木質(zhì)顆粒纖維在SMA中的分散性評(píng)價(jià)與影響因素

張晨晨 錢(qián)振東 牛 巖 王旭東

(1東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心, 南京 210096)(2交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

SMA是由瀝青、礦粉和纖維等組成的瀝青瑪蹄脂來(lái)填充粗集料骨架間隙的一種典型骨架密實(shí)瀝青混合料，具有良好的高溫抗車(chē)轍能力、低溫抗裂能力、耐疲勞性、水穩(wěn)性及抗滑性能，自1960年代問(wèn)世以來(lái)在國(guó)內(nèi)外高等級(jí)路面中得到廣泛應(yīng)用[1-3].木質(zhì)顆粒纖維相比于木質(zhì)絮狀纖維具有不易潮濕、運(yùn)輸方便、投放精度高及不成團(tuán)等優(yōu)點(diǎn)，在SMA路面工程中常被采用[4-5].木質(zhì)顆粒纖維在室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)中，通常以人工分散后摻入的方式開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，并假定木質(zhì)顆粒纖維在廠拌過(guò)程中也能夠完全分散[6].然而在SMA路面工程中，由于纖維品質(zhì)不佳或拌和時(shí)間不足等原因而導(dǎo)致的纖維分散性不佳或不均勻現(xiàn)象較為常見(jiàn)，易引起SMA路面出現(xiàn)泛油、車(chē)轍及路表構(gòu)造衰減過(guò)快等病害；為保證顆粒纖維的分散性而盲目提高纖維指標(biāo)要求或延長(zhǎng)拌和時(shí)間又必將影響工程的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)性[7].國(guó)內(nèi)外關(guān)于木質(zhì)顆粒纖維的分散性定量評(píng)價(jià)方面的相關(guān)研究較少，封基良[8]采用水懸浮分離、大比重液體懸浮分離、燃燒爐分離、電子顯微鏡觀察及三氯乙烯溶解等多種手段，但均未取得較好的定量評(píng)價(jià)效果.目前在工程實(shí)踐中仍主要憑借技術(shù)人員的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)主觀定性評(píng)價(jià)木質(zhì)顆粒纖維的分散性，因此急需一種科學(xué)、有效的木質(zhì)顆粒纖維分散性檢測(cè)方法，從而為木質(zhì)顆粒纖維甄選、拌和工藝優(yōu)化及施工質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù).

本文根據(jù)纖維在瀝青混合料的作用機(jī)理，提出了有效纖維含量的概念，并基于有效纖維含量與析漏損失兩者的相關(guān)性，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種木質(zhì)顆粒狀纖維在瀝青混合料中分散性的檢測(cè)方法，研究分析纖維制粒劑、木漿來(lái)源、干拌時(shí)間、濕拌時(shí)間及拌和溫度等影響因素對(duì)木質(zhì)顆粒纖維分散性的影響.

1 木質(zhì)纖維有效含量與分散性檢測(cè)

1.1 木質(zhì)顆粒纖維有效含量與分散率

SMA混合料在拌和生產(chǎn)過(guò)程中，所添加的木質(zhì)顆粒纖維通過(guò)與礦料的撞擊、剪切及摩擦逐步從顆粒變成纖維單絲，并均勻分布于瀝青混合料中與瀝青、礦粉形成瑪蹄脂，其具體分散過(guò)程見(jiàn)圖1.每克未分散的木質(zhì)顆粒纖維其表面積僅為數(shù)平方厘米，難以發(fā)揮吸附瀝青作用；而其分散后纖維單絲數(shù)量可達(dá)數(shù)十萬(wàn)根，表面積增長(zhǎng)千倍，達(dá)0.1 m2以上[9].木質(zhì)顆粒纖維充分發(fā)揮“吸附、穩(wěn)定、提黏、增強(qiáng)、阻裂”作用，其前提是顆粒纖維能分散為纖維單絲并均布于瀝青混合料中，依靠其巨大的比表面積吸附與穩(wěn)定瀝青，增大瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的比例，保證瀝青混合料施工和易性.為了量化表征木質(zhì)顆粒纖維在瀝青混合料中的分散特性，本文將纖維有效含量Ce定義為顆粒纖維經(jīng)拌和分散后，均布于SMA混合料中充分發(fā)揮纖維吸油作用的纖維單絲含量.木質(zhì)顆粒纖維分散率P定義為木質(zhì)顆粒纖維有效含量Ce與木質(zhì)顆粒纖維實(shí)際摻量C的百分比，即P=Ce/C×100%.

圖1 木質(zhì)顆粒纖維分散過(guò)程示意圖

1.2 木質(zhì)顆粒纖維分散性評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

析漏損失是用以檢驗(yàn)SMA混合料在存貯、運(yùn)輸和鋪筑過(guò)程中自由瀝青析出量的一個(gè)重要檢測(cè)指標(biāo)，其數(shù)值大小與SMA混合料級(jí)配、油石比及纖維有效含量等因素有關(guān).根據(jù)復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理，瀝青-纖維膠漿的黏度可由愛(ài)因斯坦混合率[10]表達(dá)：

η=ηm(1+KEφf(shuō))

(1)

式中，η為瀝青-纖維復(fù)合材料的黏度；ηm為瀝青的黏度；KE為纖維的愛(ài)因斯坦系數(shù)；φf(shuō)為纖維的體積分?jǐn)?shù).由于纖維的愛(ài)因斯坦系數(shù)KE遠(yuǎn)大于礦粉的愛(ài)因斯坦系數(shù)，因此摻加少量纖維即可大幅增加瀝青瑪蹄脂黏度，從而達(dá)到增大瀝青用量和降低析漏損失的目的.

大量相關(guān)研究也表明木質(zhì)纖維的摻量與SMA混合料析漏損失成反比，且兩者可用數(shù)學(xué)模型表征[11].因此若能排除級(jí)配與油石比等其他因素對(duì)析漏損失的影響，即可通過(guò)測(cè)定廠拌SMA混合料的析漏損失Δm，根據(jù)室內(nèi)Δm-Ce模型間接計(jì)算混合料中的有效纖維含量Ce.

本文設(shè)計(jì)的基于Δm-Ce模型的木質(zhì)顆粒纖維分散率間接測(cè)試法，其核心設(shè)計(jì)思路為：① 依照拌和樓當(dāng)日生產(chǎn)的瀝青混合料的實(shí)測(cè)級(jí)配與油石比備樣以消除級(jí)配與油石比波動(dòng)的影響，按不同的有效纖維含量進(jìn)行室內(nèi)析漏試驗(yàn)，并建立析漏損失Δm與有效纖維含量Ce的數(shù)學(xué)模型.② 測(cè)定廠拌SMA混合料的析漏損失Δm,并將其代入Δm-Ce的數(shù)學(xué)模型反算有效纖維含量Ce，最終得到木質(zhì)顆粒纖維分散率P.

2 原材料與試驗(yàn)方案

2.1 瀝青與礦料級(jí)配

本試驗(yàn)瀝青選用SBS改性瀝青，粗集料為輝綠巖，細(xì)集料與礦粉為石灰?guī)r.試驗(yàn)瀝青混合料為SMA-13，設(shè)計(jì)最佳油石比為5.7%，試驗(yàn)當(dāng)日實(shí)測(cè)油石比為5.6%.SMA-13設(shè)計(jì)級(jí)配與當(dāng)日實(shí)測(cè)級(jí)配見(jiàn)表1.

表1 SMA-13瀝青混合料設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)級(jí)配

注：r為篩孔尺寸.

2.2 木質(zhì)顆粒纖維

木質(zhì)顆粒纖維為木質(zhì)絮狀纖維通過(guò)造粒工藝而形成的纖維成品.目前常見(jiàn)的造粒工藝主要分為2類(lèi)[12]：① 以瀝青等熱熔性材料為制粒劑，主要通過(guò)制粒劑的裹覆黏結(jié)作用造粒成型，其制粒劑含量一般在10%以上；② 制粒劑為非瀝青類(lèi)材料，通過(guò)添加少量無(wú)機(jī)填料、高熔點(diǎn)合成蠟或其他類(lèi)似合成物，主要依靠物理擠壓的方式造粒成型，纖維顆粒質(zhì)地相對(duì)密實(shí)堅(jiān)硬.木質(zhì)顆粒纖維按木漿材質(zhì)來(lái)源又可分為原生木漿顆粒纖維與廢紙回收木槳顆粒纖維.本試驗(yàn)采用的木質(zhì)顆粒纖維共4種，分別為德國(guó)品牌A，B與國(guó)產(chǎn)品牌C，D，其中進(jìn)口纖維材質(zhì)均為原生木漿，國(guó)產(chǎn)纖維材質(zhì)為回收木漿；纖維A，D的制粒劑為瀝青，B，C的制粒劑為非瀝青.4種木質(zhì)顆粒纖維設(shè)計(jì)摻量均為0.4%，其具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 木質(zhì)顆粒纖維技術(shù)指標(biāo)

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合依托工程的特點(diǎn)，分析制粒劑、木漿來(lái)源、干拌時(shí)間、濕拌時(shí)間與拌和溫度5種影響因素對(duì)木質(zhì)顆粒纖維分散特性的影響.其中木質(zhì)顆粒纖維為4種；干拌時(shí)間為0, 5, 10, 15 s；濕拌時(shí)間為40, 50, 60, 70 s；拌和溫度為170, 180, 190 ℃.具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3.

表3 木質(zhì)顆粒纖維分散特性試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有限纖維含量與析漏損失的關(guān)系

依照表1的實(shí)測(cè)級(jí)配和油石比進(jìn)行室內(nèi)備樣，其中木質(zhì)顆粒纖維經(jīng)人工分散后摻入，先同礦料干拌60 s后濕拌120 s，以保證所摻加的纖維在室內(nèi)拌和中均勻分散成為有效纖維.纖維添加量分別為0, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%.按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(T0732—2011)進(jìn)行析漏試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為185 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 有效纖維含量與析漏損失的關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，4種摻加不同纖維的SMA瀝青混合料的析漏損失Δm，均隨著有效纖維含量Ce的增加而快速衰減，且兩者可用指數(shù)衰減模型表征，其決定系數(shù)R2在0.971之上.Δm-Ce模型具體表達(dá)式為

Δm=a+becCe

(2)

式中,a，b，c為回歸系數(shù).4種摻加不同纖維的SMA瀝青混合料，其析漏損失排序由小到大為B，A，C，D，與木質(zhì)顆粒纖維自身吸油率相對(duì)應(yīng).木質(zhì)顆粒纖維的吸油特性主要與纖維材質(zhì)及制粒劑有關(guān)，原生木漿對(duì)瀝青的吸附和穩(wěn)固能力要高于回收廢紙木漿，而瀝青制粒在一定程度上會(huì)削弱纖維的整體吸油能力.

3.2 木質(zhì)顆粒纖維分散性結(jié)果分析

試驗(yàn)采用西筑-4000型間歇拌和樓，每盤(pán)混合料設(shè)定質(zhì)量為3 000 kg，木質(zhì)纖維通過(guò)外部自動(dòng)投放設(shè)備摻加，依照表3的試驗(yàn)方案依次逐盤(pán)拌和生產(chǎn).對(duì)生產(chǎn)的每盤(pán)瀝青混合料在不同位置取樣進(jìn)行4組平行試驗(yàn)測(cè)定析漏損失Δm，并根據(jù)對(duì)應(yīng)的Δm-Ce模型計(jì)算纖維有效含量與分散率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 木質(zhì)顆粒纖維分散率試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見(jiàn)，不同組瀝青混合料的木質(zhì)顆粒纖維有效含量與分散率存在較為明顯的差異，每組的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小且變異系數(shù)在2.1%～11.4%之間.這說(shuō)明基于Δm-Ce模型的木質(zhì)顆粒纖維分散率間接測(cè)試方法不僅能夠有效區(qū)分不同的拌和工藝和纖維材料，還具有良好的試驗(yàn)精度和可靠性.

濕拌是指礦料與瀝青共同拌和的過(guò)程，其目的是保證瀝青充分、均勻地裹附于礦料表面，提高瀝青混合料的均勻性.圖3為不設(shè)置干拌環(huán)節(jié)，在不同濕拌時(shí)間下的木質(zhì)顆粒纖維分散率結(jié)果.40 s為該拌和樓保證瀝青混合料拌和充分、無(wú)花白料的濕拌時(shí)間下限，當(dāng)濕拌時(shí)間逐步增至70 s時(shí)，木質(zhì)顆粒纖維分散率從48.6%增至81.5%.濕拌時(shí)間從40 s每增加10 s，木質(zhì)顆粒纖維分散率分別增長(zhǎng)12.6%，11.4%與8.9%，其增長(zhǎng)幅度呈減緩趨勢(shì).在拌和過(guò)程中木質(zhì)顆粒纖維隨著礦料顆粒的剪切摩擦，其分散率逐步提高.同時(shí)，礦料顆粒的棱角不斷磨損鈍化，其發(fā)揮的剪切摩擦作用逐漸減弱，因此木質(zhì)顆粒纖維分散率增幅趨緩.

圖3 不同濕拌時(shí)間的木質(zhì)顆粒纖維分散率

SMA瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程中一般設(shè)置10 s以上的干拌工藝，其目的是加速礦料的混合與纖維的分散[13].圖4為濕拌時(shí)間40 s時(shí)，在不同干拌時(shí)間下的木質(zhì)顆粒纖維分散率結(jié)果.當(dāng)干拌時(shí)間從0 s增至15 s，SMA混合料中的木質(zhì)顆粒纖維的分散率從48.6%快速提升至95.6%；干拌時(shí)間每增加5 s，木質(zhì)顆粒纖維分散率分別增長(zhǎng)18.7%，16.1%與12.2%.相比于圖3的濕拌結(jié)果，顯然干拌對(duì)提高纖維分散率更加有效.分析其原因，是由于濕拌時(shí)瀝青裹覆在礦料顆粒表面起到潤(rùn)滑作用，削弱了礦料對(duì)纖維顆粒的剪切與撞擊，從而影響木質(zhì)顆粒纖維在混合料中的分散性.

圖4 不同干拌時(shí)間的木質(zhì)顆粒纖維分散率

拌和溫度是影響瀝青混合料和易性及單位能耗的重要因素之一[14]，主要根據(jù)瀝青特性、氣候條件、運(yùn)輸距離及攤鋪厚度等因素綜合確定，一般改性瀝青SMA混合料拌和樓出料溫度在170～190 ℃之間.圖5為干拌15 s+濕拌40 s時(shí)，在不同拌和溫度下木質(zhì)顆粒纖維分散率結(jié)果.由圖5可見(jiàn)，隨著拌和溫度的增加，分散率結(jié)果并未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì).這說(shuō)明刻意提高拌和溫度除了增加能耗與排放，并不能提高木質(zhì)纖維分散率.

圖5 不同拌和溫度的木質(zhì)顆粒纖維分散率

圖6為干拌15 s+濕拌40 s時(shí)4種不同纖維的分散率結(jié)果.其中，A和D為瀝青制粒劑，B和C為非瀝青制粒劑; A和B為原生木漿，C和D為回收木漿.由圖6可見(jiàn)，4種纖維分散率排序?yàn)镃

圖6 不同品牌木質(zhì)顆粒纖維的分散率

3.3 影響因素方差分析

為了進(jìn)一步分析木漿材質(zhì)、制粒劑、干拌時(shí)間、濕拌時(shí)間及拌和溫度對(duì)木質(zhì)顆粒纖維分散率影響的顯著性，本文不考慮各因素間的交互作用，采用SPSS軟件進(jìn)行了方差分析，顯著性水平為0.05，結(jié)果如表5所示.

表5 各影響因素方差分析表

由表5可見(jiàn)，所用分析模型的F值為743.862，P值為0.029，因此該分析模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.所分析的5個(gè)影響因素按顯著性排序?yàn)椋褐屏⒏砂钑r(shí)間、濕拌時(shí)間、木漿材質(zhì)、拌和溫度；其中制粒劑、干拌時(shí)間和濕拌時(shí)間的P值小于0.05，說(shuō)明三者對(duì)木質(zhì)顆粒纖維的分散率有顯著影響；而木漿材質(zhì)與拌和時(shí)間的P值大于0.05，表明無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著相關(guān)性.

4 結(jié)論

1) SMA瀝青混合料析漏損失隨著有效纖維含量的增加而指數(shù)衰減；所設(shè)計(jì)的基于Δm-Ce模型的木質(zhì)顆粒纖維分散率測(cè)試方法，能夠有效準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)不同纖維與拌和工藝條件下SMA混合料中的木質(zhì)顆粒纖維分散特性.

2) 制粒劑是影響木質(zhì)顆粒纖維分散率的首要影響因素，以瀝青為制粒劑的木質(zhì)顆粒纖維的分散率比非瀝青制粒的木質(zhì)顆粒纖維高20%以上.

3) 延長(zhǎng)干拌與濕拌時(shí)間均能提高木質(zhì)顆粒纖維分散率，其中干拌相比濕拌對(duì)提高纖維分散率更加有效；在滿足瀝青混合料拌和均勻、無(wú)花白料的前提時(shí)，延長(zhǎng)干拌時(shí)間是提升木質(zhì)顆粒纖維分散率的最有效拌和工藝.

4) 拌和溫度與木漿材質(zhì)對(duì)木質(zhì)顆粒纖維分散率無(wú)顯著影響；采用原生木漿不能顯著提升顆粒纖維的分散率，但可大幅降低SMA混合料的析漏損失，在不考慮工程經(jīng)濟(jì)的前提下應(yīng)優(yōu)選原生木漿顆粒纖維.