纖維對SMA瀝青混合料性能影響試驗(yàn)研究

林 麗， 魏永強(qiáng)， 陳麗芳

1鄭州市弘銳工程技術(shù)咨詢有限公司（450002） 2鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院（450002）3鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院（450002）

0 引言

纖維增強(qiáng)瀝青混凝土以其優(yōu)良的路用性能,受到越來越多的重視。對于纖維瀝青混凝土路用性能的研究，主要以實(shí)驗(yàn)為依托,研究纖維瀝青膠漿的性能、纖維瀝青混凝土的高、低溫等路用性能以及纖維瀝青混凝土的動態(tài)性能,運(yùn)用復(fù)合材料理論、界面化學(xué)理論等對纖維的增強(qiáng)作用進(jìn)行分析和探討[1-4]。總結(jié)這些研究成果,仍存在一些不足。首先，不同類型的纖維在SMA瀝青混合料中增強(qiáng)作用機(jī)理還需進(jìn)一步完善；摻入纖維后SMA瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)與飛散損失之間的關(guān)系需要進(jìn)一步完善；最后，纖維的高溫性能增強(qiáng)作用機(jī)理需要進(jìn)一步研究。本文通過在SMA-13瀝青混合料中外摻木質(zhì)素纖維和玄武巖礦物纖維肯塔堡飛散試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和高溫車轍試驗(yàn)，分析瀝青馬蹄脂構(gòu)成及作用機(jī)理，分析纖維在SMA中的高溫穩(wěn)定性增強(qiáng)機(jī)理。

1 原材料及試驗(yàn)方法礦料級配

試驗(yàn)采用AH-70瀝青，CF和玄武巖礦物纖維(basalt mineral fiber， 簡稱 BF)。CF摻量分別為 0.25%、0.30%和0.35%，BF摻量為0.35%、0.40%和0.45%。由初步試驗(yàn)確定的SMA-13礦料的設(shè)計(jì)目標(biāo)級配見表1。

表1 SMA-13級配

2 肯塔堡飛散試驗(yàn)

圖1 纖維用量對SMA飛散損失的影響

肯塔堡飛散試驗(yàn)（Cantabro Test）是西班牙肯塔堡大學(xué)（Cantabria Uniersity）為排水性開級配瀝青混合料而開發(fā)的一種試驗(yàn)方法，現(xiàn)在經(jīng)過許多國家的應(yīng)用，已經(jīng)擴(kuò)展到用來確定瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）、排水性開級配磨耗層瀝青混合料（OGFC）、抗滑表層瀝青混合料（AK）、瀝青碎石（AM）或乳化瀝青碎石混合料（ES）等用作路面表面層時(shí)是否發(fā)生集料飛散的通用試驗(yàn)方法[3]，用于檢驗(yàn)集料與瀝青結(jié)合料的黏結(jié)力。

圖1給出了兩類纖維在不同摻量下對SMA混合料飛散損失的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:

1）飛散損失隨纖維用量的增加沒有明顯的變化趨勢,但卻隨纖維瀝青膠漿含量的增加有明顯降低的規(guī)律。這是由于飛散損失是反映瀝青對集料黏附性能優(yōu)劣的指標(biāo)。纖維通過吸附瀝青中的輕質(zhì)油分而形成的增黏作用,可以提高集料之間的黏結(jié)力[3]。因而飛散損失是纖維和瀝青共同作用的結(jié)果。

2）對木質(zhì)素纖維SMA混合料，0.3%纖維用量下的飛散損失最大。這是由于0.3%纖維用量下的油石比最小，集料表面未形成足夠厚的纖維瀝青膠漿膜,說明纖維和瀝青也應(yīng)有一最佳組成，只有在最佳組成條件下，才可充分發(fā)揮纖維瀝青膠漿對集料間黏結(jié)力的增強(qiáng)作用,從而提高集料抵抗飛散的能力。

3）在纖維用量和瀝青用量以最佳組成增加的條件下,SMA混合料的飛散損失逐漸減小,這是由于纖維用量的增加使纖維形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效應(yīng)增強(qiáng)，提高了瀝青的黏度，同時(shí)油石比的增加使混合料中纖維瀝青膠漿的含量增大,有效提高了對集料的黏結(jié)環(huán)裹效應(yīng)。

4）兩種纖維在相同的瀝青用量下，礦物纖維飛散損失高于木質(zhì)素纖維,這表明木質(zhì)素纖維的增黏效果優(yōu)于礦物纖維。

3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照文獻(xiàn)[4-5]規(guī)定的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法來評價(jià)SMA混合料的抗水損害性能。圖2分別給出了兩種纖維在不同摻量下對SMA浸水殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR的影響。可以看出，隨纖維用量的增大，兩種纖維的SMA混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)呈現(xiàn)不同的規(guī)律性。木質(zhì)素纖維SMA混合料的耐水損害能力無明顯的變化趨勢，而礦物纖維SMA混合料的耐水損害能力卻隨纖維用量的增加而提高。這是由于兩種纖維具有不同的物理性能及復(fù)合瀝青時(shí)具有不同的作用機(jī)理，同時(shí)，兩種試驗(yàn)條件的不同也是造成試驗(yàn)結(jié)果不盡相同的根本原因。CF改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的機(jī)理在于木質(zhì)素纖維質(zhì)地疏松,表面粗糙，成多孔性，多側(cè)向分枝，對瀝青的吸附能力強(qiáng)，從而增大瀝青用量，提高瀝青飽和度；并且使黏附在礦料上的結(jié)構(gòu)瀝青膜變厚，降低了水對瀝青膠漿的浸蝕破壞作用，使混合料抗水損害能力增強(qiáng)[6-7]。可見，CF改善瀝青混合料的關(guān)鍵在于增大了裹覆礦料的瀝青膜厚度,依靠纖維瀝青膠漿對礦料黏附性的提高來改善礦料間的黏結(jié)力，在不增加瀝青用量，僅依靠增加纖維用量來改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法是達(dá)不到理想效果的。顯然，纖維瀝青膠漿的含量越大，瀝青膜厚度越大，抗水剝離的能力就越強(qiáng)，模擬靜態(tài)環(huán)境的浸水殘留穩(wěn)定度值MS0就越大。因而，隨木質(zhì)素纖維摻量的增加，SMA混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR呈現(xiàn)減小的趨勢。

對BF形成的SMA混合料,MS0及TSR均隨纖維用量的增大而增大。玄武巖礦物纖維可充分吸附瀝青，增加瀝青用量,從而使礦料表面的瀝青油膜變厚，提高了油膜的內(nèi)聚力，增強(qiáng)集料之間的黏結(jié)力，使瀝青膜不易被水剝離破壞，從而使混合料處于穩(wěn)定狀態(tài)。因而，玄武巖纖維SMA混合料的MS0隨BF用量的提高而提高。玄武巖纖維限制了瀝青因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的收縮開裂及水形成冰時(shí)因體積膨脹對瀝青膜的脹裂。這樣，當(dāng)試件放入60℃水浴后，冰再次融化為水時(shí)，由于瀝青膜的裂縫隨纖維用量的提高而減少,使水分沿瀝青膜的裂縫進(jìn)入集料與瀝青膜之間的量減少,水對瀝青膜的剝離作用隨纖維瀝青膠漿的增大而降低,因而表現(xiàn)出隨纖維用量的增大，玄武巖礦物纖維SMA混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR有逐漸提高的趨勢。

4 結(jié)論

1）SMA混合料的飛散損失隨纖維瀝青膠漿含量的增加而降低，合適的纖維摻量下，木質(zhì)素纖維SMA混合料的動穩(wěn)定度高于礦物纖維的動穩(wěn)定度，木質(zhì)素纖維的增黏、增強(qiáng)效果優(yōu)于礦物纖維。

2）隨纖維用量的增大，兩種纖維的SMA混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)呈現(xiàn)不同的規(guī)律性:木質(zhì)素纖維SMA混合料的耐水損害能力無明顯的變化趨勢,而礦物纖維SMA混合料的耐水損害能力卻隨纖維用量的增加而提高。這是由于兩種纖維具有不同的物理性能及復(fù)合瀝青時(shí)具有不同的作用機(jī)理，同時(shí),兩種試驗(yàn)條件的不同也是造成試驗(yàn)結(jié)果不盡相同的根本原因。

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