礦物纖維對SMA-13瀝青混合料性能影響試驗研究

余志群

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450)

SMA瀝青瑪蹄脂混合料因為優(yōu)良的路用性能在高等級公路瀝青路面中得到廣泛應(yīng)用。近年來，廣東地區(qū)修建的高速公路瀝青上面層大多數(shù)采用SMA-13瀝青混合料，對提高路面質(zhì)量、延長路面使用壽命起到了積極作用。當前，SMA路面中普遍使用木質(zhì)素纖維，木質(zhì)素纖維一般呈團狀，且吸油率較好，可以與瀝青、填料等形成較好的瀝青瑪蹄脂，從而增強瀝青膠漿的黏結(jié)能力。但是長期的工程應(yīng)用也發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素纖維易結(jié)團，瀝青混合料設(shè)計瀝青用量也普遍較高，容易造成工程質(zhì)量的局部缺陷，工程造價也相對較高。

礦物纖維源自礦物巖石，其與集料有優(yōu)良的界面作用，且物理力學性能較好，所以近年來行業(yè)內(nèi)對礦物纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用開展了相關(guān)研究：如王偉等研究了不同礦物纖維瀝青混合料路用性能；張文剛，紀小平等研究了礦物纖維瀝青混合料的增強機理；張繼森，張劍波等研究了溫拌玄武巖纖維SMA性能等等，諸如上述在機理、性能等方面的研究成果在一定程度促進了礦物纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用。本文在此基礎(chǔ)上，依托工程建設(shè)項目與工程專用材料，采用室內(nèi)對比試驗研究礦物纖維替代部分木質(zhì)素纖維對SMA-13瀝青混合料性能的影響，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗原材料

粗集料采用輝綠巖碎石，細集料采用石灰?guī)r機制砂，填料采用石灰?guī)r礦粉，礦料主要技術(shù)性能如表1、表2所示。采用I-D級SBS改性瀝青，主要技術(shù)性能如表3所示，玄武巖礦物纖維與木質(zhì)素纖維主要技術(shù)性能如表4所示。

表1 集料主要技術(shù)性能

表2 礦粉主要技術(shù)性能

表3 SBS改性瀝青主要技術(shù)性能

表4 纖維主要技術(shù)指標

2 配合比設(shè)計與試驗方案

試驗室制備SMA-13瀝青混合料進行對比試驗，礦料級配設(shè)計如表5所示，木質(zhì)素纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.35%。木質(zhì)素纖維SMA-13混合料最佳油石比為6.2%，由于兩種纖維的吸油率不同，采用玄武巖纖維替代部分木質(zhì)素纖維時，分別進行最佳油石比設(shè)計，兩種纖維摻配方案及最佳油石比如表6所示。

表5 SMA-13瀝青混合料礦料級配

表6 纖維摻量方案與設(shè)計油石比

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 車轍試驗

60 ℃車轍試驗是當前常用的評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的試驗方法。廣東處于長年較高溫地區(qū)，對瀝青路面高溫穩(wěn)定性有較高的要求，所以近年來對動穩(wěn)定度較高的SMA等混合料也采用70 ℃車轍試驗進行評價。因此，本次采用70 ℃車轍試驗作為試驗方法，以動穩(wěn)定度為評價指標，試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，橡膠輪胎壓為0.7 MPa，試驗輪行走距離為230 mm±10 mm，行走速度為42次/min±1次/min。每個對比組以2次試驗動穩(wěn)定度平均值為結(jié)果，不同纖維摻配方案SMA-13瀝青混合料車轍試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 70 ℃動穩(wěn)定度變化趨勢

從圖1試驗結(jié)果可以看到，從對比組1～7(玄武巖纖維替代木質(zhì)素纖維摻量從小到大)車轍試驗70 ℃動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且基本在對比組3～4范圍，即玄武巖纖維占纖維總摻量42.8～57.1%時，出現(xiàn)峰值，此時動穩(wěn)定度增大了18.5%。另外，從對比組1與7試驗結(jié)果看到，全部采用木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料動穩(wěn)定度為5 221次/mm，低于全部采用玄武巖纖維的5 542次/mm，降低幅度為6.1%。試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維替代部分木質(zhì)素纖維，有利于提高SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

從材料的物理力學性能分析，木質(zhì)素纖維基本呈團狀，長度小于玄武巖纖維，斷裂抗拉強度等力學性能也劣于玄武巖纖維，但其對瀝青的吸附作用以及與填料、瀝青形成的瑪蹄脂膠黏效果優(yōu)于玄武巖纖維。從試驗結(jié)果來看，玄武巖纖維的摻入，雖然部分削弱了瀝青混合料的瑪蹄脂膠黏作用，但其較好的加筋與抗拉伸性能反而使混合料的動穩(wěn)定度整體上都增大了。隨著玄武巖纖維摻量的增加，動穩(wěn)定度之所以有先增大后減小的趨勢，考慮是纖維加筋抗拉與瀝青瑪蹄脂膠黏共同作用的結(jié)果，即在動穩(wěn)定度峰值之前，玄武巖纖維加筋作用明顯，在峰值之后，木質(zhì)素纖維瀝青瑪蹄脂膠黏作用降低明顯。

3.2 浸水馬歇爾試驗

采用浸水馬歇爾試驗，以浸水48 h殘留穩(wěn)定度為指標，評價不同纖維摻配方案SMA-13瀝青混合料的抗水損壞性能。每個對比組以5個標準馬歇爾試件指標的平均值為結(jié)果，試驗結(jié)果如表7、圖2所示。

表7 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

圖2 殘留穩(wěn)定度變化趨勢

從表6試驗結(jié)果看到，隨著玄武巖纖維替代木質(zhì)素纖維摻量的逐步增大，馬歇爾試件的穩(wěn)定度先增大后減小，其穩(wěn)定度峰值所處纖維摻量范圍與70 ℃動穩(wěn)定度峰值范圍相近。浸水48 h后的殘留穩(wěn)定度計算結(jié)果顯示，殘留穩(wěn)定度也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，從圖2殘留穩(wěn)定度變化趨勢可以明顯看到，其峰值大約在對比試驗組3處，此時玄武巖纖維占纖維總摻量的42.8%。

另外，對比試驗對比組1與7的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維全部替代木質(zhì)素纖維時，其殘留穩(wěn)定度有所降低，這可能是由于玄武巖纖維吸油率及最佳油石比均略微低于木質(zhì)素纖維，造成混合料中形成的瀝青瑪蹄脂相對減少、膠漿裹附作用相對減弱造成的。此表明，玄武巖纖維替代部分木質(zhì)素纖維可在一定程度提高SMA-13瀝青混合料的抗水損壞性能，但不建議全部替換。

3.3 小梁彎曲試驗

小梁彎曲試驗用來評價瀝青混合料在較低溫度下的拉伸能力，在一定程度反映混合料抗低溫斷裂的性能。本次采用小梁彎曲試驗，以試件破壞時的最大彎拉應(yīng)變?yōu)橹笜?，評價不同纖維摻配方案SMA-13瀝青混合料的抗低溫斷裂性能。試驗加載速率為50 mm/min，試驗溫度為-10 ℃±0.5 ℃，試件尺寸為：長250±2.0 mm，寬30±2.0 mm，高35±2.0 mm，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 最大彎拉應(yīng)變試驗結(jié)果

小梁彎曲試驗結(jié)果顯示，從試驗對比組1到7，SMA-13瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變逐點增大，在木質(zhì)素纖維全部被玄武巖纖維替換時，最大彎拉應(yīng)變僅增大了9.5%，。此結(jié)果表明，玄武巖纖維替代木質(zhì)素纖維有利于提高SMA-13瀝青混合料的低溫抗變形能力，但提高幅度不明顯。

分析認為，試驗對比組混合料最大彎拉應(yīng)變逐步增大，可歸結(jié)于玄武巖纖維在瀝青混合料內(nèi)部的橋接與加筋作用，玄武巖纖維摻量越大，這種作用越明顯。最大彎拉應(yīng)變增大幅度不明顯，應(yīng)該與隨著木質(zhì)素纖維摻量的逐步減少，混合料中的瑪蹄脂膠黏作用在減弱，對混合料抗彎拉能力有一定的削弱作用有關(guān)，可見，兩種纖維的共同作用決定了SMA-13瀝青混合料的抗低溫變形性能。

4 結(jié) 論

本文研究了玄武巖礦物纖維替代部分木質(zhì)素纖維對SMA-13瀝青混合料性能的影響，主要得到以下結(jié)論。

(1)玄武巖礦物纖維替代部分木質(zhì)素纖維，可提高SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，隨玄武巖纖維摻量的增加，混合料70 ℃車轍動穩(wěn)定度呈先增大后減小趨勢，玄武巖纖維摻量在42.8%～57.1%范圍時，增大最顯著。

(2)SMA-13瀝青混合料殘留穩(wěn)定度隨玄武巖礦物纖維摻量的增加先增大后減小，替代木質(zhì)素纖維42.8%時，混合料抗水損性能提高相對最明顯。

(3)隨玄武巖纖維摻量的增加，SMA-13混合料最大彎拉應(yīng)變持續(xù)增大，其低溫抗變形性能持續(xù)提高，但提高幅度并不顯著，最大彎拉應(yīng)變的增幅峰值僅為9.5%。