復(fù)摻纖維SMA-13瀝青混合料性能研究

張 勇， 郭志堅(jiān)， 李文凱

（1.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，鄭州 450000； 2.中國河南國際合作集團(tuán)有限公司，鄭州 450004）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，客貨流通的節(jié)奏逐漸加快，高等級公路車流量逐年增加，尤其重軸載車輛日益增多，重載、超載現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致新建道路在沒有達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限之前就會出現(xiàn)裂縫、松散、車轍等路面病害. 因此，現(xiàn)階段對新建及養(yǎng)護(hù)工程瀝青路面路用性能提出了更高的要求，新材料、新工藝以及先進(jìn)的養(yǎng)護(hù)管理理念被廣泛研究和應(yīng)用. SMA是一種由瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉和少量的細(xì)集料組成的瀝青馬蹄脂填充間斷級配的粗集料骨架間隙而組成的瀝青混合料，其中SMA瀝青混合料因其“三多一少”（粗集料多、瀝青多、礦粉多、細(xì)集料少）的間斷級配具有較好的路用性能而被廣泛應(yīng)用［1-6］. SMA混合料中粗骨料較多，能夠很好地改善瀝青路面的高溫抗車轍能力，而礦粉、瀝青占比高及細(xì)骨料占比低組成的瀝青瑪蹄脂增強(qiáng)了混合料的黏結(jié)能力，可以提高瀝青路面低溫抗開裂及抗水損害能力，而纖維穩(wěn)定劑摻入到SMA混合料中是改善其整體路用性能的有效方法. 研究表明，玄武巖纖維（BF）和木質(zhì)素纖維（CF）對SMA瀝青混合料路用性能的改善效果存在差異，BF對混合料高溫性能改善效果較好，CF對混合料低溫抗開裂性能改善效果較好［7-8］. 因此，本文對BF與CF兩種纖維進(jìn)行復(fù)合，按照一定比例進(jìn)行復(fù)配，合理選擇纖維摻配比例，利用各自的優(yōu)點(diǎn)綜合改善瀝青路面的路用性能. 此外，纖維與瀝青相結(jié)合，對瀝青及瀝青混合料性能的影響具有較好相關(guān)性［9-10］.因此，需要對纖維瀝青尤其是復(fù)合纖維瀝青性能展開研究，評價纖維摻配比例瀝青性能的影響. 本文通過對SBS復(fù)合纖維瀝青及SMA瀝青混合料路用性能的研究，評價不同摻配比例的纖維對SMA瀝青混合料性能的影響，對纖維復(fù)摻設(shè)計(jì)在SMA 瀝青混合料中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

SMA 瀝青混合料中瀝青用量較多，瀝青對瀝青路面的性能起著決定性作用，本文選用SBS I-D 改性瀝青展開研究. SBS I-D 改性瀝青能夠改善混合料的高溫車轍、低溫開裂及礦料之間的黏結(jié)能力，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果均滿足JTG F40—2004 規(guī)定要求，試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 SBS I-D 改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of main technical indexes of SBS I-D modified asphalt

1.2 纖維

SMA混合料中改性瀝青與纖維的作用效果不同，改性瀝青能夠有效改善混合料飛散損失，而纖維可以減少瀝青析漏，具有吸附、穩(wěn)定瀝青的作用. 本文選用的玄武巖纖維（BF）由鄭州登電集團(tuán)生產(chǎn)，木質(zhì)素纖維（CF）由德國JRS 公司生產(chǎn)，兩種纖維主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 兩種纖維主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of main technical indexes of two kinds of fibers

1.3 配合比設(shè)計(jì)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

本文選用SMA-13 級配類型展開研究，粗骨料3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm 均為玄武巖碎石，細(xì)骨料為0～3 mm機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，礦料級配設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，不摻纖維的SMA-13混合料最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表3 礦料級配設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.3 Results of aggregate gradation design

2 復(fù)摻纖維瀝青性能研究

本文在SBS I-D 改性瀝青中摻入纖維，纖維總摻量為2.4%（占瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)），瀝青中BF、CF兩種纖維的摻配方案見表5，對復(fù)摻纖維的瀝青分別進(jìn)行軟化點(diǎn)、延度及吸油率試驗(yàn). 將不同摻配比例的纖維投入到175 ℃的瀝青中選用葉片式電動攪拌器低速攪拌15 min，保證纖維均勻分散到瀝青當(dāng)中制備成復(fù)摻纖維瀝青.

表5 瀝青中BF、CF兩種纖維的摻配方案Tab.5 Blending scheme of BF and CF fibers in asphalt

2.1 軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)

參照J(rèn)TG E20—2011試驗(yàn)規(guī)程對復(fù)摻纖維的瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1、圖2.

圖1 軟化點(diǎn)隨纖維摻配比例變化圖Fig.1 Variation of softening point with fiber blending ratio

圖2 5 ℃延度隨纖維摻配比例變化圖Fig.2 Variation of ductility at 5 ℃with fiber blending ratio

由圖1、圖2可以得出：復(fù)摻纖維的摻入，瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果均得到了改善，但隨著CF 占比的增加，試驗(yàn)結(jié)果逐漸降低；BF的摻入能夠改善瀝青的延度，而隨著CF占比的增加，瀝青延度逐漸降低.

2.2 纖維吸持瀝青試驗(yàn)

參照J(rèn)TG E20—2011規(guī)范對復(fù)摻纖維瀝青進(jìn)行析漏試驗(yàn)，評價不同纖維摻配比例時纖維對瀝青的吸附能力，試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖3 吸油率試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Oil absorption test results

由圖3 可以得出：隨著CF 占比的增加，復(fù)摻纖維吸附瀝青的能力逐漸增強(qiáng)，這主要因?yàn)锽F的密度較CF大，導(dǎo)致相同質(zhì)量的纖維，CF比表面積較大，吸附瀝青的能力較強(qiáng).

3 路用性能

SMA 混合料是一種高等級公路常用的結(jié)構(gòu)層材料，具有較好的高溫抗車轍、低溫抗開裂以及抗水損害能力［11-14］.本文在瀝青混合料中摻入0.4%（占混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的纖維，其中混合料中BF、CF兩種纖維的摻配方案見表6.

表6 混合料中BF、CF兩種纖維的摻配方案Tab.6 Blending scheme of BF and CF fibers in mixture

3.1 高溫穩(wěn)定性

本文選用車轍試驗(yàn)來評價不同纖維摻配方案時混合料的高溫抗車轍能力. 在試驗(yàn)溫度為60 ℃時，模擬瀝青路面在車輛荷載作用下產(chǎn)生推移、剪切最終形成車轍，反映瀝青路面抵抗塑性變形能力［15-17］. 不同纖維摻配比例時混合料動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

由圖4可以得出：纖維的摻入均能改善混合料的高溫抗車轍能力，但隨著CF占比的增加，動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果逐漸降低，表明BF對混合料高溫抗車轍改善能力優(yōu)于CF，這主要因?yàn)锽F是一種礦質(zhì)纖維，與礦料密度相當(dāng)，能夠均勻地分散到礦料中，與混合料相容性更好，同時由于力學(xué)性能優(yōu)于CF，導(dǎo)致BF對混合料增韌、加筋效果更優(yōu).

圖4 動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Dynamic stability test results

3.2 低溫抗裂性

季節(jié)性冰凍區(qū)，瀝青路面長期處在凍融循環(huán)的環(huán)境下，結(jié)構(gòu)層在溫縮應(yīng)力的作用下易形成裂縫，地表雨水通過縫隙滲入到路面結(jié)構(gòu)中，會加劇裂縫的惡化. 因此，改善瀝青路面低溫抗開裂能力，對減少早期病害尤為關(guān)鍵. 本研究選用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評價不同纖維摻配方案時混合料低溫抗開裂能力［18-19］. 不同纖維摻配方案時混合料抗彎拉強(qiáng)度及最大彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5、圖6.

圖5 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of flexural tensile strength

圖6 最大彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of maximum bending failure strain

由圖5、圖6可以得出：纖維的摻入，混合料抗彎拉強(qiáng)度及最大彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果均得到了改善，且隨著CF占比的增加，試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)升高的趨勢，表明纖維的摻入能夠增強(qiáng)混合料的低溫抗開裂能力，這主要因?yàn)?，纖維在混合料中能夠很好地吸附穩(wěn)定瀝青，達(dá)到加筋、增韌的效果，且CF吸附瀝青的能力更強(qiáng)，混合料低溫抗開裂能力得到增強(qiáng).

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是評價瀝青路面抗水損害能力的重要指標(biāo)，影響瀝青路面水穩(wěn)定性的因素主要包括：原材料性能、級配類型、施工工藝、結(jié)構(gòu)組成等［20-22］. 本研究選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)來評價不同纖維摻配方案時混合料抗水損害能力. 不同纖維摻配方案時混合料浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果分別見圖7、圖8.

圖7 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of Marshall residual stability in water immersion

由圖7、圖8 可以得出：纖維的摻入，混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均得到了改善，且隨著CF占比的增加，試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在BF∶CF比例為1∶1時（纖維摻量均為0.2%）達(dá)到峰值，表明纖維的摻入能夠改善混合料的抗水損害能力.

圖8 凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of freeze-thaw splitting residual strength ratio

4 結(jié)論

本文通過對不同纖維復(fù)摻比例的SMA-13瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究得出以下結(jié)論：

1）復(fù)摻纖維的摻入能夠改善瀝青軟化點(diǎn)，隨著CF 占比的增加，瀝青軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)結(jié)果逐漸降低而纖維吸附瀝青的能力逐漸增強(qiáng).

2）纖維的摻入均能改善混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂以及抗水損害能力；BF 對混合料高溫抗車轍能力改善效果較好，CF對混合料低溫抗開裂能力改善效果較好，BF與CF摻配比例為1∶1，纖維摻量均為0.2%時，對SMA-13瀝青混合料抗水損害能力改善效果、整體路用性能最優(yōu).