復(fù)摻纖維SMA瀝青混合料路用性能分析

摘要：為確定SMA混合料中復(fù)摻纖維合理的摻配比例，文章采用不同摻配比例添加纖維穩(wěn)定劑以制備試件，開展路用性能試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：玄武巖纖維摻配比例越高，混合料高溫穩(wěn)定性越好；木質(zhì)素纖維摻配比例越高，混合料低溫穩(wěn)定性越好；摻配比例BF∶CF=2∶2時(shí)，混合料水穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)，疲勞開裂性能也較好，因此綜合考慮建議摻配比例選擇2∶2。

關(guān)鍵詞：復(fù)摻纖維；SMA瀝青混合料；路用性能；高溫穩(wěn)定性；低溫抗裂性

中圖分類號(hào)：U416.03

0 引言

近年來，我國高等級(jí)公路上重載車輛的比例不斷增加，很多早期建成的道路相繼出現(xiàn)車轍等病害，亟須改進(jìn)瀝青路面結(jié)構(gòu)，優(yōu)化混合料設(shè)計(jì)。SMA瀝青混合料具有穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)［1］，大大提升了路面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，具有良好的路用性能，廣泛應(yīng)用在高等級(jí)公路中。SMA瀝青混合料中粗骨料組成的骨架結(jié)構(gòu)可有效抵抗車轍［2］，防止路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。SMA瀝青混合料內(nèi)的瀝青瑪蹄脂具有較高的黏性［3］，可大大提升路面的低溫穩(wěn)定性，延長疲勞壽命。另外，由于骨架空隙得到了有效填充，SMA瀝青混合料防水性能好，具有良好的水穩(wěn)定性。而添加纖維可進(jìn)一步提升SMA瀝青混合料的路用性能［4］，由于不同纖維對(duì)混合料路用性能的提升效果各異，本文主要對(duì)復(fù)摻纖維的比例進(jìn)行研究。

常用的纖維主要有木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維，木質(zhì)素纖維具有穩(wěn)定性好、對(duì)瀝青吸附性強(qiáng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，而玄武巖纖維環(huán)保安全，可重復(fù)利用，但其對(duì)瀝青的吸附能力較弱。由于木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青吸附能力強(qiáng)，在瀝青混合料中摻入木質(zhì)素需適量增加瀝青用量約0.5%，而增加了瀝青用量不會(huì)增加瀝青油膜的厚度，對(duì)混合料性能的提升效果也不明顯，但會(huì)增加施工成本。而玄武巖纖維對(duì)瀝青的吸附性弱［5］，摻入瀝青混合料后反而會(huì)使瀝青用量下降。研究表明，適當(dāng)降低瀝青用量可提升摻入木質(zhì)素纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而摻入玄武巖纖維有利于提高混合料的疲勞性能，為綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，通過試驗(yàn)對(duì)復(fù)摻兩種纖維的SMA瀝青混合料路用性能開展研究。國內(nèi)外對(duì)分別添加以上兩種纖維的瀝青混合料進(jìn)行了大量研究，但對(duì)復(fù)摻纖維的研究相對(duì)較少。本文分別選取木質(zhì)素纖維（簡稱CF）和玄武巖纖維（簡稱BF），按照不同比例組合摻入SMA瀝青混合料中，通過試驗(yàn)確定各比例復(fù)摻纖維對(duì)混合料路用性能的影響，對(duì)比分析確定最佳摻配比例。

1 基礎(chǔ)原材料選擇

1.1 集料

SMA瀝青混合料中粗集料的用量大，粗集料相互嵌擠組成的骨架結(jié)構(gòu)可有效提高路面結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性。因此，所選用的粗細(xì)集料必須滿足硬度高、不易壓碎、多棱角、表面粗糙等要求，本文選用玄武巖。在主要技術(shù)指標(biāo)滿足要求的前提下，隨機(jī)選取4份試驗(yàn)樣品，分別采用網(wǎng)籃法和容量瓶法開展密度試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

1.2 礦粉

本試驗(yàn)所用礦粉選擇石灰?guī)r礦粉，取樣對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。各技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，且礦粉外觀無結(jié)團(tuán)，質(zhì)量合格。

1.3 瀝青

為保證SMA混合料高溫和低溫穩(wěn)定性，改善與礦料的粘附效果，本試驗(yàn)瀝青選擇SBS改性瀝青，取樣檢測其主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。SBS改性瀝青各主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，可用于試驗(yàn)。

1.4 纖維穩(wěn)定劑選擇

在SMA瀝青混合料中摻入一定比例的纖維穩(wěn)定劑，可起到加筋、吸附瀝青、提高路用性能的作用。木質(zhì)素纖維是從天然木材中經(jīng)過化學(xué)處理后得到的，是一種松散的絮狀纖維結(jié)構(gòu)，韌性高、化學(xué)穩(wěn)定性好，摻入SMA瀝青混合料中可吸附瀝青、提高混合料的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)選擇市場上大型廠家生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維，其基本指標(biāo)檢測結(jié)果如表4所示。

玄武巖纖維是將玄武巖破損后經(jīng)高溫加熱、快速拉制、表面浸潤后得到的［6］，生產(chǎn)過程無污染，綠色環(huán)保。玄武巖纖維適用范圍廣、強(qiáng)度高，溫度穩(wěn)定性好，可有效改善SMA瀝青混合料的高溫和低溫穩(wěn)定性能。本文所選玄武巖纖維長度為6 mm，取樣檢測其各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)對(duì)比分析，玄武巖纖維的密度、斷裂強(qiáng)度纖維長度和直徑較木質(zhì)素纖維大，但表面積、吸濕率、吸持瀝青倍數(shù)、耐高溫質(zhì)量損失均較木質(zhì)素纖維低。與木質(zhì)素纖維相比，玄武巖纖維具有較好的力學(xué)性能，而木質(zhì)素纖維可吸附更多的瀝青，可預(yù)防路面泛油，防止混合料離析。纖維穩(wěn)定劑長徑比越大，對(duì)增加瀝青黏度的效果越好，相較玄武巖纖維長徑比較大，摻入后可更好地發(fā)揮加筋增韌作用。

2 復(fù)摻纖維SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 確定纖維摻配比例

本試驗(yàn)SMA-13瀝青混合料中纖維穩(wěn)定劑按瀝青含量的4%加入，為準(zhǔn)確確定玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維的最佳摻配比例，分別選擇4∶0、3∶1、2∶2、1∶3、0∶4五種比例開展試驗(yàn)。通過初始級(jí)配制備馬歇爾試件，通過體積指標(biāo)試驗(yàn)對(duì)比分析得出礦料最佳級(jí)配，如表5所示。

2.2 確定最佳油石比

根據(jù)上述最佳級(jí)配制備馬歇爾試件，開展試驗(yàn)確定兩種纖維穩(wěn)定劑在4∶0、3∶1、2∶2、1∶3、0∶4這五種比例下的最佳油石比分別為5.86%、5.94%、6.08%和6.17%、6.24%。

3 復(fù)摻纖維SMA瀝青混合料路用性能分析

3.1 高溫穩(wěn)定性能分析

根據(jù)上述試驗(yàn)確定的SMA-13瀝青混合料配合比，按照上述兩種纖維穩(wěn)定劑的摻配比例，分別制備試件開展車轍試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

分析圖1車轍試驗(yàn)結(jié)果得出，BF∶CF為4∶0時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果最大，隨玄武巖纖維摻量的下降，動(dòng)穩(wěn)定度也隨之下降，說明玄武巖纖維可提升SMA瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。在BF∶CF為4∶0時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度實(shí)測值為6 634次/mm，而當(dāng)BF∶CF為0∶4時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度實(shí)測值為5 868次/mm，對(duì)比下降了11.5%，說明玄武巖纖維摻量對(duì)SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響較大。

3.2 低溫抗裂性能分析

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)，對(duì)不同摻配比例纖維穩(wěn)定劑的SMA混合料低溫抗裂性能進(jìn)行分析。試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。整理試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同摻配比例試驗(yàn)結(jié)果如圖2和下頁圖3所示。

分析圖2試驗(yàn)結(jié)果得出，隨木質(zhì)素纖維摻配比例的提高，抗彎拉強(qiáng)度也隨之增加，SMA混合料低溫抗裂性能不斷提高。在BF∶CF為4∶0時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度實(shí)測值為11.72 MPa，而當(dāng)BF∶CF為0∶4時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度實(shí)測值為12.99 MPa，對(duì)比提高了10.8%，說明木質(zhì)素纖維可提升SMA混合料低溫穩(wěn)定性。

分析圖3試驗(yàn)結(jié)果得出，隨木質(zhì)素纖維摻配比例的提高，最大彎拉應(yīng)變也隨之增加。在BF∶CF為4∶0時(shí)，最大彎拉應(yīng)變實(shí)測值為2 642.9 με，而當(dāng)BF∶CF為0∶4時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度實(shí)測值為3 408.2 με，對(duì)比提高了30%，說明SMA混合料低溫抗裂性能得到明顯改善。

3.3 水穩(wěn)定性能分析

水破壞是瀝青路面的主要破壞形式之一，水分被骨料吸附后造成瀝青膜脫落，出現(xiàn)松散、剝落等病害。為檢驗(yàn)復(fù)摻纖維SMA瀝青混合料的水穩(wěn)定性，分別制備試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，整理試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

分析圖4得出，隨玄武巖纖維比例的減少，浸水殘留穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)BF∶CF為2∶2時(shí)達(dá)到最高值88.89%，說明該摻配比例下SMA混合料的水穩(wěn)定性最優(yōu)。

分析圖5得出，隨玄武巖纖維比例的減少，凍融劈裂強(qiáng)度比也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)BF∶CF為2∶2時(shí)達(dá)到最高值86.17%，進(jìn)一步說明摻配比例為2∶2時(shí)SMA混合料的水穩(wěn)定性最優(yōu)。

3.4 疲勞開裂性能

混合料疲勞開裂性能檢測制備標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試件尺寸為400 mm×50 mm×50 mm，在15 ℃的試驗(yàn)條件下開展試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)整理得到試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

對(duì)比分析表6所列數(shù)據(jù)，隨應(yīng)變水平的增加，試件疲勞壽命和累計(jì)耗能均下降，隨玄武巖纖維所占比例的減少，試件疲勞壽命和累計(jì)耗能也呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)混合料中只添加玄武巖纖維時(shí)，SMA混合料疲勞壽命最高。摻配比例為3∶1和2∶2時(shí)混合料的疲勞開裂性能也較好，比例為1∶3時(shí)下降明顯，因此為改善混合料的加筋防裂效果，摻配比例建議選擇2∶2。

4 結(jié)語

為研究纖維穩(wěn)定劑不同摻配比例對(duì)SMA混合料路用性能的影響，選取原材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，分別制備試件開展一系列試驗(yàn)進(jìn)行研究，分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）隨玄武巖纖維摻量的下降，試件動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果隨之下降，只添加玄武巖纖維的試件動(dòng)穩(wěn)定度較只添加木質(zhì)素纖維的試件高11.5%，說明玄武巖纖維對(duì)SMA混合料高溫穩(wěn)定性的影響較大。

（2）根據(jù)低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果，隨木質(zhì)素纖維摻配比例的提高，抗彎拉強(qiáng)度也隨之增加，BF∶CF摻配比例從4∶0到0∶4，抗彎拉強(qiáng)度提高了10.8%，最大彎拉應(yīng)變提高了30%，說明木質(zhì)素纖維可提升SMA混合料的低溫穩(wěn)定性。

（3）在摻配比例BF∶CF為2∶2時(shí)，浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均達(dá)到最大值，說明按照該比例進(jìn)行復(fù)摻，SMA混合料的水穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)。

（4）隨玄武巖纖維所占比例的下降，SMA混合料疲勞壽命隨之下降，在摻配比例BF∶CF為2∶2時(shí)疲勞開裂性能較好，而后隨玄武巖纖維比例下降疲勞壽命下降明顯。綜合上述分析結(jié)果，建議摻配比例選擇2∶2。

參考文獻(xiàn)

［1］魏志學(xué).單摻及復(fù)摻纖維的高模量瀝青混合料路用性能研究［J］.合成材料老化與應(yīng)用，2023，52（1）：66-69.

［2］賈凱菊.復(fù)摻纖維瀝青混合料路用性能研究［J］.山東交通科技，2022（5）：46-49.

［3］張 榮，王 彬.復(fù)摻芳綸纖維和玻璃纖維再生瀝青混合料路用性能研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2021，40（8）：2 794-2 802.

［4］邱冬華，秦仁杰，劉學(xué)鵬.復(fù)合纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料路用性能研究［J］.湖南交通科技，2021，47（1）：16-20.

［5］徐詠梅，呂令釗.玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料路用性能研究［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2020，16（10）：16-19.

［6］李獻(xiàn)勇.玄武巖纖維增強(qiáng)BRA改性SMA-13瀝青混合料路用性能研究［J］.公路與汽運(yùn)，2019（6）：66-69.

收稿日期：2024-03-16

作者簡介：聶文君（1992—），工程師，研究方向：工程造價(jià)。