玄武巖纖維SMA的溫度穩(wěn)定性分析

文/廣東能達(dá)高等級(jí)公路維護(hù)有限公司 黃偉 林利聰

為揭示玄武巖纖維對(duì)SMA瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)首先確定級(jí)配優(yōu)化后的SMA瀝青混合料最佳纖維用量，設(shè)計(jì)三種對(duì)比試驗(yàn)：不摻加纖維，摻加木質(zhì)素纖維，摻加玄武巖纖維，依托小梁彎曲試驗(yàn)及車轍試驗(yàn)，評(píng)價(jià)SMA瀝青混合料的高低溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果顯示：摻加0.15%的纖維可以有效地改善SMA瀝青混合料的高低溫穩(wěn)定性，其中：摻加0.15%的玄武巖纖維對(duì)SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能及高溫抗車轍性能提高更顯著。

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(guò)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(duì)級(jí)配優(yōu)化后的SMA瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的影響程度。

SMA瀝青混合料設(shè)計(jì)

原材料選擇

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，以及廣東地區(qū)所在氣候分區(qū)的氣候特點(diǎn)與氣候條件對(duì)路面的要求，綜合考慮瀝青選擇為SBS改性瀝青：PG76-22。

石料品質(zhì)是SMA瀝青路面品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。石料選擇品質(zhì)優(yōu)良的輝綠巖，其各方面性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，具體性能指標(biāo)如表1所示。

表1 輝綠巖性能指標(biāo)

表2 纖維的技術(shù)指標(biāo)

表3 改進(jìn)的SMA-13級(jí)配

纖維是SMA原材料中重要的組成部分，本文以兩種常用的纖維做對(duì)比，試驗(yàn)中采用的纖維是長(zhǎng)度為6mm的短切絲玄武巖礦物纖維和路用木質(zhì)素纖維。兩種纖維的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

SMA-13級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)

良好的級(jí)配是SMA瀝青混合料優(yōu)良性能的前提，目前SMA混合料多推薦采用骨架密實(shí)型級(jí)配，一方面要兼顧級(jí)配的骨架，另一方面要滿足密實(shí)型原理，最大程度發(fā)揮粗集料的嵌擠作用，發(fā)揮細(xì)集料及粘結(jié)料的密實(shí)作用。文本SMA級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)方面通過(guò)間斷2.36mm檔的粗集料，增大4.75mm或9.75mm檔粒料的含量，來(lái)實(shí)現(xiàn)SMA-13的骨架密實(shí)及路用耐久性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)后SMA-13級(jí)配如表3所示。

SMA瀝青混合料配合比試驗(yàn)

研究采用使用最廣泛的馬歇爾法，對(duì)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(lái)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)滿足規(guī)范要求。

研究采用馬歇爾穩(wěn)定度的試驗(yàn)方法，來(lái)確定瀝青混合料的最佳纖維量。根據(jù)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(guò)改變纖維摻加量來(lái)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%。通過(guò)不同纖維用量下的最佳油石比及穩(wěn)定度，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%。

溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的最佳油石比及最佳纖維摻加量分別進(jìn)行SMA-13瀝青混合料的小梁彎曲試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

低溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為良好的抗裂性能，裂縫破壞是瀝青混合料主要的低溫破壞形式。通過(guò)小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料低溫穩(wěn)定性能的改善作用。試驗(yàn)選取不摻纖維、摻加等量的木質(zhì)素纖維作為摻加最佳玄武巖纖維（0.15%）的對(duì)比試驗(yàn)。

小梁彎曲試驗(yàn)是在溫度為-10℃±0.5℃、加載速率為50mm/min的情況下，對(duì)切割成的長(zhǎng)250mm±2mm、寬30mm±2mm、高35mm±2mm的棱柱體小梁，在跨中央進(jìn)行加載作用，根據(jù)記錄的荷載-撓度曲線計(jì)算抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變等，最終評(píng)價(jià)出各纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知：相對(duì)于不摻加纖維的SMA，摻加0.15%的木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度均有所提升，提升約70%～80%，摻加纖維后，SMA瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均有所提高，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變提高約13.03%，摻加木質(zhì)素纖維的SMA瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變提高約14.76%?？梢?jiàn)，摻加纖維后，SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能有很大提高，其中摻加玄武巖纖維對(duì)SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能提高更顯著。這顯示玄武巖纖維能更好、更充分地吸附集料表面包裹著的自由瀝青，增大瀝青油膜的厚度，并在瀝青混合料中形成大量新的“結(jié)構(gòu)瀝青”的界面層，使得SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能大大增強(qiáng)。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

高溫穩(wěn)定性

本研究選擇使用最廣泛的高溫車轍試驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，選取不摻纖維、摻加最佳玄武巖纖維（0.15%）、摻加等量的木質(zhì)素纖維三組對(duì)比試驗(yàn)，并分別對(duì)SMA-13瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)研究，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的改善作用。車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可知：相對(duì)于不摻加纖維的SMA，摻加0.15%的木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料的永久變形量均有所降低，降低約30%～40%，摻加纖維后SMA瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有所提高，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高約15.3%，摻加木質(zhì)素纖維的SMA瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變提高約14.5%。可見(jiàn)，摻加纖維后，SMA瀝青混合料的高溫抗車轍性能有所提高，其中摻加玄武巖纖維對(duì)SMA瀝青混合料的高溫抗車轍性能提高更大。同理，筆者認(rèn)為玄武巖纖維能更好地吸附集料表面包裹著的自由瀝青，增大瀝青油膜的厚度，能夠在瀝青混合料中形成大量新的“結(jié)構(gòu)瀝青”的界面層，使SMA瀝青混合料的高溫抗車轍性能有所增強(qiáng)。