玄武巖纖維SMA的動(dòng)水沖刷試驗(yàn)分析

近年來，隨著交通荷載和渠化交通的急劇加重，SMA瀝青混合料路面破壞程度越來越嚴(yán)重。本文依托2017年湛徐高速公路路面病害處置工程項(xiàng)目，通過兩種不同纖維的SMA-13的瀝青混合料試驗(yàn)，研究玄武巖纖維對優(yōu)化級配后的SMA瀝青混合料經(jīng)過動(dòng)水沖刷的影響程度。

SMA瀝青混合料原材料與級配設(shè)計(jì)

瀝青

瀝青是SMA瀝青混合料的重要組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響混合料的使用耐久性。SMA瀝青混合料對瀝青的質(zhì)量要求較高，原材料瀝青應(yīng)具有較高的黏度，一般使用PG分級的改性瀝青，以保證SMA瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂及抗水損害的性能。在瀝青選擇方面，主要依據(jù)《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的性能指標(biāo)要求，以及地區(qū)所在氣候分區(qū)的氣候特點(diǎn)與氣候條件對路面的要求為依據(jù)，本文瀝青選擇為PG76-22的SBS改性瀝青。

石料選擇

石料品質(zhì)是SMA瀝青路面品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。本試驗(yàn)在石料選擇上，要求石料壓碎值小于15%，相比規(guī)范要求降低了5%；石料磨光值不小于44PSV，相對規(guī)范提高了2PSV；加工特性方面，為了減少針片狀，采用反擊破工藝，并混合料針片狀不大于12%。

纖維

試驗(yàn)中采用的纖維是長度為6mm的短切絲玄武巖礦物纖維和路用木質(zhì)素纖維。玄武巖礦物纖維是經(jīng)高溫從玄武巖中抽取的纖維短切而成的，而玄武巖本身又是一種高性能的火山巖，具有良好的物理化學(xué)性能（比表面積大、表面浸潤性好、工作溫度范圍大、水穩(wěn)定性好等）和力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度大、彈性模量高、抗老化與疲勞性能好等）。

SMA級配優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了獲得良好的骨架級配，同時(shí)又能擁有優(yōu)異的密實(shí)結(jié)構(gòu)，確保所設(shè)計(jì)的SMA材料能夠獲得更理想的綜合路用性能特別是骨架穩(wěn)定性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用CAVF級配設(shè)計(jì)法，通過計(jì)算，最大程度地發(fā)揮粗集料的嵌擠密實(shí)作用，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的級配，如表1所示。

SMA瀝青混合料配合比試驗(yàn)

未添加纖維時(shí)最佳油石比的確定

該實(shí)驗(yàn)采用了最廣泛的馬歇爾法，對瀝青混合料的兩面各擊實(shí)75次，制作成尺寸為Φ（106.5mm±2.0mm）×(63.5mm±1.3mm)的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，最后根據(jù)浸泡60℃恒溫水浴后的馬歇爾穩(wěn)定度，來確定SMA-13混合料的初始最佳油石比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示本文的SMA-13瀝青混合料的最佳油石比為5.5%，且其他各具體指標(biāo)均滿足要求。

添加玄武巖纖維后最佳油石比的確定及最佳纖維量的確定

該試驗(yàn)采用馬歇爾穩(wěn)定度的試驗(yàn)方法確定瀝青混合料的最佳纖維量。根據(jù)以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，SMA中纖維的最佳摻量范圍一般為集料重量的0.1%～0.3%。設(shè)計(jì)不同油石比通過改變纖維摻入量來確定最佳油石比與最佳纖維用量。玄武巖纖維設(shè)計(jì)用量范圍為0%～0.5%。本節(jié)最終確定添加木質(zhì)素纖維與玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料的最佳油石比均為5.5%，兩種纖維摻入量均取0.15%。

表1 改進(jìn)的SMA級配

SMA瀝青混合料動(dòng)水沖刷試驗(yàn)與分析

水損害是瀝青路面的主要破壞原因之一，盡管SMA瀝青混合料具有優(yōu)良的綜合路用性能，但仍然避免不了早中期的水損害，因此，設(shè)計(jì)SMA瀝青混合料有必要研究其抗沖刷性能。為探究玄武巖纖維SMA瀝青混合料的抗水損害能力，本文設(shè)計(jì)3種對比試驗(yàn)：不摻加纖維、摻加0.15%木質(zhì)素纖維、摻加0.15%玄武巖纖維。根據(jù)上節(jié)確定的最佳油石比及最佳纖維摻入量，分別進(jìn)行SMA-13瀝青混合料的動(dòng)水沖刷試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

動(dòng)水沖刷試驗(yàn)原理及試驗(yàn)過程

通常模擬瀝青混合料水損害試驗(yàn)設(shè)備都是封閉的，導(dǎo)致水不能完全進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部，大多數(shù)靜水壓力試驗(yàn)，并不能有效地表征實(shí)際瀝青路面在行車荷載作用下產(chǎn)生的沖刷效果。因此，本文采用動(dòng)水沖刷設(shè)備，模擬高速行車通過瀝青路面時(shí)產(chǎn)生的交替動(dòng)水壓力以及真空吸力，此過程是一種更接近實(shí)際路面水損害過程的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖1所示。切割上節(jié)設(shè)計(jì)的SMA瀝青混合料試件并進(jìn)行動(dòng)水沖刷試驗(yàn)，如圖2所示。采用雙面鋸切割沖刷2小時(shí)后的試件，取直徑為φ100mm±2mm，高為40mm±5mm的圓柱體試件進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以劈裂強(qiáng)度表征SMA瀝青混合料沖刷后的強(qiáng)度，分別監(jiān)測摻加不同纖維的SMA瀝青混合料動(dòng)水沖刷前后的劈裂強(qiáng)度。

圖1 動(dòng)水沖刷試驗(yàn)原理

圖2 動(dòng)水沖刷試驗(yàn)

圖3 劈裂強(qiáng)度與空隙率改變率

數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，摻加纖維可以提高SMA瀝青混合料動(dòng)水沖刷前的劈裂強(qiáng)度，其中添加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料動(dòng)水沖刷前劈裂強(qiáng)度最大，動(dòng)水沖刷后仍是摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料劈裂強(qiáng)度最大。動(dòng)水沖刷前后不摻加纖維的SMA瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低28.3%，摻加木質(zhì)素纖維的SMA瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低32.3%，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低21.9%。動(dòng)水沖刷前后三種SMA瀝青混合料的空隙率均有所提高，其中不摻加纖維的SMA瀝青混合料空隙率提高28.2%，摻加木質(zhì)素纖維的SMA瀝青混合料空隙率提高25.5%，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料空隙率提高22.5%。綜合以上分析可見，摻加玄武巖纖維可以有效且顯著地提高SMA瀝青混合料的抗沖刷性能。

結(jié)語

針對優(yōu)化設(shè)計(jì)的SMA-13級配，確定添加木質(zhì)素纖維與玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料的最佳油石比為5.5%，兩種纖維摻入量均取0.15%。并且摻加0.15%的玄武巖纖維可以顯著提高SMA瀝青混合料的抗沖刷性能。