復(fù)合纖維改性SMA瀝青混合料路用性能及工程應(yīng)用

蘇志翔

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）是由間斷級(jí)配組成的瀝青混合料，具有良好的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。與普通密級(jí)配瀝青混合料相比，其力學(xué)強(qiáng)度、溫度穩(wěn)定性及其耐久性均有顯著優(yōu)勢，在路面使用中表現(xiàn)出優(yōu)異的路用性能[1-3]。自引進(jìn)國內(nèi)并于1993年首次在首都國際機(jī)場道路中得到應(yīng)用取得良好效果后，如今在國內(nèi)已經(jīng)得到大面積的推廣應(yīng)用[4]。從當(dāng)前國內(nèi)長期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)來看，絕大部分SMA瀝青路面工程達(dá)到預(yù)期的使用效果，然而也存在部分路面的使用壽命不足，在通車初期就出現(xiàn)車轍、泛油、裂縫等早期路面病害[5]。除施工原因外，也存在交通軸載日益增加、材料設(shè)計(jì)不足等原因。從材料設(shè)計(jì)角度而言，如何從材料組成角度提升SMA混合料路用性能，以滿足交通日益增長的需要，是當(dāng)前道路工作者研究的重點(diǎn)。

SMA混合料的材料組成具備“三多一少”的特點(diǎn)，即：粗集料多、礦粉多、瀝青多、細(xì)集料少[6]。其中，粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，而細(xì)集料、礦粉和瀝青組成的瑪蹄脂填充于骨架之中，起到支撐骨架、粘結(jié)粗集料的作用。這樣在保證混合料高溫穩(wěn)定性同時(shí)又確保其良好的低溫性能。由于SMA混合料所需瀝青用量較多，為了防止SMA混合料在軸載作用下出現(xiàn)失穩(wěn)、泛油等問題，則摻入纖維作為其混合料穩(wěn)定劑。研究表明，在瀝青混合料中添加一定量的纖維，可有效增強(qiáng)瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提升瀝青混合料的路用性能。目前在SMA瀝青混合料中，常用的纖維類型包括：玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維等等。其中，玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維應(yīng)用最為廣泛。玄武巖纖維可再生利用，纖維自身性能強(qiáng)，但吸油能力差，瀝青用量少導(dǎo)致自身纖維性能對(duì)瀝青混合料性能提升效果難以充分發(fā)揮；而木質(zhì)素纖維價(jià)格低吸附能力強(qiáng)，瀝青用量多，但纖維自身性能差，對(duì)瀝青混合料性能提升效果不顯著，且難以儲(chǔ)存及回收利用[7]。上述纖維其在經(jīng)濟(jì)性及性能方面各有優(yōu)勢，對(duì)瀝青混合料的性能提升側(cè)重點(diǎn)也有所不同。因此，在工程應(yīng)用中通常根據(jù)需要選用單種纖維摻入到SMA混合料中。倘若將玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維兩者同時(shí)摻入SMA混合料中，能實(shí)現(xiàn)揚(yáng)長避短，發(fā)揮玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維的優(yōu)勢，將極大提升當(dāng)前SMA混合料的路用性能。

鑒于此，擬采用玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維復(fù)合摻配的方式，按不同比例添加到SMA瀝青混合料中，通過室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同比例的纖維類型對(duì)SMA混合料路用性能的影響規(guī)律，并依托試驗(yàn)段對(duì)其路用性能進(jìn)行驗(yàn)證。該研究成果對(duì)提升SMA混合料使用性能具有參考意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

試驗(yàn)所用瀝青為SBS（I-C）改性瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表1所列。

表1 S BS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)一覽表

1.1.2 集料

試驗(yàn)所用粗細(xì)集料均為石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r磨制的礦粉，所用集料滿足規(guī)范技術(shù)要求。

1.1.3 纖維

試驗(yàn)所用纖維分別為木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維（見圖1），技術(shù)性質(zhì)見表2所列。試驗(yàn)時(shí)，纖維總摻量為0.3%，擬選用四種不同玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的質(zhì)量比例，分別為3∶0、2∶1、1.5∶1.5、1∶2、0∶3。

圖1 試驗(yàn)所用纖維類型圖示

表2 纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 馬歇爾配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 礦料級(jí)配

試驗(yàn)所用混合料為SMA-13，礦料級(jí)配見表3所列。

1.2.2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

不同纖維比例下SMA-13的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4所列。試驗(yàn)時(shí)，選用表3中的SMA-13級(jí)配，參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行馬歇爾配合比設(shè)計(jì)。后續(xù)室內(nèi)路用性能試驗(yàn)參照表4配合比設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行。

表3 礦料級(jí)配表

表4 不同纖維比例下馬歇爾配合比設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表

1.3 試驗(yàn)方法

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ E20—2011）中的T0719—2011車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)合纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

采用T0715—2011低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)其低溫抗裂性能。

采用T0709—2011浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、T0729—2000凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性。

采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)其抗疲勞性能，具體試驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[8]。試驗(yàn)時(shí)，采用UTM試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，加載荷載為15℃劈裂強(qiáng)度的0.3、0.5、0.7倍，試驗(yàn)溫度15℃，荷載模式為半正矢正弦波荷載、加載頻率10 Hz。試驗(yàn)實(shí)景見圖2所示·

圖2 間接拉伸疲勞試驗(yàn)之實(shí)景

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的質(zhì)量比例對(duì)SMA-13混合料路用性能影響進(jìn)行具體分析。試驗(yàn)時(shí)，分別進(jìn)行3次平行試驗(yàn)并取平均值。

2.1 高溫穩(wěn)定性

四種不同玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的質(zhì)量比例對(duì)SMA-13混合料高溫穩(wěn)定性影響如圖3所示。

圖3 不同纖維比例的S MA-13混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖3可知，隨著木質(zhì)素纖維與玄武巖纖維比例從3∶0變化至0∶3，玄武巖纖維比例逐漸增加，SMA混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨之增加。與單摻木質(zhì)素纖維SMA混合料相比，同時(shí)摻加玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例為3∶0、2∶1、1.5∶1.5、1∶2的SMA混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了13%、12%、9%、3%。結(jié)果表明，與單摻木質(zhì)素纖維SMA混合料相比，復(fù)合摻配纖維可有效提升SMA混合料的高溫抗車轍性能。此外，與木質(zhì)素纖維相比，玄武巖纖維對(duì)于SMA混合料的高溫性能提升顯著。主要原因結(jié)合表2纖維技術(shù)性質(zhì)可知，玄武巖纖維的纖維長度、直徑、抗拉強(qiáng)度及其彈性模量均更優(yōu)異，在混合料中易于形成強(qiáng)力交叉約束網(wǎng)絡(luò)，對(duì)混合料內(nèi)部集料流動(dòng)起穩(wěn)定作用。而木質(zhì)素纖維模量小，高溫作用下對(duì)瀝青混合料的穩(wěn)定效果不明顯。

2.2 低溫抗裂性

四種不同玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的質(zhì)量比例對(duì)SMA-13混合料低溫抗裂性影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例從3∶0變化至0∶3，木質(zhì)素纖維比例逐漸增加，SMA混合料抗彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變逐漸增加，混合料低溫抗裂性能不斷增強(qiáng)。與單摻玄武巖纖維SMA混合料相比，玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例為2∶1、1.5∶1.5、1∶2、0∶3時(shí)的SMA混合料的抗彎拉強(qiáng)度分別提升6%、13%、15%、19%，最大彎拉應(yīng)變分別提升4%、15%、16%、21%，低溫抗裂性能至少分別提升4%、13%、15%、19%。結(jié)果表明，與單摻玄武巖纖維SMA混合料相比，復(fù)合摻配纖維可有效提升SMA混合料的低溫抗裂性能。此外，與玄武巖纖維相比，木質(zhì)素纖維自身模量小柔韌性更好、纖維表面結(jié)構(gòu)粗糙多孔利于增強(qiáng)吸附瀝青能力、所需瀝青用量更多，有效增加瀝青與集料的界面強(qiáng)度，在荷載作用下可承受更大的彎拉變形，因此可顯著提升SMA混合料的低溫性能[9]。

圖4 不同纖維比例的S MA-13混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

2.3 水穩(wěn)定性

四種不同玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的質(zhì)量比例對(duì)SMA-13混合料水穩(wěn)定性影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例從3∶0變化至0∶3，SMA混合料的殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比隨之先增加后下降。當(dāng)兩者比例為1.5∶1.5時(shí)SMA混合料抗水損害性能最為優(yōu)異，殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比分別高達(dá)91.1%、92.3%。相比玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例為3∶0、0∶3時(shí)，1.5∶1.5復(fù)合纖維比例的SMA混合料的殘留穩(wěn)定度分別提升8%、6%，凍融劈裂強(qiáng)度比分別提升7%、5%。結(jié)果表明，與單摻纖維相比，復(fù)合纖維SMA混合料的水穩(wěn)定性提升顯著，這主要是因?yàn)閺?fù)合纖維摻配的方式充分發(fā)揮了木質(zhì)素纖維對(duì)混合料的增稠增韌效果和玄武巖纖維對(duì)混合料的加筋增加優(yōu)勢，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)而提升混合料的抗水損壞性能[10]。

圖5 不同纖維比例的S MA-13混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

2.4 疲勞性能

四種不同玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的質(zhì)量比例對(duì)SMA-13混合料抗疲勞性能影響如圖6所示。

由圖6可知，隨著應(yīng)力比的增大，SMA混合料的疲勞壽命次數(shù)隨之減少。在不同應(yīng)力比下，隨著玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例從3∶0變化至0∶3，SMA混合料的疲勞壽命次數(shù)隨之減少。與單摻木質(zhì)素纖維SMA混合料相比，不同應(yīng)力比下?lián)郊有鋷r纖維與木質(zhì)素纖維比例為3∶0、2∶1、1.5∶1.5、1∶2的SMA混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別至少提升了30%、27%、25%、10%。結(jié)果表明，單摻玄武巖纖維SMA混合料的疲勞性能最佳，單摻木質(zhì)素纖維SMA混合料的疲勞性能最差。盡管采用復(fù)合纖維比例為2∶1、1.5∶1.5的SMA混合料的疲勞性能與單摻玄武巖纖維SMA混合料疲勞性能接近，表現(xiàn)優(yōu)異。這主要是因?yàn)檫m量的玄武巖纖維的摻加可以分散荷載作用下瀝青混合料所承受的應(yīng)力，延緩試件開裂，而木質(zhì)素的的摻入則有效增加混合料的柔韌性，在荷載作用可承受更大的形變及作用次數(shù)。與單摻木質(zhì)素纖維SMA混合料相比，復(fù)摻纖維兩者相互交聯(lián)形成剛?cè)岵?jì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，約束瀝青混合料的開裂形變，從而增加SMA混合料的疲勞性能。

圖6 不同纖維比例的S MA-13混合料間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

綜上所述，與單摻纖維SMA瀝青混合料相比，復(fù)合纖維SMA混合料的綜合路用性能全面，不存在明顯缺點(diǎn)。結(jié)合性能最佳及材料經(jīng)濟(jì)性原則，推薦在SMA混合料中的玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維復(fù)摻比例為1.5∶1.5。

2.5 工程應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)及理論分析成果，依托某省道瀝青路面大中修工程，鋪筑試驗(yàn)段。

2.5.1 配合比

正常路段及試驗(yàn)段所用SMA-13混合料配合比見表5所列。正常路段及試驗(yàn)段瀝青混合料所摻纖維總量為0.3%。其中正常路段單摻玄武巖纖維，試驗(yàn)段玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的質(zhì)量比例為1.5∶1.5。

表5 試驗(yàn)段S MA-13配合比一覽表

2.5.2 路用性能

為測定工程用復(fù)合纖維瀝青混合料性能，按標(biāo)準(zhǔn)取樣方法從現(xiàn)場取樣，在試驗(yàn)室模擬施工現(xiàn)場的溫度情況成型試件，并進(jìn)行混合料水穩(wěn)定性能、高溫性能、低溫性能試驗(yàn)，結(jié)果見表6所列。

表6 試驗(yàn)段S MA-13路用性能一覽表

2.5.3 現(xiàn)場性能檢測

現(xiàn)場試驗(yàn)檢測結(jié)果見表7所列。

表7 現(xiàn)場檢測結(jié)果一覽表

通過表6、表7可知，與正常段相比，試驗(yàn)段的馬歇爾強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度稍差，但劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、低溫性能更加優(yōu)異，試驗(yàn)段路用性能滿足工程應(yīng)用的需求。

2.5.4 后期跟蹤觀察效果

K67+300—K67+800試驗(yàn)路段鋪筑完成通車后的2年內(nèi)，正常鋪筑路段的上面層已陸續(xù)產(chǎn)生不同程度的路面開裂及水損坑槽，而采用復(fù)合纖維SMA混合料的試驗(yàn)段在相同的環(huán)境及行車荷載作用下，并未出現(xiàn)車轍、開裂、坑槽等病害，路面平整度較高，工程應(yīng)用效果顯著，從實(shí)際應(yīng)用角度驗(yàn)證了復(fù)合纖維SMA混合料出色的路用效果及耐久性。

3 結(jié) 語

本文以SMA瀝青混合料為研究對(duì)象，對(duì)不同纖維比例下SMA瀝青混合料路用性能進(jìn)行研究，得出結(jié)論如下：

（1）隨著玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例從3∶0變化至0∶3，SMA混合料動(dòng)穩(wěn)定度及抗疲勞性能下降、低溫抗裂性能上升、水穩(wěn)定性呈拋物線變化。

（2）與單摻玄武巖纖維相比，玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例為2∶1、1.5∶1.5、1∶2的SMA混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別下降2%、4%、9%，抗疲勞性能分別最多下降4%、6%、14%，低溫抗裂性能分別至少提升4%、13%、15%，水穩(wěn)定性分別至少提升1%、8%、5%。

（3）與單摻木質(zhì)素纖維相比，玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維比例為2∶1、1.5∶1.5、1∶2的SMA混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升12%、9%、3%，抗疲勞性能分別至少提升27%、25%、10%，低溫抗裂性能分別最多下降14%、5%、4%，水穩(wěn)定性分別至少提升1%、5%、4%。

（4）結(jié)合整體性能及材料經(jīng)濟(jì)性最佳原則，推薦SMA混合料中的玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維復(fù)摻比例為1.5∶1.5；

（5）試驗(yàn)段應(yīng)用表明，纖維復(fù)摻比例為1.5∶1.5的SMA混合料路用效果良好。