不同纖維摻量對(duì)溫拌瀝青混合料性能的影響研究

李 儀

（中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

0 引言

由于近年來我國瀝青路面技術(shù)的發(fā)展，路面從過去的水泥混凝土路面變?yōu)楝F(xiàn)在的瀝青混合料路面[1]。與水泥混凝土路面相比，瀝青混合料路面具有養(yǎng)護(hù)方便、不容易反光、減震降噪、有利于行車的抗滑性和舒適性等優(yōu)點(diǎn)。但瀝青混合料路面的應(yīng)用也有不足之處，在施工期間會(huì)造成空氣污染，這是因?yàn)槁访驿佈b采用熱拌瀝青混合料時(shí)，瀝青和集料的拌合溫度通常在180℃以上[2]，不僅會(huì)消耗大量化石能源，而且會(huì)產(chǎn)生大量煙氣和粉塵，對(duì)周邊環(huán)境和施工人員的健康產(chǎn)生影響，不符合我國健康可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

在上述問題背景下，近年來溫拌瀝青混合料成為主要研究對(duì)象。溫拌瀝青混合料技術(shù)是在熱拌瀝青混合料的基礎(chǔ)上，降低瀝青混合料拌合和攤鋪溫度，一旦能降低30℃，則可大大降低施工時(shí)對(duì)環(huán)境的影響，并降低能源消耗，可改善施工環(huán)境，有利于施工人員的身體健康，具有極大的實(shí)用意義。

因此本試驗(yàn)研究的目的是通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定獲得不同纖維摻量溫拌SMA-13瀝青混合料的降溫效果，并得到最佳拌合與壓實(shí)溫度，在最佳拌合和壓實(shí)溫度條件下，通過凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲小梁破壞試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)研究對(duì)比不同纖維摻量瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。

1 試驗(yàn)材料

1.1 集料和填料

集料類型為玄武巖，粒徑分別為0～3，5～10，10～15mm，所用礦粉由石灰?guī)r磨制而成，粗、細(xì)集料基本技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[3]進(jìn)行，具體指標(biāo)如表1，2所示。

表1 粗、細(xì)集料性能指標(biāo)

表2 礦粉性質(zhì)指標(biāo)

1.2 瀝青

本試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)如表3所示，表中的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[4]對(duì)于瀝青性能要求。

表3 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.3 溫拌劑

本試驗(yàn)所采用的溫拌劑為Evotherm M1（以下簡稱M1），其物理狀態(tài)為液態(tài)，推薦摻量為0.5%，密度為0.97g/cm3，pH值為7.5～8.5，為表面活性劑。

1.4 纖維

本試驗(yàn)所選用纖維為最常見的木質(zhì)素纖維，由某路面工程公司提供。

2 不同纖維摻量SMA-13瀝青混合料的體積性能

2.1 礦料級(jí)配

粒徑0～3，5～10，10～15mm集料與礦粉的比例分別為12∶48∶29∶11，合成級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 SMA-13合成級(jí)配曲線

為研究木質(zhì)素纖維不同摻量對(duì)溫拌SMA-13瀝青混合料性能的影響，根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果，由于傳統(tǒng)馬歇爾方法不適用于溫拌SMA-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)[5]，因此本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行SMA-13瀝青混合料最佳瀝青含量的設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)參考典型道路要求[6]，確定采用中等至重交通道路所要求的壓實(shí)參數(shù)，即N初始=8次，N設(shè)計(jì)=100次，N最大=160次。

以熱拌條件下確定的最佳瀝青用量5.67%為基礎(chǔ)，在拌合溫度180℃、壓實(shí)溫度170℃條件下，取瀝青含量為5.37%，5.67%，5.97%，6.27%，并加入占瀝青混合料總質(zhì)量0.3%的木質(zhì)素纖維，在此基礎(chǔ)上分別進(jìn)行瀝青混合料的拌合和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)及各項(xiàng)體積指標(biāo)測試，測試結(jié)果如圖2和表4所示，其中最大理論相對(duì)密度采用計(jì)算法確定。

圖2 空隙率與瀝青含量關(guān)系

表4 最佳瀝青含量試驗(yàn)結(jié)果

以空隙率為4.0%為控制指標(biāo)，通過圖2及表4得到最佳瀝青用量為5.77%。

2.2 最佳壓實(shí)溫度

在最佳瀝青含量基礎(chǔ)下，為確定不同纖維摻量溫拌SMA-13瀝青混合料的最佳溫度，3種木質(zhì)纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.30%，0.15%及無摻加。首先制備溫拌瀝青，然后分別在180，165，150℃條件下制備瀝青混合料，最后在拌合溫度-10℃的條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成件，通過水中重法測定和計(jì)算體積參數(shù)。根據(jù)混合料的體積參數(shù)規(guī)范要求確定拌合溫度，本試驗(yàn)以混合料空隙率為4.0%時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓實(shí)溫度作為最佳壓實(shí)溫度。3種摻量的木質(zhì)纖維瀝青混合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示，空隙率和拌合溫度關(guān)系如圖3所示。

表5 3種纖維摻量瀝青混合料的體積參數(shù)

圖3 不同纖維摻量瀝青混合料空隙率

由此可知，在3種木質(zhì)纖維摻量條件下，各混合料試件空隙率與拌合溫度的線性相關(guān)性均較好。以4.0%作為目標(biāo)空隙率，可通過線性回歸方程得出纖維摻量0.3%的0.3%-SBS目標(biāo)拌合溫度為166℃，降溫幅度為14℃；在木質(zhì)纖維摻量降到0.15%后，0.15%-SBS目標(biāo)拌合溫度為149℃，降溫幅度為31℃；纖維摻量為0的0-SBS目標(biāo)拌合溫度為132℃，降溫幅度為48℃。

因此，溫拌SMA-13瀝青混合料的降溫幅度隨著纖維摻量的減少而增大，這是因?yàn)槔w維對(duì)瀝青有吸附和加筋作用，使瀝青混合料更加黏稠，變得難以拌合和壓實(shí)，纖維摻量越大，瀝青混合料越難以壓實(shí)。

2.3 謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)

在規(guī)范中，熱拌SMA-13瀝青混合料的試驗(yàn)溫度為拌合溫度提高5℃，即185℃。由于本試驗(yàn)以溫拌SMA-13瀝青混合料為研究對(duì)象，因此混合料的試驗(yàn)溫度應(yīng)參照各瀝青混合料的拌合、攤鋪溫度執(zhí)行，因此謝倫堡析漏損失率試驗(yàn)條件改為各拌合溫度+5℃進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，當(dāng)纖維摻量為0.30%和0.15%時(shí)，3種溫拌阻燃瀝青混合料的析漏值均滿足規(guī)范要求，不過當(dāng)纖維摻量減少時(shí)，瀝青混合料的析漏值增大；無纖維瀝青混合料的析漏值不滿足規(guī)范要求，這是因?yàn)樵赟MA-13級(jí)配中，瀝青用量比較大，纖維作為SMA-13的重要組成，可起到吸附瀝青的作用，如果沒有纖維吸附的作用，超過礦料表面吸附的瀝青量會(huì)增多，產(chǎn)生多余的自由瀝青及瀝青瑪蹄脂，導(dǎo)致析漏量增大。

3 不同纖維摻量SMA-13瀝青混合料的路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

本試驗(yàn)采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)熱拌瀝青混合料以及不同纖維摻量的各種瀝青混合料所對(duì)應(yīng)壓實(shí)溫度條件下成型的車轍板進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

由圖4可知，與熱拌SMA-13瀝青混合料相比，添加了溫拌劑M1瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度無明顯變化，纖維摻量為0.30%和0.15%的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均高于規(guī)范要求，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維摻量的下降而下降，說明纖維摻量越高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性就越好，這是因?yàn)樵赟MA-13瀝青混合料中，纖維的加入減小了自由瀝青膜厚度，降低瀝青混合料中瀝青的流動(dòng)性，因此纖維摻量越大，混合料的抗車轍性能就越好。

3.2 水穩(wěn)定性

本試驗(yàn)采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)熱拌瀝青混合料以及不同纖維摻量的各種瀝青混合料所對(duì)應(yīng)壓實(shí)溫度條件下成型的馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比

由圖5可知，溫拌劑M1的添加可提高SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性。纖維摻量為0.30%和0.15%的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比隨著纖維摻量的下降而下降，說明纖維摻量越高，瀝青混合料的水穩(wěn)定性就越好，這是因?yàn)樵赟MA-13瀝青混合料中，纖維摻量越多，結(jié)構(gòu)瀝青含量也就越多，混合料中自由瀝青的含量也就越少，從而增加混合料的瀝青膜厚度，對(duì)阻礙水分剝離混合料有積極作用。

3.3 低溫抗裂性

本試驗(yàn)按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求嚴(yán)格進(jìn)行，并測定、計(jì)算各項(xiàng)低溫性能指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)各種瀝青混合料的低溫抗裂性能。不同纖維摻量的各溫拌瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變

由圖6可知，溫拌劑M1的添加對(duì)SMA-13瀝青混合料的低溫性能影響不大。3種纖維摻量的瀝青混合料的低溫性能均滿足規(guī)范要求，瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變比隨著纖維摻量的下降而下降，說明纖維摻量越高，瀝青混合料的低溫抗裂性就越好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是纖維在瀝青混合料中起著加筋與橋接的作用，纖維摻量越高，瀝青與集料的黏附能力就越強(qiáng)，混合料的極限抗彎拉能力也就越強(qiáng)，瀝青混合料的低溫抗裂性能也就越好[7]。

4 結(jié)語

1）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法適用于溫拌SMA-13瀝青混合料設(shè)計(jì)，單獨(dú)添加溫拌劑的瀝青混合料的降溫效果并不理想，但結(jié)合降低纖維的方式可取得良好的降溫效果，且從析漏試驗(yàn)結(jié)果來看，在滿足規(guī)范要求的條件下可適當(dāng)降低纖維摻量。

2）從各項(xiàng)路用性能結(jié)果來看，當(dāng)纖維摻量為0.30%和0.15%時(shí)，溫拌SMA-13瀝青混合料的路用性能均能滿足規(guī)范要求。瀝青混合料的路用性能隨著纖維摻量的減少而下降。

3）與熱拌瀝青混合料相比，摻量為0.15%木質(zhì)纖維的溫拌SMA-13瀝青混合料降溫幅度可達(dá)31℃。同時(shí)，該瀝青混合料不僅能滿足路用性能的各項(xiàng)規(guī)范要求，而且具有節(jié)省成本、施工性能良好和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。