木纖維SMA-13瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

呂鵬磊，王子照，李 琳

(1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050091；2.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

在瀝青混合料中加入纖維可有效提高瀝青混凝土的抗裂、抗車轍等路用性能[1]。目前，瀝青混凝土中所使用的纖維種類主要是木纖維、礦物纖維和聚合物纖維。國外最早于上世紀(jì)50年代后期，就已經(jīng)展開了纖維改性瀝青混凝土的研究，且目前已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。相比國外，我國在纖維改性瀝青混凝土方面的研究起步較晚。20世紀(jì)90年代中期，我國從國外引進(jìn)SMA路面結(jié)構(gòu)以及纖維添加劑，逐漸開始該方面的研究。雖然起步較晚，但仍取得了一些研究成果。劉曉芬，黃衛(wèi)東[2]通過開展木纖維在SMA中的性能評(píng)價(jià)研究，提出了一種新型木纖維評(píng)價(jià)方案。楊紅輝[3]對(duì)木質(zhì)素纖維瀝青混合料路用性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出適當(dāng)降低瀝青用量可改善瀝青混合料的高溫性能。蔣劍虹[4]對(duì)改性瀝青SMA路面施工工藝及質(zhì)量控制措施進(jìn)行了總結(jié)，指出木質(zhì)素纖維的存放必須為室內(nèi)架空堆放，定期對(duì)纖維添加設(shè)備進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定。楊中才、王根寶[5]等選擇纖維和膠粉摻量作為影響因素對(duì)SMA-13瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明纖維的摻入可顯著提高SMA-13瀝青混凝土的高溫性能。木纖維作為SMA瀝青混凝土常用纖維，具有成本低、來源廣等優(yōu)點(diǎn)。本文采用單因素?fù)搅孔兓O(shè)計(jì)方法，通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)對(duì)木纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行研究，探究木纖維最佳摻配比，為SMA瀝青混凝土路面施工提供參考，以減少高溫條件下的車轍問題。

1 原材料性能

1.1 瀝青

瀝青采用山東產(chǎn)A級(jí)道路石油瀝青AH-70，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

SMA瀝青瑪蹄脂混合料屬骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，具有“三多一少”的特點(diǎn)。即瀝青使用量多、礦粉使用量多，粗集料使用量多，細(xì)集料使用量少[6-7]。

試驗(yàn)所用礦料選用河北省保定滿城產(chǎn)玄武巖，機(jī)制砂以及河南產(chǎn)石灰?guī)r礦粉，其物理技術(shù)指標(biāo)如表2—表4所示。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.3 SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求，采用4.75 mm作為粗骨料骨架的分界篩孔，設(shè)計(jì)了3組級(jí)配，分別為：4.75 mm通過率為規(guī)范規(guī)定[8]的級(jí)配中值、中值+3%以及中值為-3%，礦粉通過率均控制在10%左右?；旌狭霞?jí)配分組設(shè)計(jì)完成之后，按照規(guī)范分別制作馬歇爾試件，并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。通過對(duì)3組瀝青混合料的礦料間隙率、空隙率、流值等物理力學(xué)指標(biāo)的分析與比較，得出最優(yōu)級(jí)配。

3組混合料的篩孔通過率如表5所示，級(jí)配曲線如圖1所示。

表5 SMA-13瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配 %

圖1 3組合成級(jí)配曲線

結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初試油石比用量選用 6.0%。按照設(shè)計(jì)的A、B、C 3組礦料級(jí)配以及6.0%油石比分別制作馬歇爾試件，測(cè)定并計(jì)算不同級(jí)配瀝青混合料的礦料間隙率VMA、粗集料骨架間隙率VCA等指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)如表6所示。

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知：3組SMA瀝青混合料的流值(規(guī)范要求2～4 mm)以及穩(wěn)定度(規(guī)范要求大于8 kN)均滿足規(guī)范要求。根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求，SMA瀝青混合料比選時(shí)應(yīng)符合空隙率在3.0%～4.0%之間。同時(shí)，粗集料間隙率VCAmix以及搗實(shí)狀態(tài)下的粗集料骨架間隙率VCADRC應(yīng)符合要求。因此，以SMA瀝青混合料空隙率VV3.0～4.0%、VMA>16.5%以及粗集料骨架間隙率VCADRC>VCAmix為控制指標(biāo)，對(duì)3組配試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與比選。表6數(shù)據(jù)表明:3組級(jí)配的VCAmix均小于VCADRC，3組混合料結(jié)構(gòu)類型均為骨架結(jié)構(gòu)。初試級(jí)配B的粗集料骨架間隙率VCADRC小天A與C兩組級(jí)配，表明其骨架結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。故選用B級(jí)配作為試驗(yàn)級(jí)配。

表6 3種級(jí)配混合料的物理力學(xué)指標(biāo)

1.4 瀝青用量的確定

采用馬歇爾試驗(yàn)法確定瀝青最佳用量。首先，以選定的設(shè)計(jì)級(jí)配B和選取的6.0%初試油石比作為基準(zhǔn)，油石比按0.2%為間隔進(jìn)行調(diào)整，分別制作油石比為5.6%、5.8%、6.0%、6.2%及6.4%的5組馬歇爾試件(均未摻加木纖維)，擊實(shí)次數(shù)為雙面各50次，每組馬歇爾試件數(shù)量為5個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

參照規(guī)范規(guī)定的熱拌瀝青混合料瀝青最佳用量的確定方法，計(jì)算所確定級(jí)配的最佳瀝青用量。以6組試驗(yàn)油石比用量為橫坐標(biāo)，以馬歇爾試驗(yàn)所得各指標(biāo)為縱坐標(biāo)繪制曲線，如圖2所示。

在圖2的曲線中分別求取相對(duì)應(yīng)的密度最大值、穩(wěn)定度最大值、目標(biāo)空隙率中值(3%)，瀝青飽和度范圍中值的瀝青用量分別為a1、a2、a3、a4，計(jì)算得到OAC1。圖2中各項(xiàng)馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)均符合規(guī)范要求的瀝青用量最小值和最大值，相對(duì)應(yīng)將其作為瀝青用量范圍的最小值OACmin以及最大值OACmax。取瀝青用量范圍最小值OACmin及最大值OACmax的中值為OAC2，以O(shè)AC1和OAC2的平均值作為瀝青最佳用量OAC。通過計(jì)算得到最佳瀝青用量OAC為6.03%，故選定的B級(jí)配最佳瀝青用量為6.03%。

圖2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.5 木質(zhì)素纖維

木纖維因多為棉絮狀結(jié)構(gòu)，比表面積大，對(duì)瀝青具有較強(qiáng)的吸附作用。因此，摻加木質(zhì)素纖維后瀝青混合料中最佳瀝青用量一般要比未加的高[9-10]。但為了便于開展不同摻量下木纖維SMA瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的對(duì)比試驗(yàn)與研究，本試驗(yàn)以木纖維摻量作為單一變量，分組試驗(yàn)時(shí)各組SMA-13瀝青混合料的最佳瀝青用量均采用6.03%。

木質(zhì)素纖維是天然木材經(jīng)過初級(jí)篩選、分裂、250℃高溫及漂白等一系列化學(xué)處理之后形成的一種纖維，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、吸油與吸濕性高、耐酸堿腐蝕及無毒等性能，目前主要有絮狀和顆粒狀兩種木纖維。

SMA瀝青混合料路面宜加木質(zhì)素纖維，且纖維多為松散絮狀結(jié)構(gòu)[11-12]。試驗(yàn)所用木纖維為北京天成墾特萊科技有限公司產(chǎn)的絮狀木纖維，技術(shù)指標(biāo)如表8所示，產(chǎn)品如圖3所示。

表8 木質(zhì)素纖維技術(shù)指標(biāo)

圖3 木質(zhì)素纖維

2 試驗(yàn)方案與方法

在工程實(shí)際中，馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)是瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及瀝青路面施工質(zhì)量檢驗(yàn)的重要方法，在一定程度上，馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗(yàn)指標(biāo)同瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性也存在一定的關(guān)系，可以作為反映瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。

瀝青混合料車轍試驗(yàn)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備也不復(fù)雜，能夠較好地模擬瀝青路面在車輪荷載的反復(fù)作用下發(fā)生形變的過程，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[13]。

綜上所述，可采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和高溫車轍試驗(yàn)[14]來評(píng)價(jià)木質(zhì)素纖維 SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

2.1 試驗(yàn)方案

為了簡(jiǎn)便、直觀地研究木纖維摻量對(duì)SMA-13瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，以木纖維摻量(占瀝青混合料的質(zhì)量百分率)作為單一變量，通過調(diào)整木纖維的摻量，分別進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)來研究木纖維摻量對(duì)SMA-13瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的影響。

參考規(guī)范并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，木纖維的摻量按0.1%進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)分組如表9所示。

表9 不同木纖維摻量瀝青混合料分組

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

采用數(shù)控自動(dòng)式馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試儀LWD-5A進(jìn)行穩(wěn)定度與流值試驗(yàn)。按表9制備不同摻量的馬歇爾試件，試件使用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，置于恒溫水槽中保溫40 min，試件養(yǎng)生完成后置于加載機(jī)下的壓頭上，加載機(jī)加載速率控制在50 mm/min±5 mm/min。將計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)繪制成壓力和試件變形曲線，按規(guī)范T 0709-2011所示方法計(jì)算穩(wěn)定度和流值。

2.2.2 車轍試驗(yàn)

首先，將集料加熱至190～195 ℃，然后加入木質(zhì)素纖維干拌15 s，待木質(zhì)素纖維分散均勻后，將加至170～175 ℃的瀝青加入到拌和機(jī)中進(jìn)行濕拌，拌合時(shí)間為45 s，總拌合時(shí)間60 s[15]。按照表9不同木纖維摻量瀝青混合料的分組情況，采用輪碾法分別制備長300 mm、寬300 mm、厚50 mm的車轍試件，每組5個(gè)試件。試件成型后，連同試模在常溫下放置時(shí)間不少于12 h。車轍試件制作完成后，采用北京藍(lán)航中科LHCZ-6型車轍試驗(yàn)機(jī)，分別進(jìn)行不同組別的SMA-13瀝青混凝土車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度60 ℃，輪壓0.7 MPa，行走次數(shù)42/min(見圖4)。

圖4 車轍試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照表9試驗(yàn)方法進(jìn)行不同摻量的木纖維SMA-13瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)與車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 馬歇爾穩(wěn)定度

馬歇爾試驗(yàn)作為瀝青混合料設(shè)計(jì)及瀝青路面施工質(zhì)量的重要試驗(yàn)方法，在一定程度上可以反映瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)瀝青混合料施工具有一定的參考作用，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足時(shí)可作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表10及圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)照D1組未摻加木纖維的瀝青混合料穩(wěn)定度，其它五組摻加木纖維的SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度都均有所提高，說明木纖維可以在一定程度上提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖5 不同纖維摻量下瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度

3.3 車轍試驗(yàn)

由表10及圖6可知：未摻加木纖維的SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為1 782次/mm，摻加木纖維后的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有明顯提高，且動(dòng)穩(wěn)定度隨著木質(zhì)素纖維的摻入逐漸提高。當(dāng)木纖維的摻量為0.4%時(shí)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最高，為7 256次/mm，相比較未摻加木纖維的瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度提升約3倍。其主要原因?yàn)椋耗举|(zhì)素纖維因其表面積大，對(duì)瀝青具有較強(qiáng)的吸附作用[16-18]。當(dāng)將其摻入 SMA-13瀝青混合料后，油份和纖維能夠形成勁度更大的瀝青膠漿，“橋架”和“加筋”作用明顯，從而提高了混合料的抗變形性能。

圖6 不同纖維摻量下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

木纖維摻量超過0.4%后，木纖維SMA-13瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)小幅度下降。其原因主要為：一定范圍內(nèi)，纖維摻量的增加會(huì)使瀝青膠漿的勁度模量逐漸提高，從而提升瀝青混合料的抗車轍性能[19-20]。但纖維與瀝青形成的膠漿可以看作成“纖維瀝青溶液”，纖維的容量有一個(gè)飽和度，當(dāng)超過這一飽和度時(shí)，過量的纖維會(huì)游離于瀝青之外，起不到應(yīng)有的加筋和橋梁作用。這種現(xiàn)象說明纖維的摻量可在一定范圍內(nèi)改善或提升瀝青混合料的高溫性能，并有一個(gè)最佳的摻量范圍。

4 結(jié) 論

1)在礦料級(jí)配以及瀝青用量均相同的條件下，摻入木纖維可有效提升SMA-13瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。

2)SMA-13瀝青混合料的抗車轍性能隨著木纖維摻量的增加逐漸提高，當(dāng)纖維摻量在0.4%附近時(shí)抗車轍性能達(dá)到最優(yōu)。

3)纖維與瀝青形成的膠漿可以看作成“纖維瀝青溶液”，纖維的容量有一個(gè)飽和度，當(dāng)超過這一飽和度時(shí)，過量的纖維會(huì)游離于瀝青之外，起不到應(yīng)有的加筋和橋梁作用。