SMA-13瀝青混合料摻不同纖維路用性能研究

陳源剛

摘要：文章選取SMA-13型瀝青混合料為研究對(duì)象，分析摻入竹纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響，確定不同類型纖維的最佳摻量、瀝青混合料最佳油石比，開展水穩(wěn)定試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和疲勞四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料的路用性能影響不同，纖維的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能；其中，玄武巖纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能的提升較其他2種纖維顯著；竹纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能的提升優(yōu)于玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維。竹纖維屬低碳環(huán)保材料，在低溫性能、疲勞性能方面有獨(dú)特優(yōu)勢，具備工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SMA-13瀝青混合料；纖維材料路用性能；道路工程

中圖分類號(hào)：TU12? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）03-0076-04

0 引言

隨著我國高速公路的蓬勃發(fā)展，瀝青路面作為主要的鋪裝形式得到大面積推廣。由于我國交通運(yùn)輸量不斷增加，在環(huán)境因素和持續(xù)重交通荷載量的作用下，瀝青路面往往過早出現(xiàn)松散脫粒、車轍、水損害、開裂等病害現(xiàn)象，而瀝青混合料摻入纖維材料后可有效提升其各項(xiàng)性能、防止路面病害的發(fā)生，該結(jié)論已得到相關(guān)文獻(xiàn)的證實(shí)［1-3］。纖維材料主要應(yīng)用于SMA瀝青混合料中，起到減少路面破壞、延長道路使用年限的作用。目前，纖維材料在SMA瀝青混合料中應(yīng)用較多的主要是木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維。劉福軍［4］對(duì)比分析玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維改善AC-16C、SMA-13兩種瀝青混合料性能的效果，得出結(jié)論：玄武巖纖維改善瀝青混合料性能方面優(yōu)于木質(zhì)素纖維和聚酯纖維。對(duì)于聚合物化學(xué)纖維的研究，也有大量的結(jié)論可供參考［5］。礦物纖維和聚合物化學(xué)纖維造價(jià)成本較高，木質(zhì)素纖維大部分取自原木，生長周期慢，并且為積極響應(yīng)國家退耕還林及綠色生態(tài)環(huán)境環(huán)保的政策，應(yīng)盡量采用綠色環(huán)保材料。我國具有豐富的竹資源［6］，竹纖維是一種天然環(huán)保的有機(jī)纖維，具有良好的強(qiáng)度、韌性［7］、較高的耐磨性和良好的染色性。鑒于竹纖維SMA瀝青混合料路用性能的研究較少，本文以包括竹纖維在內(nèi)的3種纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料綜合性能的影響進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)選纖維種類，為工程實(shí)踐的選擇提供參考依據(jù)。

1 原材料及配合比

1.1 瀝青

本文采用SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，瀝青為國產(chǎn)品牌，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2 礦料

采用的集料來自廣西來賓市某石場，粗集料為輝綠巖、細(xì)集料為石灰石石屑，礦粉為磨細(xì)石灰石粉，性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）的要求。

1.3 纖維

本文選用的纖維有3種：玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和竹纖維。纖維外觀如圖1所示，主要技術(shù)指標(biāo)見表2、表3。

1.4 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用SMA-13型瀝青混合料，配合比設(shè)計(jì)過程參考JTGF40—2004規(guī)范要求，通過室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)最終確定無纖維SMA-13、玄武巖SMA-13、竹纖維SMA-13、木質(zhì)素SMA-13的最佳油石比分別為5.8%、6.0%、6.5%、5.9%，纖維最佳摻量分別為0.4%、0.3%、0.4%。為進(jìn)行單因素試驗(yàn)，不同纖維SMA-13瀝青混合料所采用的級(jí)配相同且級(jí)配與中值級(jí)配接近，SMA-13混合料合成級(jí)配如圖2所示。

2 路用性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)定性能

瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗(yàn)一般采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，由于凍融劈裂試驗(yàn)方法對(duì)瀝青混合料環(huán)境條件更為苛刻，因此本研究采用凍融劈裂試驗(yàn)所獲得的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR作為不同纖維SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。TSR試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4可知，摻入玄武巖纖維、竹纖維、木質(zhì)素纖維均對(duì)SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均有一定增幅效果，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了8.4%、5.7%、4.3%。纖維的摻入增強(qiáng)了瀝青混合料瀝青油膜抗剝落的能力，玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響較大，原因是玄武巖本身比竹纖維和木質(zhì)素纖維具有更好的抗拉拔力和分散性，對(duì)瀝青混合料起到加筋的作用。從提升瀝青混合料水穩(wěn)定性能的效果程度看，玄武巖纖維優(yōu)于竹纖維和木質(zhì)素纖維，竹纖維略優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

2.2 高溫性能

車轍試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬高溫狀態(tài)下實(shí)際路面混合料的情況，因此本試驗(yàn)采用車轍試驗(yàn)所獲得的動(dòng)穩(wěn)定度DS作為SMA-13瀝青混合料的高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖3。

由圖3可以直觀地看出，摻入玄武巖纖維、竹纖維、木質(zhì)素纖維均對(duì)SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能有一定的增幅效果，動(dòng)穩(wěn)定度DS比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了43.0%、26.4%、18.3%。這是纖維對(duì)瀝青混合料起到了黏附作用，纖維與瀝青的結(jié)合大幅度加強(qiáng)了混合料整體的抗變形能力，使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能得到提升。從影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的效果來看，玄武巖纖維影響程度最高，優(yōu)于竹纖維和木質(zhì)素纖維，竹纖維優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

2.3 低溫性能

采用小梁彎曲試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表6及圖4至圖6。

由圖4至圖6看出，摻入玄武巖纖維、竹纖維、木質(zhì)素纖維均對(duì)SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的增幅效果，分別表現(xiàn)在抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變方面，彎拉應(yīng)變?cè)酱?，說明瀝青混合料的抗彎拉能力越強(qiáng)，低溫抗裂能力也越強(qiáng)。3種纖維瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了20.1%、22.2%、4.8%；最大彎拉應(yīng)變比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了29.3%、33.5%、7.3%。這是因?yàn)槔w維對(duì)瀝青混合料起到了吸附和搭接作用，纖維與瀝青的結(jié)合能大幅度地增強(qiáng)混合料整體的抗變形能力，使瀝青混合料的低溫抗裂性能得到提升。從影響瀝青混合料低溫抗裂性能的效果看，玄武巖纖維和竹纖維遠(yuǎn)優(yōu)于木質(zhì)素纖維，而竹纖維略優(yōu)于玄武巖纖維，原因是竹纖維本身具有較好的韌性和恢復(fù)變形能力。

2.4 疲勞性能

采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法來評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料的抗疲勞性能，四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)再現(xiàn)性較好，試驗(yàn)中試件的破壞狀態(tài)能較好地模擬路面實(shí)際情況，在控制應(yīng)力加載方面也較為精確、可靠。試驗(yàn)方法如下：先采用輪碾法成型400 mm×300 mm×75 mm的板塊試件，再切割為380 mm×65 mm×50 mm的小梁試件，試驗(yàn)前將試件放入15 ℃的環(huán)境箱保溫至少4 h，在15 ℃的試驗(yàn)條件下，施加荷載頻率為10 Hz的連續(xù)式半正弦波荷載，疲勞四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表7。

采用單對(duì)數(shù)公式（1）確定疲勞方程參數(shù)K和n，通過參數(shù)K和n的大小，比較3種不同纖維對(duì)瀝青混合料的疲勞性能的影響效果。K值越大，代表瀝青混合料的抗疲勞性能越好，n值越大，代表瀝青混合料的疲勞壽命越容易受應(yīng)力大小的影響。應(yīng)力作用下不同纖維的疲勞方程見表8。

lgNf=Kx+nSi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由圖6和表8可知：在不同應(yīng)力作用下，3種纖維瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)力大小均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，竹纖維的單對(duì)數(shù)疲勞壽命擬合方程中K值最大，疲勞壽命次數(shù)最高，說明竹纖維的抗疲勞性能最優(yōu)，從影響瀝青混合料抗疲勞性能的效果來看，竹纖維和玄武巖纖維遠(yuǎn)優(yōu)于木質(zhì)素纖維，而竹纖維略優(yōu)于玄武巖纖維，原因是竹纖維本身具有較好的吸油性、耐磨性和自愈合作用。竹纖維表面粗糙度更大，吸油效果更好，與瀝青結(jié)合形成較強(qiáng)的裹覆力，對(duì)裂縫的擴(kuò)張產(chǎn)生約束作用，從而阻止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，并以極強(qiáng)的恢復(fù)變形能力對(duì)瀝青混合料的疲勞損傷產(chǎn)生一定的阻瀉作用和自愈合作用。

3 結(jié)論

綜上試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論。

（1）3種不同纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、高溫性能、低溫性能、疲勞性能均有不同程度的提升作用，表明3種纖維均有改善SMA-13瀝青混合料路用性能作用。

（2）在水穩(wěn)定性能、高溫性能方面，玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料＞竹纖維SMA-13瀝青混合料＞木質(zhì)素纖維SMA-13瀝青混合料；而低溫性能和疲勞性能方面，竹纖維SMA-13瀝青混合料＞玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料＞木質(zhì)素纖維SMA-13瀝青混合料。

（3）從試驗(yàn)結(jié)果看，竹纖維改善SMA-13瀝青混合料在低溫性能和疲勞性能方面優(yōu)于玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維，水穩(wěn)定性能和高溫性能處于兩種纖維之間，各項(xiàng)性能較為平衡，具備工程實(shí)踐推廣和應(yīng)用價(jià)值。

4 參考文獻(xiàn)

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