纖維密度對(duì)SMA混合料體積指標(biāo)的影響研究

游小浩

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海市 200031）

纖維密度對(duì)SMA混合料體積指標(biāo)的影響研究

游小浩

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海市 200031）

采用通常用于測(cè)定非泡沫塑料密度的氣體比重瓶法測(cè)定了不同種類纖維的相對(duì)密度。通過試驗(yàn)研究了摻纖維的SMA瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度和體積指標(biāo)計(jì)算問題。結(jié)果表明，纖維參與計(jì)算后，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度和空隙率計(jì)算結(jié)果減小，有效瀝青飽和度計(jì)算結(jié)果增大。且纖維相對(duì)密度越小，對(duì)體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的影響差別越大。對(duì)摻纖維的瀝青混合料，在配合比設(shè)計(jì)體積指標(biāo)計(jì)算時(shí)，應(yīng)測(cè)定纖維相對(duì)密度，且纖維這一組分應(yīng)參與計(jì)算，不應(yīng)忽略不計(jì)。

纖維相對(duì)密度；SMA瀝青混合料；配合比設(shè)計(jì)；體積指標(biāo)

0 引言

纖維是SMA瀝青混合料的必要組成材料。目前，廣泛應(yīng)用于瀝青混合料的纖維主要有木質(zhì)素纖維、聚合物纖維和礦物纖維[1-3]。由于SMA瀝青混合料通常采用改性瀝青，且纖維的摻入會(huì)使瀝青混合料變得更黏稠，不易分散。因此，其理論最大相對(duì)密度宜采用計(jì)算法，不宜采用真空法實(shí)測(cè)[4-5]。由SMA瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γt）的計(jì)算公式[4-5]可知，它是由合成礦料的有效相對(duì)密度（γse）、瀝青相對(duì)密度（γb）、纖維相對(duì)密度（γx）和相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算確定的?，F(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范[4]和試驗(yàn)規(guī)程[5]僅指出纖維部分的比例不得忽略，纖維相對(duì)密度由供應(yīng)商提供或?qū)崪y(cè)得到，但未規(guī)定纖維相對(duì)密度的試驗(yàn)方法。交通運(yùn)輸行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[1-3]亦無纖維相對(duì)密度試驗(yàn)方法的規(guī)定。而用于瀝青混合料的木質(zhì)素纖維為絮狀或顆粒狀，聚合物纖維通常為長度6 mm左右的束狀切斷絲，礦物纖維為切斷短纖維，故不能完全適用紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行測(cè)定。

對(duì)木質(zhì)素纖維，目前尚無相對(duì)密度值和有關(guān)試驗(yàn)方法的報(bào)道。由于不同廠家生產(chǎn)木質(zhì)素纖維的原材料本身差別較大，因此實(shí)際工作中使用的木質(zhì)素纖維從顏色到性狀等差別都較大。對(duì)聚酯纖維（滌綸）、聚丙烯腈纖維（腈綸）等聚合物纖維，紡織行業(yè)不同文獻(xiàn)對(duì)其密度有不同的報(bào)道值[7-9]。但是，一方面，由于瀝青混合料用聚合物纖維與紡織行業(yè)用聚合物纖維的技術(shù)要求不同[2]，采用的合成原材料和生產(chǎn)工藝存在差別；另一方面，纖維生產(chǎn)企業(yè)為降低成本，生產(chǎn)過程中可能會(huì)復(fù)合一些其他廉價(jià)材料，導(dǎo)致纖維密度有所改變，而顏色改變卻細(xì)微，不易目測(cè)分辨[10]。因此，不宜僅根據(jù)纖維供應(yīng)商提供的纖維名稱直接引用紡織行業(yè)文獻(xiàn)的纖維密度報(bào)道值進(jìn)行計(jì)算。筆者認(rèn)為，即便纖維供應(yīng)商能提供纖維的品名和密度，從科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，公路工程試驗(yàn)檢測(cè)單位也應(yīng)對(duì)纖維相對(duì)密度進(jìn)行實(shí)測(cè)。

文獻(xiàn)[10]采用改進(jìn)的測(cè)定瀝青密度用毛細(xì)管比重瓶法測(cè)定了纖維相對(duì)密度，并探討了忽略和考慮纖維參與瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度計(jì)算兩種情況下體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的差異性，表明了測(cè)定纖維相對(duì)密度的重要性。文獻(xiàn)[10]限于篇幅，未闡述測(cè)定纖維相對(duì)密度的具體步驟。

在美國，氣體比重瓶法（gas pycnometer method）是一種測(cè)定粉末狀或顆粒狀固體材料真密度的新技術(shù)[11]。利用氣體比重瓶法原理制造的設(shè)備通常稱為全自動(dòng)真密度儀。我國制定的氣體比重瓶法標(biāo)準(zhǔn)[12]對(duì)試驗(yàn)原理做了規(guī)定，但目前主要是采用全進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格較為高昂。

本文基于氣體比重瓶法測(cè)定獲得的纖維相對(duì)密度，比較了纖維這一組分的相對(duì)密度及是否參與計(jì)算對(duì)瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度及體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的影響，以期與同行探討纖維對(duì)瀝青混合料體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果影響的重要性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 礦料

玄武巖碎石，9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm，江蘇亞邦礦業(yè)有限公司生產(chǎn)；石灰?guī)r石屑，0～2.36 mm，湖北赤壁市潤天礦業(yè)有限公司生產(chǎn)；填料，浙江湖州廣華礦業(yè)有限公司生產(chǎn)。

各規(guī)格礦料的表觀相對(duì)密度（γ'n）、毛體積相對(duì)密度（γn）及吸水率試驗(yàn)按集料試驗(yàn)規(guī)程[13]執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 各規(guī)格礦料的相對(duì)密度及吸水率試驗(yàn)結(jié)果

其中，對(duì)細(xì)集料（0～2.36 mm）的相對(duì)密度，因T 0330試驗(yàn)方法（坍落筒法）本身存在局限性，飽和面干狀態(tài)難以界定，試驗(yàn)重復(fù)性和再現(xiàn)性差[13]，因此，本試驗(yàn)采用細(xì)集料（0～2.36 mm）中篩取的大于2.36 mm部分按T 0304試驗(yàn)方法（網(wǎng)籃法）測(cè)定的相對(duì)密度代替[5]。

1.1.2 瀝青

改性瀝青：SBS（Ⅰ-D），上海浦東路橋?yàn)r青材料有限公司生產(chǎn)。瀝青相對(duì)密度（25℃）按試驗(yàn)規(guī)程[5]執(zhí)行，瀝青相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果記為：γb=1.030，無量綱。

1.1.3 纖維

為體現(xiàn)不同種類纖維對(duì)瀝青混合料體積指標(biāo)的不同影響，本試驗(yàn)選用了4種代表性的纖維，這些纖維均已應(yīng)用于上海地區(qū)。

纖維1：絮狀木質(zhì)素纖維，北京天成墾特萊科技有限公司生產(chǎn)。

纖維2：顆粒狀木質(zhì)素纖維，德國CFF集團(tuán)公司生產(chǎn)。

纖維3：聚酯纖維（滌綸），加拿大寶路特集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。

纖維4：聚丙烯腈纖維（腈綸），上海渭豐新材料有限公司生產(chǎn)。

氣體比重瓶法的基本原理[11-12]為：試樣密封在已知體積的樣品倉內(nèi)，向樣品倉通入高純度的氦氣或氮?dú)?，然后打開連通樣品倉和擴(kuò)展倉的閥門，高壓氣體從樣品倉內(nèi)擴(kuò)展到已知體積的擴(kuò)展倉內(nèi)，樣品倉和擴(kuò)展倉達(dá)到氣壓平衡，根據(jù)樣品倉和擴(kuò)展倉氣壓的變化，利用理想氣體狀態(tài)方程，獲得試樣的體積。根據(jù)試樣的質(zhì)量和獲得的體積計(jì)算試樣密度。

本試驗(yàn)采用美國麥克默瑞提克儀器公司（Micromeritics Instrument Corporation） 的AccuPyc 1330型全自動(dòng)真密度儀，測(cè)定自然狀態(tài)下（未經(jīng)烘干）的纖維相對(duì)密度，每種纖維平行試驗(yàn)4次，以4次的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

上述4種纖維相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果依次記錄為γx1、γx2、γx3、γx4，無量綱，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同纖維相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果

紡織行業(yè)部分文獻(xiàn)中聚合物纖維密度報(bào)道值見表3。

表3 紡織行業(yè)文獻(xiàn)聚合物纖維密度報(bào)道值 g/cm3

通過比較表2和表3可見，聚酯纖維、聚丙烯腈纖維采用氣體比重瓶法獲得的相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果與紡織行業(yè)文獻(xiàn)的報(bào)道值相接近。

1.2 配合比

1.2.1 礦料比例

按各規(guī)格礦料的顆粒級(jí)配（篇幅有限，不贅述），根據(jù)SMA-13瀝青混合料的合成礦料級(jí)配范圍要求[4]，以級(jí)配范圍的中值為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)配，確定各規(guī)格礦料的質(zhì)量比例，結(jié)果見表4。

表4 各規(guī)格礦料占礦料總質(zhì)量的比例

1.2.2 瀝青用量

瀝青用量（Pb），記為Pb=5.7%，換算成油石比（Pa），記為Pa=6.04%。

1.2.3 纖維摻量

纖維摻量按纖維質(zhì)量占礦料總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，記為Px=0.35%。

1.3 礦料的合成相對(duì)密度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1中各規(guī)格礦料的相對(duì)密度和表4中相應(yīng)的質(zhì)量比例，按規(guī)范[4-5]計(jì)算礦料的合成表觀相對(duì)密度（γsa）、合成毛體積相對(duì)密度（γsb）、合成礦料的吸水率（ωx）、合成礦料的瀝青吸收系數(shù)（C）及合成礦料的有效相對(duì)密度（γse），計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 礦料的合成相對(duì)密度計(jì)算結(jié)果

1.4 瀝青混合料試件成型與試驗(yàn)

擊實(shí)成型各纖維的馬歇爾試件，并測(cè)定混合料試件毛體積相對(duì)密度（γf）。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度計(jì)算結(jié)果

當(dāng)忽略纖維參與計(jì)算時(shí)，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γti）的計(jì)算公式為

當(dāng)考慮纖維參與計(jì)算時(shí)，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γti）的計(jì)算公式為[4-5]

根據(jù)表2所列的纖維相對(duì)密度（γxi）、表5所列的合成礦料的有效相對(duì)密度（γse）、瀝青相對(duì)密度（γb）、油石比（Pa）及纖維摻量（Px），按式（1）、式（2），分別計(jì)算忽略和考慮纖維參與計(jì)算兩種情況下4種摻纖維的瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γti），依次記錄為γt1、γt2、γt3、γt4，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度計(jì)算結(jié)果

由表6可見，考慮纖維參與計(jì)算后，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γti）計(jì)算結(jié)果較忽略纖維參與計(jì)算時(shí)的要小。由表2和表6可見，纖維相對(duì)密度（γxi）越小，相應(yīng)的瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γti）計(jì)算結(jié)果也越小。

2.2 瀝青混合料試件的體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

瀝青混合料試件的體積指標(biāo)空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、有效瀝青飽和度（VFA）的計(jì)算公式為[4-5]

其中，對(duì)各礦料質(zhì)量占瀝青混合料總質(zhì)量的百分率之和（Ps），計(jì)算公式為[4-5]

根據(jù)礦料質(zhì)量占瀝青混合料質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Ps）、表5所列的礦料的合成毛體積相對(duì)密度（γsb）、表6所列的瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γt）i以及試驗(yàn)測(cè)得的混合料試件毛體積相對(duì)密度（γ）f，根據(jù)式（3）～式（6），分別計(jì)算忽略和考慮纖維參與計(jì)算兩種情況下瀝青混合料試件的體積指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表7。

由表6和表7可見，考慮纖維參與計(jì)算后，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γt）i計(jì)算結(jié)果較忽略纖維參與計(jì)算時(shí)的要小。因此，按式（3），VV計(jì)算結(jié)果減小；VV計(jì)算結(jié)果減小，VMA不變，再按式（5），VFA計(jì)算結(jié)果增大。

將表7中的忽略和考慮纖維參與計(jì)算兩種情況下瀝青混合料試件的體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，變化情況見表8。

表7 瀝青混合料試件體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表8 考慮纖維參與計(jì)算后體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果變化

由表8可見，考慮纖維參與計(jì)算后，纖維相對(duì)密度（γx）i越小，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γt）i、VV和VFA計(jì)算結(jié)果改變幅度越大。例如，γx1= 1.598，VV降低了0.2%，VFA增加了1.2%；而γx4=1.197，VV降低了0.4%，VFA增加了2.4%。這是因?yàn)椋墒剑?）可知，纖維相對(duì)密度（γx）i越小，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γt）i計(jì)算結(jié)果越小，導(dǎo)致與按式（1）忽略纖維參與計(jì)算時(shí)的計(jì)算結(jié)果的差值越大，再按式（3）和式（5），進(jìn)一步影響了VV和VFA計(jì)算結(jié)果。顯然，纖維是否考慮參與計(jì)算，纖維相對(duì)密度的大小，均會(huì)導(dǎo)致體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的不同差異。

另外，對(duì)纖維4，實(shí)際上，當(dāng)考慮纖維參與計(jì)算時(shí)，VV為3.8%，是符合規(guī)范[4]要求的。實(shí)際工作中，配合比設(shè)計(jì)人員考慮到纖維摻量低（通常為瀝青混合料或礦料質(zhì)量的0.3%～0.5%），且無法獲得纖維相對(duì)密度，往往在計(jì)算瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γ）t時(shí)，對(duì)纖維這一組分予以了忽略。由表7可見，忽略纖維參與計(jì)算時(shí)，VV改變?yōu)?.2%，變?yōu)椴环?.0%～4.0%的規(guī)范要求[4]。這種假象導(dǎo)致了配合比設(shè)計(jì)人員認(rèn)為VV不符合要求，往往會(huì)通過被動(dòng)增加瀝青用量等途徑來降低VV，以滿足規(guī)范要求。這顯然會(huì)影響瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。由此可見，在某些情況下，尤其當(dāng)摻加的纖維相對(duì)密度較小時(shí)，若忽略纖維參與計(jì)算，體積指標(biāo)（如VV）計(jì)算結(jié)果的顯著改變會(huì)影響配合比是否滿足規(guī)范要求的評(píng)定。

在配合比設(shè)計(jì)中，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度（γ）t會(huì)影響體積指標(biāo)VV和VFA計(jì)算結(jié)果，VV和VFA計(jì)算結(jié)果會(huì)影響最佳瀝青用量的確定，這些體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果也是瀝青混合料配合比是否符合要求的評(píng)定依據(jù)。因此，對(duì)摻纖維的瀝青混合料，在計(jì)算瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度和體積指標(biāo)時(shí)，應(yīng)先測(cè)定纖維相對(duì)密度，且纖維這一組分應(yīng)參與計(jì)算，雖然纖維摻量低，但不應(yīng)忽略不計(jì)。

3 結(jié)論

（1）對(duì)摻纖維的瀝青混合料，纖維參與計(jì)算后，瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度和體積指標(biāo)VV計(jì)算結(jié)果減小，VFA計(jì)算結(jié)果增大。纖維相對(duì)密度越小，對(duì)體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的影響改變?cè)酱蟆?/p>

（2）在某些情況下，纖維相對(duì)密度及是否參與計(jì)算對(duì)體積指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的顯著改變會(huì)影響瀝青混合料配合比是否滿足規(guī)范要求的評(píng)定。

（3）對(duì)摻纖維的瀝青混合料，在計(jì)算瀝青混合料的理論最大相對(duì)密度和體積指標(biāo)時(shí)，纖維這一組分應(yīng)參與計(jì)算，不應(yīng)忽略不計(jì)。

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U414

A

1009-7716（2016）05-0219-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.061

2016-02-01

游小浩（1985-），男，廣東東源人，從事瀝青混合料試驗(yàn)和研究工作。