不同形態(tài)纖維對SMA-13 路用性能影響試驗(yàn)研究

陳闖闖CHEN Chuang-chuang；吳幫偉WU Bang-wei；劉永濤LIU Yong-tao；蔣承志JIANG Cheng-zhi；王鑫WANG Xin

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225000）

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，交通量急劇增大，且重載和超載現(xiàn)象日益嚴(yán)重，瀝青路面出現(xiàn)了大量的病害，如裂縫、車轍、坑槽等。為了改善瀝青混合料的路用性能，延長瀝青路面的使用壽命，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的解決方案，匡民明[1]、吳俊婷[2]、WEN Y[3]、鎖利軍[4]等通過添加廢橡膠粉、聚合物、天然橡膠和納米材料等對瀝青進(jìn)行改性，來提高瀝青的粘度，從而改善瀝青混合料的性能，但改性劑與基質(zhì)瀝青間的相容性存在一定的限制，使其對瀝青的改性效果存在上限；鄧乃銘[5]等通過優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來延長瀝青路面的使用壽命，但這種方法在推廣前往往需要經(jīng)過長時(shí)間的理論、試驗(yàn)和工程驗(yàn)證；丁皓[6]、Morea F[7]、Tapkin[8]、王玉林[9]等在瀝青混合料中摻入纖維來提高其內(nèi)部的粘結(jié)力，增強(qiáng)整體性能。以上方法對改善瀝青路面性能，延長瀝青路面使用壽命均有較好的效果，在瀝青混合料中摻入纖維的方法較為突出，應(yīng)用廣泛，并且有多種纖維可供選擇。現(xiàn)階段對纖維的研究主要集中在纖維的種類、纖維的長度、某種纖維的摻量等，纖維的形態(tài)對瀝青混合料的性能影響的研究較少。

基于此，本文選取木質(zhì)素纖維（絮狀和顆粒狀）和玄武巖纖維（束狀和絮狀）加入SMA-13 瀝青混合料中，通過車轍試驗(yàn)、低溫小梁試驗(yàn)、IDEAL 開裂試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)不同形態(tài)的纖維對SMA-13 瀝青混合料路用性能的影響。

1 原材料

①本研究選用型號(hào)為PG76-22 的SBS 改性瀝青，其主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1[10]。

表1 SBS 改性瀝青主要技術(shù)性能

②選用的纖維有絮狀木質(zhì)素纖維（FLF，見圖1a）、顆粒狀木質(zhì)素纖維（GLF，見圖1b）、束狀玄武巖纖維（BBF，見圖1c）和絮狀玄武巖纖維（FBF，見圖1d），其技術(shù)指標(biāo)均滿足《瀝青路面用纖維》（JT/T 533-2020）[11]。

圖1 纖維的宏觀圖像

③集料采用玄武巖和石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）[12]。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 混合料類型

本文選用SMA-13 瀝青混合料，通過摻加纖維獲取4種纖維瀝青混合料。試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

2.2 配合比設(shè)計(jì)

SMA-13 瀝青混合料級配曲線見圖2，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖2 SMA-13 設(shè)計(jì)級配曲線

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)（1）、（2）和（4）參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），試驗(yàn)（4）參照ASTM D8225-2019 中的相關(guān)規(guī)范[13]。

①車轍試驗(yàn)（T 0719-2011）。

將長300mm×寬300mm×厚50mm 的車轍板至于60℃環(huán)境下保溫5h 后，在0.7MPa 軸載的車轍試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行車轍試驗(yàn)，見圖3。

圖3 車轍試驗(yàn)

②低溫小梁彎曲試驗(yàn)（T 0715-2011）。

將車轍板切割成尺寸250mm×30mm×35mm 的試樣，將試樣置于UTM-25 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載試驗(yàn)，環(huán)境溫度為-10℃，試驗(yàn)機(jī)的加載速率為50mm/min，見圖4。

圖4 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

③IDEAL 試驗(yàn)。

在25℃的試驗(yàn)環(huán)境下，將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件（直徑150mm，高62mm）置于UTM-25 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行IDEEAL 開裂試驗(yàn)，加載速率為50mm/min，見圖5。

圖5 IDEAL 試驗(yàn)

④凍融劈裂試驗(yàn)（T 0729-2000）。

馬歇爾試件雙面擊實(shí)50 次，第一組試件進(jìn)行常規(guī)劈裂強(qiáng)度測試，第二組試件進(jìn)行-18℃保溫16h+60℃浸泡24h 的凍融處理后再測試劈裂強(qiáng)度，并計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比，見圖6。

圖6 凍融劈裂試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖7 所示，玄武巖纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度普遍高于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，說明玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，這是因?yàn)樾鋷r纖維相比木質(zhì)素纖維有更好的物理性能、力學(xué)性能和抗拉性能。由于絮狀木質(zhì)素纖維吸油率高且拌合過程加筋效果好，絮狀木質(zhì)素纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比顆粒狀木質(zhì)素纖維提高了8.8%，這表明不同形態(tài)的木質(zhì)素纖維對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有一定的影響。而玄武巖纖維的形態(tài)對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響則不大。

圖7 瀝青混合料高溫車轍試驗(yàn)測試結(jié)果

3.2 低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果分析

如表4 所示，從彎拉強(qiáng)度的角度來看，玄武巖纖維瀝青瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度比木質(zhì)素纖維瀝青混合料提高了約5.7%~7.7%，原因是玄武巖纖維具有較好的抗拉伸能力，在瀝青混合料中主要起“加筋”作用，可以更好的分散應(yīng)力，從而提升瀝青混合料的抗開裂能力；而木質(zhì)素纖維主要起吸附穩(wěn)定作用，抗拉能力低。FLF SMA-13 瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變比GLF SMA-13 瀝青混合料提高了3.1%，絮狀木質(zhì)素纖維的吸油率大于顆粒狀木質(zhì)素，絮狀木質(zhì)素纖維瀝青混合料的油石比相對較高，使得絮狀木質(zhì)素纖維瀝青混合料中的油膜含量較大，對混合料的老化起到了一定的阻止作用，在很大程度上降低了混合料對溫度的敏感性[14]。

表4 瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 IDEAL 試驗(yàn)結(jié)果分析

IDEAL 試驗(yàn)中，通常將開裂指標(biāo)CTIndex作為評價(jià)瀝青混合料的抗裂指標(biāo)，如圖8 所示，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂指標(biāo)明顯大于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，說明玄武巖纖維的抗開裂性能更好，這是因?yàn)樾鋷r纖維本身良好的抗拉能力能有效增強(qiáng)瀝青混合料裂縫的發(fā)展，表現(xiàn)出較好的增韌阻裂效果。不同形態(tài)的木質(zhì)素纖維瀝青混合料的抗開裂指標(biāo)差距較大，達(dá)到了17.9%，主要是因?yàn)樾鯛钅举|(zhì)素纖維瀝青混合料“拉絲”現(xiàn)象較為明顯，其“加筋”效果好于顆粒狀木質(zhì)素纖維瀝青混合料，由此抵抗裂縫的能力更好。而束狀玄武巖纖維瀝青混合料的開裂指標(biāo)比絮狀玄武巖纖維瀝青混合料僅提升了4.6%，說明不同形態(tài)的玄武巖纖維對瀝青混合料的抗開裂性能影響不大。

圖8 瀝青混合料開裂指標(biāo)測試結(jié)果

3.4 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

凍融劈裂強(qiáng)度比是評價(jià)瀝青混合料抵抗水損壞能力的關(guān)鍵指標(biāo)，如圖9 所示，不同纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比均大于規(guī)范要求的80%，整體來說，玄武巖纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性較好，但提升效果不明顯，其劈裂強(qiáng)度比比木質(zhì)素纖維瀝青混合料僅提升了1.4%~3.4%。同樣的不同形態(tài)的木質(zhì)素纖維瀝青混合料和不同形態(tài)的玄武巖纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比相差也不大，僅為0.9%和1.1%。這說明無論是纖維的種類還是纖維的形態(tài)對瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響不大。

圖9 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)測試結(jié)果

4 結(jié)語

①玄武巖纖維對SMA-13 瀝青混合料路用性能的改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，主要體現(xiàn)在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、中溫抗開裂性、水穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)模量上。②在高溫穩(wěn)定性和中溫抗開裂性方面，木質(zhì)素纖維的形態(tài)對瀝青混合料的影響較大，對低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的影響不大。而玄武巖纖維的形態(tài)對瀝青混合料的性能基本沒有影響。③木質(zhì)素纖維的形態(tài)對瀝青混合料性能有一定的影響，玄武巖纖維的形態(tài)對瀝青混合料的影響不大。