SMA瀝青混合料均勻性和路用性能研究

張 翠 梅

(北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053)

·建筑材料及應(yīng)用·

SMA瀝青混合料均勻性和路用性能研究

張 翠 梅

(北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053)

選用木質(zhì)素纖維、礦物棉纖維和短切礦物纖維，通過室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)比分析了摻加以上三種不同纖維的SMA瀝青混合料的均勻性及路用性能，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：摻加礦物棉纖維和木質(zhì)素纖維后，SMA混合料表現(xiàn)出良好的均勻性；摻加短切礦物纖維的SMA混合料的高溫穩(wěn)定性能較好，水穩(wěn)性能較差；纖維瀝青混合料的均勻性在一定程度上影響其路用性能。

SMA，纖維，均勻性，路用性能

0 引言

瀝青混合料的均勻性是保證瀝青路面性能和使用壽命的重要因素之一，許多早期路面破壞現(xiàn)象,如水損害、車轍、泛油等,都與均勻程度有很大關(guān)系[1，2]。截至目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)瀝青混合料的均勻性展開了很多方面的研究，如通過數(shù)字圖像技術(shù)分析瀝青混合料中集料的分布狀態(tài)，通過研究瀝青混合料中空隙的分布來(lái)研究路面的離析狀況等，均取得較好的成果[3-5]。

本文選取SMA瀝青混合料為研究對(duì)象，分別對(duì)其摻加短切礦物纖維、礦物棉纖維和木質(zhì)素纖維，對(duì)以上三種瀝青混合料的均勻性分別進(jìn)行性能分析，并且測(cè)試其相應(yīng)纖維瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)，探討SMA瀝青混合料的均勻性以及路用性能。

1 材料性能

1.1 原材料性能

試驗(yàn)采用90號(hào)重交道路石油瀝青，通過室內(nèi)剪切乳化機(jī)制備摻加5%SBS的改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。三種纖維分別為玄武巖礦物棉纖維，短切玄武巖礦物纖維和道路用木質(zhì)素纖維，三種纖維的技術(shù)指標(biāo)見表2。集料選用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)石灰?guī)r，填料為石灰石礦粉。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表2 纖維的技術(shù)性質(zhì)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

SMA混合料的配合比設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范[6]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，同時(shí)確定木質(zhì)素纖維的摻量比為0.3%，礦物纖維和礦物棉纖維的摻量比同為0.4%。在各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足要求的前提下，得到SMA的級(jí)配見表3。按照試驗(yàn)規(guī)程[7]規(guī)定，采用馬歇爾試驗(yàn)法確定瀝青混合料的最佳油石比，并通過肯塔堡飛散實(shí)驗(yàn)和謝倫堡析漏實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，其結(jié)果見表4。

表3 SMA-16級(jí)配設(shè)計(jì)

表4 最佳油石比和馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 混合料均勻性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 空隙率

瀝青混合料的均勻程度直接關(guān)系到其力學(xué)性能和使用壽命，對(duì)纖維瀝青混合料亦是如此[8-10]。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究指出，瀝青混合料均勻性與空隙率變異性之間存在較好的線性關(guān)系，均勻性越好，馬歇爾試件空隙率的變異程度越??；反之變異程度越大[11]。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)摻加不同纖維的SMA瀝青混合料分別制備馬歇爾試件，并測(cè)試空隙率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

表5 空隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從瀝青混合料的空隙率變異系數(shù)看，摻加木質(zhì)素纖維的SMA瀝青混合料最好，摻加礦物棉纖維的SMA次之，摻加短切礦物纖維的SMA較差。

2.2 截面顆粒分布

每種纖維瀝青混合料隨機(jī)選取三個(gè)試件，并沿中截面切割，觀察混合料內(nèi)部情況。數(shù)碼相機(jī)拍攝試件的截面照片,選取典型截面如圖1所示。

若混合料分布是均勻的，則各檔粒徑的集料在截面上各區(qū)域內(nèi)的位置分布及分布數(shù)量應(yīng)該是均勻的，彭勇等學(xué)者選取截面上瀝青混合料的均勻性指標(biāo)D來(lái)評(píng)價(jià)[12]。D=dH+dV，其中，dV為瀝青混合料水平方向的均勻性；dH為瀝青混合料垂直方向的均勻性。d=η×∑ki×(ri+ti),其中，ti為截面上第i檔集料在不同區(qū)域里的數(shù)量分布狀況參數(shù)；η為與級(jí)配相關(guān)的系數(shù)；ri為截面上第i檔集料的重心與幾何中心的距離偏差率；ki為截面上第i檔集料的面積比，ki=ai/a，a為截面上各檔集料的總面積,ai為截面上第i檔集料的面積。D數(shù)值越小，則其對(duì)應(yīng)的瀝青混合料均勻性越好。本研究中，選取同一種級(jí)配形式，按集料顆粒截面面積大小選取四檔粗集料(16 mm,13.2 mm,9.5 mm,4.75 mm)，并分析其分布的均勻性，建立坐標(biāo)系，以試件幾何中心為原點(diǎn)，將試件截面平均分成四個(gè)象限，計(jì)算三種混合料的截面信息，如表6所示。

表6 SMA混合料均勻性指標(biāo)

由表6所示的均勻性指標(biāo)D可以看出，摻加礦物棉纖維的SMA混合料的均勻性為最好，摻加木質(zhì)素纖維的SMA次之，摻加短切礦物纖維的SMA較差。

綜上所述，結(jié)合瀝青混合料的空隙率變異系數(shù)和截面顆粒分布均勻性指標(biāo)可知，摻加礦物棉纖維及摻加木質(zhì)素纖維的SMA混合料的均勻性相當(dāng)，均優(yōu)于摻加短切礦物纖維的SMA。這與成型后瀝青混合料的表觀狀態(tài)相一致。由于短切纖維直徑較大，呈束狀分布，室內(nèi)攪拌工藝很難將其分散，從而導(dǎo)致試件內(nèi)部纖維分散不均，試件表面甚至有少量纖維抱團(tuán)現(xiàn)象，很大程度上影響了短切礦物纖維SMA混合料的均勻性。

3 混合料路用性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

瀝青混合料路用性能實(shí)驗(yàn)根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的方法，分別進(jìn)行SMA混合料的高溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表7。水穩(wěn)定性檢驗(yàn)的方法采用浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)和凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，浸水馬歇爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用殘留穩(wěn)定度(MS0)表示；凍融劈裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用劈裂強(qiáng)度比(TSR)表示。高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)方法采用馬歇爾試驗(yàn)及車轍試驗(yàn)，馬歇爾試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果用馬歇爾穩(wěn)定度MS表示，車轍試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果用動(dòng)穩(wěn)定度DS表示。

表7 SMA的路用性能試驗(yàn)結(jié)果

從表7的試驗(yàn)結(jié)果得出，摻加木質(zhì)素纖維和礦物棉纖維的SMA混合料呈現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性，摻加短切礦物纖維的SMA混合料的水穩(wěn)定性不佳，但高溫穩(wěn)定性最好。短切纖維的吸濕性較大，親水性表現(xiàn)的較為明顯，在水穩(wěn)定性能的試驗(yàn)中，瀝青混合料需長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，甚至于冰凍的環(huán)境下，使得水分子沿著短切纖維的界面，形成類似管道的通道，將水分子導(dǎo)向混合料內(nèi)部，導(dǎo)致瀝青與集料的粘結(jié)力下降，最終降低了殘留穩(wěn)定度(MS0)；瀝青混合料真空飽水并輔以凍融作用后，進(jìn)入混合料空隙中的水分發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力對(duì)空隙壁有破壞作用，從而導(dǎo)致凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)摻加礦物棉纖維，短切礦物纖維及木質(zhì)素纖維的SMA混合料的均勻性及路用性能試驗(yàn)分析，得到了如下結(jié)論：

1)摻加礦物棉纖維及木質(zhì)素纖維的SMA混合料的均勻性良好，均優(yōu)于摻加短切礦物纖維的SMA混合料；

2)摻加礦物棉纖維及摻加木質(zhì)素纖維的SMA混合料的水穩(wěn)定性較好，摻加短切礦物纖維則表現(xiàn)出不良的水穩(wěn)定性；高溫穩(wěn)定性的結(jié)果顯示，摻加短切礦物纖維的SMA最好，摻加礦物棉纖維的SMA次之，摻加木質(zhì)素纖維的SMA略低；

3)SMA混合料的均勻性指標(biāo)并不是影響混合料的路用性能的決定因素，同時(shí)，均勻性差的SMA混合料的路用性能也不一定差，反之亦成立。

[1] 沙慶林.高速公路瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 張 雷.基于細(xì)觀分析的瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文,2008.

[3] 劉 丹,付其林.瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)研究[J].交通科技，2007(4):77-79.

[4] 林 輝.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的粗集料形狀特征量化研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)碩士論文,2007:11-14.

[5] E. Masad, V.K. Jandhyala. Characterization of Air Void Distribution in Asphalt Mixes Using X-Ray Computed Tomography[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2002(3):122-129.

[6] JTG F40—2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[7] JTJ 052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8] 徐 剛,趙麗華,趙 晶.玄武巖礦物纖維改善瀝青混合料性能研究[J].公路,2011(6):167-171.

[9] 吳少鵬,葉群山,劉志飛.礦物纖維改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性研究[J].公路交通科技,2008(11)：84-85.

[10] 封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[11] 彭 勇,孫立軍,董瑞琨.瀝青混合料均勻性評(píng)價(jià)新方法的探討[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(2)：106-107.

[12] 彭 勇.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)瀝青混合料均勻性指標(biāo)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,2005.

Research of uniformity and road performance of SMA mixture

Zhang Cuimei

(BeijingGuodaotongHighwayDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100053,China)

This article selected the lignin fiber, short cut mineral fiber and mineral cotton fiber, through the indoor test analyzed the uniformity and road performance of SMA mixture that added above three kinds of different fibers. Contrast test results show that: after adding mineral cotton fiber and lignin fiber, the uniformity of SMA mixture showed good, adding chopped mineral fiber, SMA mixture has better high temperature stability and poor water stability performance, the uniformity of the fiber asphalt mixture had a certain extent affect to the road performance.

SMA， fiber, uniformity, road performance

2014-12-13

張翠梅(1981- ),女，工程師

1009-6825(2015)06-0107-03

U214.75

A