路用纖維對SMA瀝青混合料中礦料間隙率的影響

高小華 李 磊 向萌萌 馬慶偉

(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710065；2.中交一公院中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司，陜西 西安 710064； 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

路用纖維對SMA瀝青混合料中礦料間隙率的影響

高小華1李 磊1向萌萌2馬慶偉3

(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710065；2.中交一公院中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司，陜西 西安 710064； 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

通過分析SMA混合料中常用的纖維類型，比較了不同路用纖維在瀝青混合料中的使用性能，并通過馬歇爾試驗(yàn)，研究了SMA混合料礦料間隙率隨纖維種類和摻量變化的增減規(guī)律，得出了一些有意義的結(jié)論。

SMA混合料，礦料間隙率，路用纖維

0 引言

在瀝青混合料中使用增強(qiáng)纖維，已有二十多年歷史，生產(chǎn)SMA混合料時(shí)必須使用纖維穩(wěn)定劑?，F(xiàn)在纖維的種類很多，一般可分為三大類：木質(zhì)素纖維、礦物纖維和聚酯纖維，纖維是SMA混合料的重要組成成分，這與SMA中使用了較多的礦粉與瀝青結(jié)合料有關(guān)。礦料間隙率(Voids in Mineral Aggregate，VMA)是指瀝青混合料被壓實(shí)后礦料顆粒間的空隙體積占混合料總體積的百分率，包括剩余空隙體積和混合料中的有效瀝青體積，它與VV和油石比兩大指標(biāo)直接相關(guān)[1]。根據(jù)國內(nèi)外的研究來看，纖維在SMA混合料中既有一定的加筋作用，又能吸收部分瀝青，減少游離瀝青的含量，阻止泛油現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)還能增加瀝青與集料之間的粘結(jié)力，增加有效瀝青膜厚度[2]，使混合料中有效瀝青的體積增加，進(jìn)而使VMA增加。纖維摻量的變化，也會導(dǎo)致集料表面粘附瀝青膜厚度以及瀝青在混合料中分布的變化，使VMA變化[3]。本文主要總結(jié)SMA混合料中常用的纖維類型，并對SMA混合料VMA隨纖維種類和摻量變化時(shí)的增減規(guī)律進(jìn)行研究。

1 纖維的種類及技術(shù)要求

1.1 木質(zhì)素纖維

木質(zhì)素纖維是天然木材經(jīng)過化學(xué)處理得到的有機(jī)纖維。由于處理溫度達(dá)到250 ℃以上，在通常條件下是化學(xué)上非常穩(wěn)定的物質(zhì)，不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕。未經(jīng)處理的木質(zhì)素纖維也用作食品添加劑，是減肥食品，所以對人體無害，不影響環(huán)境。最先被引進(jìn)到中國的是德國JRS公司生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維。

我國對木質(zhì)素纖維的產(chǎn)品研究甚少，以美國對纖維的標(biāo)準(zhǔn)作為我國SMA混合料中纖維的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。考慮到篩分的困難，所以取消了篩分試驗(yàn)，纖維長度規(guī)定由顯微鏡觀測得到。我國規(guī)范關(guān)于木質(zhì)素纖維的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 我國關(guān)于木質(zhì)素纖維質(zhì)量技術(shù)要求

1.2 礦物纖維

在礦物纖維中，最早使用的是石棉纖維，在許多國家使用過，現(xiàn)在有的發(fā)達(dá)國家還在使用。北京市公路局在修建機(jī)場高速公路、八達(dá)嶺高速公路時(shí)使用了國產(chǎn)的石棉纖維。近年來，礦物纖維又出現(xiàn)了新的品種。美國的Fiberand公司采用玄武巖生產(chǎn)纖維，比起木質(zhì)素纖維，吸油效果稍差。

礦物纖維的技術(shù)指標(biāo)比較簡單，只規(guī)定了纖維長度、纖維厚度和顆粒組成，這是由生產(chǎn)礦物纖維的原礦性質(zhì)決定的。美國NCAT,AASHTO關(guān)于礦物纖維的質(zhì)量要求規(guī)定，我國的JTG F40-2004公路瀝青路面施工規(guī)范沒有對其作技術(shù)要求規(guī)定，在具體使用時(shí)可參照美國的標(biāo)準(zhǔn)使用。

1.3 聚合物纖維

在聚合物纖維中，聚酯纖維和丙烯酸纖維是最常用的纖維品種。相比起木質(zhì)素纖維和礦物纖維來說，各國對聚合物纖維的使用都比較少。其原因比較復(fù)雜。首先是擔(dān)心化學(xué)纖維不能承受高溫拌合，因?yàn)橛袝r(shí)候發(fā)現(xiàn)聚合物纖維在高溫時(shí)會卷曲。它是起到了改性劑的作用還是起到纖維增強(qiáng)的作用，從機(jī)理上說不清楚。另外一個(gè)主要的原因是由于聚合物纖維的價(jià)格通常要比木質(zhì)素纖維和礦物纖維高很多，有的甚至高出很多倍。所以使用聚合物纖維的時(shí)候要從性價(jià)比的觀點(diǎn)分析，慎重選擇。在我國規(guī)范中并沒有推薦使用聚合物纖維就是這個(gè)道理。聚合物纖維的性能指標(biāo)要求見表2。

表2 聚合物纖維試驗(yàn)項(xiàng)目及物化性能

2 不同纖維的比較

不同的纖維使用效果進(jìn)行綜合分析，見表3。

表3 SMA混合料中不同纖維的綜合比較

3 不同纖維對VMA的影響研究

3.1 原材料及混合料級配選擇

瀝青采用SBS(I-C)改性瀝青；粗集料(大于4.75 mm)，采用輝綠巖質(zhì)碎石，細(xì)集料(小于4.75 mm)，采用石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂；礦粉，采用石灰?guī)r質(zhì)礦粉。各種原材料滿足JTG F40-2004公路瀝青路面施工規(guī)范要求[4]。

混合料采用SMA-13級配，(9.5 mm～16 mm)∶(4.75 mm～9.5 mm)∶(0 mm～2.36 mm)∶礦粉=44%∶33%∶13%∶10%，合成級配見表4。

表4 SMA-13合成級配

3.2 馬歇爾試驗(yàn)

本文中采用木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚酯纖維和2合1纖維四種纖維(2合1纖維按木質(zhì)素纖維和聚酯纖維按質(zhì)量比2∶1摻配而成)。不同類型纖維在不同摻量下SMA混合料體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同類型纖維在不同摻量下SMA混合料體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

空隙率與纖維摻量關(guān)系圖見圖1，礦料間隙率與纖維摻量的關(guān)系圖見圖2。

VV試驗(yàn)結(jié)果分析：

1)隨著不同類型纖維摻量的增加，試件VV隨之增大，一方面說明隨著纖維摻量的增加，纖維對瀝青的吸收及吸附作用明顯，導(dǎo)致了空隙率的增大。另一方面當(dāng)纖維摻量過高時(shí)，由于纖維具有一定的韌性作用，需要占用一定的空間，同時(shí)使礦料相互接觸受阻，仍會導(dǎo)致空隙率增大。說明纖維的摻量不宜過低同時(shí)也不宜過高。

2)在同一摻量下，摻加聚酯纖維的混合料VV相對偏大，說明聚酯纖維的彈性恢復(fù)能力比其他纖維強(qiáng)，在相同的壓實(shí)功作用下對馬歇爾試件的密實(shí)效果影響較大，這也說明對于摻加聚酯纖維的SMA混合料在施工過程中，需要增大壓實(shí)功或增加壓實(shí)遍數(shù)，以確保瀝青混合料各指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3)對于礦物纖維，在摻量從0.1%增加到0.2%時(shí)，混合料的VV變化不大，這是由于礦物纖維的密度較大且吸油率較小，在摻量較小時(shí)，其對瀝青的吸收和吸附作用發(fā)揮不出來，因此導(dǎo)致空隙率變化不大。而當(dāng)摻量達(dá)到0.3%以上時(shí)，礦物纖維的吸收及吸附作用開始體現(xiàn)，空隙率增大幅度明顯。

VMA試驗(yàn)結(jié)果分析：

1)隨著纖維摻量的增加，VMA呈遞增趨勢。在同一摻量下，混合料VMA的大小順序?yàn)椋耗举|(zhì)素纖維>2合1纖維>聚酯纖維>礦物纖維。其中木質(zhì)素纖維和2合1纖維對應(yīng)的VMA差距最小，說明在滿足間隙率要求方面，這兩種纖維均有良好的表現(xiàn)。礦物纖維對應(yīng)的VMA最小，當(dāng)其摻量在0.5%時(shí)，混合料的VMA才達(dá)到16.5%左右，而對應(yīng)的空隙率偏高為4.2%，究其原因是礦物纖維的密度相對最大，比表面積最小，吸油率也最小，因此導(dǎo)致混合料中有效瀝青用量對其摻量的變化敏感度較小，混合料間隙率的提高在很大程度上只能通過提高空隙率這一途徑來實(shí)現(xiàn)。

2)摻加木質(zhì)素纖維和2合1纖維對應(yīng)的VMA差距最小，說明在滿足間隙率要求方面，這兩種纖維均有良好的表現(xiàn)。而聚酯纖維相對稍差，主要是由于其吸油率相對前兩者較低，對瀝青的吸收和吸附能力稍差，無法吸附更多的有效瀝青來填充礦料間隙造成的。

3)我國規(guī)范中規(guī)定，木質(zhì)素纖維的摻量不宜低于0.3%，礦物纖維不宜低于0.4%。由工程實(shí)踐可得，聚酯纖維[5]和2合1纖維的摻量一般為0.3%。在上述四種纖維摻量下，VMA值的大小分別為16.8%，16.4%，16.5%和16.7%，均小于規(guī)范中規(guī)定的17.0%。

4 結(jié)語

1)在摻加同種纖維條件下，混合料的VV和VMA均隨著纖維摻量的增加而不斷增加；不同纖維在同一摻量下，混合料VMA的大小順序?yàn)椋耗举|(zhì)素纖維>2合1纖維>聚酯纖維>礦物纖維。

2)對于SMA-13混合料，木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、礦物纖維和2合1纖維四種纖維的最佳摻量分別為0.3%，0.3%，0.4%和0.3%。

3)木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、礦物纖維和2合1纖維四種纖維在各自的最佳摻量下，SMA混合料的VMA值分別為16.8%，16.5%，16.4%和16.7%，小于規(guī)范中規(guī)定的17.0%，說明規(guī)范中對VMA值的規(guī)定偏高。

[1] 苗春澤.瀝青混合料體積參數(shù)及體積設(shè)計(jì)方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[2] 張 波,李 倫.木質(zhì)素纖維穩(wěn)定劑在SMA中的作用[J].遼寧交通科技,2004(11):61-62.

[3] 楊明忠.SMA路面中各種纖維應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,15(2):29-31.

[4] JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術(shù)[S].

[5] 任 旭.纖維瀝青混合料性能室內(nèi)試驗(yàn)研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2012.

Influencing research of road fiber to Voids in Mineral Aggregate(VMA)of SMA mixture

GAO Xiao-hua1LI Lei1XIANG Meng-meng2MA Qing-wei3

(1.ShaanxiHighwayEngineeringConsultingLimitedCompany,Xi’an710065,China;2.CCCCRuitongRoadandBridgeMaintenanceScienceandTechniqueCo.,Ltd,CCCCFirstHighwayEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710064,China; 3.Xi’anHighwayResearchInstitute,Xi’an710065,China)

By analyzing commonly fiber types in SMA mixture to compared the performance of different fibers in the asphalt mixture. By marshall experiment, study the Voids in Mineral Aggregate rule change with the fiber type and dosage varies of SMA mixture. It has obtaimed some significative conclusion.

SMA mixture， Voids in Mineral Aggregate， road fiber

1009-6825(2014)22-0113-03

2014-05-12

高小華(1976- )，男，高級工程師； 李 磊(1979- )，男，工程師； 向萌萌(1989- )，男，助理工程師； 馬慶偉(1984- )，男，碩士，工程師

TU535

A