木質(zhì)素纖維分散特性對(duì)SMA性能影響研究

李紅英

(鄭州市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南鄭州450001)

近20年來(lái)，隨著我國(guó)公路建設(shè)的飛速發(fā)展，各省公路里程呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，較多省份進(jìn)入“大會(huì)戰(zhàn)”階段，瀝青路面的建設(shè)里程也急劇增長(zhǎng)。其中SMA路面由于其優(yōu)良的高低溫、水穩(wěn)定性以及抗滑特性等路用性能逐漸成為高等級(jí)公路上面層首選方案[1-3]。木質(zhì)素纖維作為SMA混合料的關(guān)鍵組成材料，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響著SMA混合料性能的發(fā)揮。近年來(lái)，由于相較傳統(tǒng)絮狀木質(zhì)素纖維具有不易結(jié)團(tuán)、方便運(yùn)輸與投放計(jì)量等優(yōu)點(diǎn)，顆粒狀木質(zhì)素纖維逐漸得到廣泛應(yīng)用[4-6]。一般地，由于室內(nèi)瀝青混合料拌和設(shè)備限制，SMA混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)先將顆粒纖維進(jìn)行打散后拌和使用，所有設(shè)計(jì)參數(shù)均基于木質(zhì)素纖維完全分散狀態(tài)下的參數(shù)優(yōu)選?，F(xiàn)場(chǎng)拌和樓生產(chǎn)時(shí)，拌和過(guò)程僅為幾十秒，而現(xiàn)有研究大部分均基于木質(zhì)素纖維完全分散狀態(tài)進(jìn)行，木質(zhì)素纖維分散狀態(tài)如何以及與室內(nèi)試驗(yàn)分散狀態(tài)一致性對(duì)混合料性能影響仍有待研究[7-8]。

本文擬采用5種不同木質(zhì)素纖維分散狀態(tài)下SMA混合料，分別進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)以及水穩(wěn)定性、高低溫穩(wěn)定性與抗滑特性等對(duì)比研究，以了解木質(zhì)素纖維分散性對(duì)SMA混合料性能影響。

1 原材料

1.1 瀝青

研究用瀝青采用東海牌SBS（I-D）改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見表1，各指標(biāo)均滿足公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）要求。

表1 東海牌SBS（I-D）改性瀝青檢測(cè)指標(biāo)Table 1 Testing indexes of Donghai brand SBS (I-D)modified asphalt

1.2 集料及級(jí)配組成

試驗(yàn)選用SMA-13級(jí)配，細(xì)集料為0～2.36 mm規(guī)格，采用石灰?guī)r細(xì)集料；粗集料分為4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm兩檔，采用玄武巖粗集料；礦粉為石灰?guī)r研磨礦粉，合成級(jí)配見表2。

表2 SMA-13合成級(jí)配Table 2 SMA-13 synthetic gradation

1.3 木質(zhì)素纖維

SMA-13配合比設(shè)計(jì)選用進(jìn)口顆粒狀木質(zhì)素纖維，摻量為混合料質(zhì)量0.3%。為設(shè)定不同木質(zhì)素纖維分散狀態(tài)的混合料，采用100%、75%、50%、25%、0五種摻量分散率。其中100%分散狀態(tài)表示為將100%預(yù)分散纖維同集料加入混合料中拌和使用；75%分散狀態(tài)表示為將75%預(yù)分散纖維、25%未分散木質(zhì)素纖維同集料加入混合料中拌和使用；其它摻量表示類同。

2 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)影響

2.1 馬歇爾試驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)雙面擊實(shí)50次進(jìn)行SMA-13馬歇爾試驗(yàn)，以顆粒狀木質(zhì)素纖維分散率為100%時(shí)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。配合比設(shè)計(jì)確定最佳油石比為6.0%，其余分散率以該油石比為基準(zhǔn)進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知：（1）隨著分散率降低，混合料空隙率、礦料間隙率逐漸降低，飽和度逐漸增加。這是由于隨著分散率下降，可有效吸附瀝青的木質(zhì)素纖維含量降低，導(dǎo)致SMA混合料中多余瀝青填充混合料內(nèi)部空隙，使得空隙率、礦料間隙率降低，飽和度增加。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)木質(zhì)素纖維分散率降低至50%以下時(shí)，混合料已不滿足3.5%的規(guī)范下限要求。而在木質(zhì)素纖維分散率降低至75%以下時(shí)，礦料間隙率已不滿足≥17%要求，表示此時(shí)混合料內(nèi)部已不具備足夠空間摻入瀝青。（2）隨著分散率降低，SMA-13混合料穩(wěn)定度逐漸降低、流值則呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是由于分散的木質(zhì)素纖維具有“吸附、穩(wěn)定、加筋”等作用，隨著可有效吸附瀝青的木質(zhì)素纖維含量降低，導(dǎo)致混合料中集料表面瀝青“潤(rùn)滑”作用加強(qiáng)，力學(xué)穩(wěn)定性能逐漸減弱。

表3 不同分散率混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Marshall test results of mixtures with different dispersion rates

2.2 析漏損失

為達(dá)到SMA混合料呈現(xiàn)的瀝青瑪蹄脂碎石結(jié)構(gòu)，SMA混合料常使用較大摻量瀝青，而在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)參數(shù)確定時(shí)，若瀝青含量過(guò)大將導(dǎo)致集料間自由瀝青膜過(guò)厚，進(jìn)而降低混合料各項(xiàng)性能。析漏損失作為SMA瀝青混合料的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要用于評(píng)價(jià)SMA混合料中是否含有多余瀝青，用于確定瀝青最大用量。按照上述確定的5種分散率進(jìn)行混合料析漏試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度采用185℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同分散率下析漏試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Leakage test results under different dispersion rates

由圖1可知：隨著木質(zhì)素纖維分散率的降低，SMA-13混合料析漏損失呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。這是由于隨著分散率的降低，混合料中瀝青與纖維組成的有效瀝青膠漿含量降低，瀝青膠漿黏度增效功能降低，導(dǎo)致瀝青損失增多。當(dāng)分散率降低至50%時(shí)，混合料析漏損失已不能滿足規(guī)范＜0.1%要求。

綜上可得出，木質(zhì)素纖維的分散狀態(tài)對(duì)SMA混合料性能指標(biāo)具有較大影響，良好的預(yù)分散是進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。換言之，若瀝青拌和樓攪拌設(shè)備不能有效對(duì)木質(zhì)素纖維進(jìn)行分散，導(dǎo)致生產(chǎn)配合比與目標(biāo)配合比呈現(xiàn)較大差異，將較易出現(xiàn)混合料質(zhì)量隱患，進(jìn)而影響SMA路用性能。

3 SMA性能影響試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水穩(wěn)定性

水損害作為瀝青路面最常見的早期損壞，主要表現(xiàn)為在循環(huán)荷載-水耦合作用下混合料重復(fù)的收縮、膨脹，當(dāng)達(dá)到一定限制時(shí)出現(xiàn)微裂縫，繼續(xù)循環(huán)作用導(dǎo)致瀝青膠漿與集料逐漸剝離進(jìn)而引起路面損壞，產(chǎn)生網(wǎng)裂、掉粒以及坑槽等各種病害。目前室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)主要采用浸水馬歇爾試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行表征，二者相比后者引入-16℃的低溫處理環(huán)節(jié)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果一般較為接近，且較易達(dá)到規(guī)范要求，部分試件浸水強(qiáng)度比甚至可能大于100%。為此本文采用考慮低溫穩(wěn)定性的凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行表征，將水穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性進(jìn)行綜合考慮，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同分散率下SMA混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Freeze-thaw splitting test results of SMA mixture under different dispersion rates

由圖2可知：

（1）隨著木質(zhì)素纖維分散率的降低，劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度二者絕對(duì)強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。這是由于有效分散纖維的減小，瀝青膠漿“加筋”作用減弱，膠漿與集料粘附強(qiáng)度減小，集料-膠漿組成的混合料在有、無(wú)水條件下抵抗荷載能力降低。

（2）隨著木質(zhì)素纖維分散率的降低，凍融劈裂強(qiáng)度比無(wú)明顯的變化規(guī)律。這是由于凍融劈裂強(qiáng)度比為相對(duì)指標(biāo)，反映凍融劈裂強(qiáng)度相對(duì)劈裂強(qiáng)度的衰減狀況，而凍融后混合料性能影響因素較多。一方面隨著木質(zhì)素纖維分散率降低劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度均減小，同時(shí)由馬歇爾試驗(yàn)可知混合料空隙率、礦料間隙率減小，多余瀝青可在一定程度上填充混合料空隙，阻止水浸入混合料中，在一定程度上可略微提高混合料抵抗水損害性能。因此采用劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性時(shí)，考慮凍融劈裂強(qiáng)度比時(shí)也應(yīng)考慮劈裂強(qiáng)度與凍融劈裂強(qiáng)度二者絕對(duì)強(qiáng)度大小，以避免出現(xiàn)凍融劈裂強(qiáng)度比較大而劈裂強(qiáng)度與凍融劈裂強(qiáng)度均較小現(xiàn)象。

3.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能作為重要的路用性能指標(biāo)，一般采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行體現(xiàn)，具體表征指標(biāo)有45min、60min變形量以及由此推算的動(dòng)穩(wěn)定度（DS）等。良好的高溫穩(wěn)定性可以抵抗路面車轍以及預(yù)防推移、擁包等病害。前期探索性試驗(yàn)表明，當(dāng)試驗(yàn)溫度采用規(guī)范規(guī)定60℃時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度均較高且差異較小，為突出比較木質(zhì)素纖維分散率對(duì)SMA-13高溫穩(wěn)定性影響，選取車轍試驗(yàn)溫度為70℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同分散率下的車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Rutting test results under different dispersion rates

由圖3可知，隨著木質(zhì)素纖維分散率的降低，SMA-13混合料動(dòng)穩(wěn)定度顯著減小，相對(duì)變形則逐漸增大。一般地，SMA混合料高溫穩(wěn)定性普遍高于AC類混合料，除級(jí)配影響因素外，SMA混合料由于纖維的加入，使得瀝青成為“瀝青-纖維”組合體，纖維對(duì)瀝青的加筋作用可以顯著提高瀝青的黏性及軟化點(diǎn)等性能，進(jìn)而可以提高SMA抵抗高溫的變形能力。隨著分散率的減小，SMA中有效加筋瀝青含量降低、自由瀝青含量增加，高溫加載條件下多余瀝青在混合料內(nèi)部重組加劇，進(jìn)而引起抗變形性能降低。

3.3 抗滑性能

路面抗滑性能作為公路安全性關(guān)鍵指標(biāo)，其大小對(duì)公路行車安全至關(guān)重要。文獻(xiàn)顯示，瀝青構(gòu)造深度可分為宏觀與微觀兩種，其中微觀主要受集料表面特性以及路表瀝青或?yàn)r青膠漿組成影響；宏觀構(gòu)造則主要受到瀝青混合料級(jí)配特性影響，如SMA類斷級(jí)配混合料構(gòu)造深度一般大于AC類混合料，SMA-16混合料構(gòu)造深度一般大于MA-13混合料。目前瀝青路面常用的抗滑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有構(gòu)造深度、擺值以及摩擦系數(shù)，其中摩擦系數(shù)需采用摩擦系數(shù)測(cè)試車在實(shí)體道路上進(jìn)行檢測(cè)，為此本文選用構(gòu)造深度與擺值進(jìn)行不同木質(zhì)素纖維分散狀態(tài)下混合料抗滑性能評(píng)價(jià)，試驗(yàn)采用車轍板試件進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同分散率下抗滑性能測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of anti-skid performance under different dispersion rates

由圖4可知：

（1）隨著木質(zhì)素纖維分散率降低，構(gòu)造深度顯著減小，當(dāng)分散率減小至25%時(shí)，構(gòu)造深度減小至完全分散狀態(tài)下一半左右，衰減現(xiàn)象明顯。這是由于隨著木質(zhì)素纖維分散程度降低，混合料空隙率減小、飽和度增大，自由瀝青填充混合內(nèi)部空隙，降低了混合料內(nèi)部以及表層結(jié)構(gòu)空隙，進(jìn)而降低構(gòu)造深度。

（2）隨著木質(zhì)素纖維分散率降低，擺值呈現(xiàn)略微減小趨勢(shì)，但整體降幅不大。這是由于擺值為在常溫下測(cè)試，且初始測(cè)試時(shí)表層集料為瀝青膠漿覆蓋，而常溫狀態(tài)下不同分散狀態(tài)的瀝青膠漿性能差異相對(duì)較小，進(jìn)而引起擺值變化較小。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著木質(zhì)素纖維分散率降低，SMA混合料配合比設(shè)計(jì)參數(shù)受到較大影響，其中空隙率、礦料間隙率逐漸降低，飽和度逐漸增加；穩(wěn)定度逐漸降低、流值則呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；析漏損失呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。

（2）隨著木質(zhì)素纖維分散率降低，SMA混合料劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度二者絕對(duì)強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但凍融劈裂強(qiáng)度比無(wú)明顯的變化規(guī)律。

（3）隨著木質(zhì)素纖維分散率降低，SMA混合料動(dòng)穩(wěn)定度顯著減小，相對(duì)變形則逐漸增大，表明高溫穩(wěn)定性降低。

（4）隨著木質(zhì)素纖維分散率降低，SMA混合料構(gòu)造深度顯著減小，擺值呈現(xiàn)略微減小趨勢(shì)。

綜合上述分析，木質(zhì)素纖維的分散狀態(tài)對(duì)SMA混合料性能指標(biāo)具有較大影響，良好的預(yù)分散是進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。換言之，若瀝青拌和樓攪拌設(shè)備不能有效對(duì)木質(zhì)素纖維進(jìn)行分散，導(dǎo)致生產(chǎn)配合比與目標(biāo)配合比呈現(xiàn)較大差異，將較易出現(xiàn)混合料質(zhì)量隱患，進(jìn)而影響SMA路用性能。