤维；相同试验温度下，掺BF17-6的AC-13C混合料及掺BF17-12 AC-20C混合料动稳定度试验结果均最优，表明单丝直径为17 μm的玄武岩纤维对混合料高温性能的改善效果优于单丝直径为21 μm的玄武岩纤维，玄武岩纤维长度的选择受混合料公称最大粒径影响。究其原因，SBS I-D聚合物改性沥青的软化点一般小于70 ℃，试验温度为70 ℃时，已超出沥青的软化点温度，未掺纤维混合料的动稳定度试验结果会显著降低；纤维与热骨料拌和过程中能够以单丝直径状态均匀三维乱相分散在混合料当中，具有吸附、稳定沥青的效果，吸附沥青的纤维能够在矿料之间起到桥接的作用，增强混合料的整体稳定性能，从而改善沥青路面高温抗塑性变形能力；玄武岩纤维属于矿物纤维，其本质是玄武岩物理形态的变化，且力学性能优异，与混合料的相容性优于其他纤维，因此混合料的高温性能优于其他纤维；相同纤维掺量下，单丝直径更细的玄武岩纤维吸附、稳定沥青的效果更好，公称粒径更大的混合料需要更长纤维才能起到更强的桥接作用。

2.1.2 单轴贯入试验

为更加全面分析玄武岩纤维长度及直径对混合料性能的影响，参照JTG E20—2011的规定，选用旋转压实仪成型直径为(100±2.0)mm，高(100±2.0)mm的圆柱体试件，并依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中的规定对不同纤维、不同级配类型沥青混合料开展60 ℃单轴贯入试验来评价混合料的高温抗剪能力，试验结果分别见图 2和图 3。

由图 2和图 3可知，AC-13C，AC-20C这2种混合料60 ℃贯入强度试验结果与60、70 ℃车辙试验结果变化趋势一致，更加表明掺玄武岩纤维混合料的高温性能优于其他类型纤维，玄武岩纤维单丝直径越细, 对混合料高温性能的改善效果越优，同时需根据混合料公称最大粒径来选择合适的纤维长度。

2.2 低温抗裂性

沥青混合料低温性能受环境温度影响较大，低温环境下，沥青韧性降低，脆性增强，沥青路面开裂的风险增加。四季分明的地区，沥青用量不易过大，以防止夏季车辙病害的出现，需折中选取沥青用量以降低沥青路面在冬季出现开裂的风险。当因温度变化导致沥青路面结构层内部的温缩应力大于矿料之间的允许抗拉应力时，沥青路面就会发生细微开裂，随着外界因素的长期综合作用，这些细微开裂会恶化成肉眼可见的裂缝病害^[16-18]。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的规定成型小梁试件，选用低温小梁弯曲试验来评价不同纤维、不同级配类型沥青混合料的低温抗开裂能力，试验结果分别见图 4和图 5。

由图 4和图 5可知，混合料级配类型相同时，纤维的掺入，混合料弯曲破坏应变均得到不同程度的改善，且掺玄武岩纤维混合料的弯曲破坏应变试验结果显著高于聚酯纤维和玻璃纤维，表明纤维的掺入能够改善混合料的低温抗开裂能力，且玄武岩纤维的改善效果优于其他纤维；掺BF17-6 AC-13C混合料及掺BF17-12 AC-20C混合料的弯曲破坏应变试验结果均最优，表明单丝直径为17 μm的玄武岩纤维对混合料低温性能的改善效果优于单丝直径为21 μm的玄武岩纤维，且公称最大粒径更大的混合料需选择长度更长的玄武岩纤维。究其原因，分散后的纤维在混合料中相互交叉，呈现三维乱相分布，吸附、稳定沥青后能够提高混合料的低温韧性，改善混合料的低温性能，这种增韧效果可以抵消混合料内部应力集中效应，有效延缓沥青路面的开裂；玄武岩纤维单丝直径越细，相同掺量纤维分散后比表面积越大，吸附、稳定沥青的能力越强，宏观上混合料的弯曲劲度模量越小，柔韧性越强，低温性能越好；当混合料公称最大粒径增大时，需要更长的纤维在矿料之间起到握裹、桥接的作用。

2.3 水稳定性

水损害是多雨地区沥青路面最常见的病害形式。沥青路面在通车运营过程中会受到雨水冲刷、路面积水浸泡、结构层内部残留水冻融循环、车辆轴载及紫外线照射等综合外界因素的长期作用，沥青逐渐老化，沥青与矿料之间的黏结能力逐渐降低，沥青胶浆极易从矿料之间剥落而出现松散、坑槽等路面病害^[19-22]。本研究参照JTG E20—2011的规定成型马歇尔试件，选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来评价不同纤维、不同级配类型沥青混合料的抗水损害能力，试验结果分别见图 6~9。

由图 6~9可知，混合料级配类型相同时，纤维的掺入，混合料残留稳定度及残留强度比均得到不同程度的改善，且掺玄武岩纤维混合料的残留稳定度及残留强度比试验结果显著高于聚酯纤维和玻璃纤维，表明纤维的掺入能够改善混合料的抗水损害能力，且玄武岩纤维的改善效果优于其他纤维；玄武岩纤维单丝直径为17 μm的AC-13C和AC-20C混合料的残留稳定度及残留强度比试验结果均最优，表明单丝直径为17 μm的玄武岩纤维对混合料水稳定性能的改善效果优于单丝直径为21 μm的玄武岩纤维，而玄武岩纤维长度对混合料水稳定性能影响不大。究其原因，玄武岩纤维属于矿物纤维，且生产过程中会利用浸润剂对其表面进行处理，与混合料的相容性优于其他纤维，吸附、稳定沥青的能力更强，玄武岩纤维沥青胶浆不易从矿料之间剥落，更有利于改善沥青路面的水稳定性能；玄武岩纤维单丝直径越细，相同掺量纤维分散后比表面积越大，吸附、稳定沥青的能力越强，配合比设计时沥青用量更大，沥青胶浆在矿料之间更加稳固；相同单丝直径的玄武岩纤维，随着纤维长度的增加并未增大分散后纤维的比表面积，纤维吸附、稳定沥青的能力并未增强，因此玄武岩纤维长度的大小对沥青路面水稳定性能影响不大。

3 效益分析

功效系数法由哈灵顿教授提出，能够解决多指标条件下寻求最优解的难题。通过公式计算各个指标的单项功效系数，然后取各单项指标功效系数的平均值做为综合评分。功效系数法原理简单易理解，却具有很好的适用性，不仅可以进行经济效益评估，还可以应用到医疗、教育及工程等多个领域^[23-24]。功效系数的计算公式分别见式(1)和式(2)。

$ h_i=\frac{a_i-a_i^b}{a_i^c-a_i^b} \times 40+60, $

(1)

$ h=\frac{\sum\limits_{i=1}^n h_i}{n}, $

(2)

式中，h_i为单项指标得分；a_i为第i项指标实测值；a_i^b为不允许值；x_i^c为满意值；h为综合功效系数。

先采用此方法对不同纤维、不同级配类型沥青混合料的路用性能进行功效评分，然后进行经济功效评分，最后赋予路用性能功效系数的权重为0.7，经济功效系数的权重为0.3，计算加权评分值，从而优选出最佳的方案。

3.1 路用性能功效

选取不同纤维、不同级配类型沥青混合料的动稳定度、弯曲破坏应变、残留稳定度及残留强度比作为4个单项指标，计算各单项指标的功效系数得分，最终计算各混合料的最终路用性能功效得分，其中各单项指标的满意值、不允许值及实测值详见表 5，路用性能功效系数计算结果见表 6。

由表 6可知，相同级配类型条件下，掺玄武岩纤维混合料的路用性能功效系数均优于未掺纤维及掺聚酯纤维和玻璃纤维的混合料；相同级配类型，相同玄武岩纤维长度条件下，纤维单丝直径为17 μm混合料的路用性能功效系数优于纤维单丝直径为21 μm的混合料；不同级配类型条件下，掺BF17-6的AC-13C混合料及掺BF17-12 AC-20C混合料路用性能功效系数最优。

3.2 经济功效

目前市面上SBS I-D聚合物改性沥青的单价约为4 500元/t，矿料的单价为275元/t(生产出每吨沥青混合料的综合单价)，单丝直径17 μm的玄武岩纤维单价为11 000元/t，21 μm的单价为9 500元/t，聚酯纤维的单价为8 000元/t，玻璃纤维的单价为6 000元/t。不同纤维、不同级配类型沥青混合料经济功效系数计算公式见式(3)，每吨成品沥青混合料的单价及经济功效系数见表 7。

$ f=\frac{x_{\mathrm{h}}-x}{x_{\mathrm{h}}-x_{\mathrm{s}}} \times 40+60, $

(3)

式中，f为经济功效系数；x_h为单价不允许值；x为实际但价值；x_s为理想单价值。

由表 7可知，不同纤维、不同级配类型沥青混合料经济功效系数的计算结果大小关系刚好与路用性能功效系数的计算结果相反，表明沥青混合料综合路用性能越好，生产出每吨沥青混合料的单价越高。

3.3 整体功效

不同纤维、不同级配类型沥青混合料整体功效系数计算时选取路用性能功效系数的权重为0.7，经济功效系数的权重为0.3，计算加权评分值，从而优选出最佳的方案。整体功效系数的计算公式见式(4)，计算结果见表 8，加权功效系数大小对比见图 10和图 11。

$ E=0.7 \times h+0.3 \times f, $

(4)

式中，E为路用性能及经济加权总功效系数；h为路用性能功效系数；f为经济功效系数。

由图 10和图 11可知，相同级配类型条件下，掺BF17-6 AC-13C混合料及掺BF17-12 AC-20C混合料整体功效系数最优，表明这2种混合料从路用性能及经济性方面考虑具有较高的性价比，可大规模应用于沥青路面工程实体当中。

4 结论

本研究选用规格型号分别为BF17-6、BF21-6对AC-13C、AC-20C这2种沥青混合料的路用性能及路用性能功效、经济功效开展研究。

(1) 纤维的掺入，沥青混合料的最佳油石比会增加0.1%左右，纤维单丝直径越细增加幅度越大；分散后的玄武岩纤维表面吸附、稳定大量沥青，在沥青中能够均匀三维乱相分布，且相互穿插、搭接，可以有效抑制沥青界面之间的相互滑移。

(2) 相同级配类型下，纤维的掺入，2种沥青混合料的整体路用性能均得到显著改善，掺玄武岩纤维沥青混合料的整体路用性能优于掺聚酯纤维及玻璃纤维的混合料；相同级配类型，相同玄武岩纤维长度下，单丝直径17 μm的混合料整体路用性能优于单丝直径为21 μm的混合料；不同公称粒径的混合料需选用合适长度的玄武岩纤维来保证最优的路用性能，公称粒径越大，选用的玄武岩纤维长度越大。

(3) 掺BF17-6的AC-13C混合料及掺BF17-12的AC-20C混合料整体路用性能及功效系数最优，这2种混合料从路用性能及经济性方面考虑具有较高的性价比，可大规模应用于沥青路面工程实体当中。