路用纖維對SMA瀝青混合料中礦料間隙率的影響

高小華 李 磊 向萌萌 馬慶偉

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710065；2.中交一公院中交瑞通路橋養護科技有限公司，陜西 西安 710064； 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

路用纖維對SMA瀝青混合料中礦料間隙率的影響

高小華1李 磊1向萌萌2馬慶偉3

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710065；2.中交一公院中交瑞通路橋養護科技有限公司，陜西 西安 710064； 3.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

通過分析SMA混合料中常用的纖維類型，比較了不同路用纖維在瀝青混合料中的使用性能，并通過馬歇爾試驗，研究了SMA混合料礦料間隙率隨纖維種類和摻量變化的增減規律，得出了一些有意義的結論。

SMA混合料，礦料間隙率，路用纖維

0 引言

在瀝青混合料中使用增強纖維，已有二十多年歷史，生產SMA混合料時必須使用纖維穩定劑。現在纖維的種類很多，一般可分為三大類：木質素纖維、礦物纖維和聚酯纖維，纖維是SMA混合料的重要組成成分，這與SMA中使用了較多的礦粉與瀝青結合料有關。礦料間隙率(Voids in Mineral Aggregate，VMA)是指瀝青混合料被壓實后礦料顆粒間的空隙體積占混合料總體積的百分率，包括剩余空隙體積和混合料中的有效瀝青體積，它與VV和油石比兩大指標直接相關[1]。根據國內外的研究來看，纖維在SMA混合料中既有一定的加筋作用，又能吸收部分瀝青，減少游離瀝青的含量，阻止泛油現象的產生，同時還能增加瀝青與集料之間的粘結力，增加有效瀝青膜厚度[2]，使混合料中有效瀝青的體積增加，進而使VMA增加。纖維摻量的變化，也會導致集料表面粘附瀝青膜厚度以及瀝青在混合料中分布的變化，使VMA變化[3]。本文主要總結SMA混合料中常用的纖維類型，并對SMA混合料VMA隨纖維種類和摻量變化時的增減規律進行研究。

1 纖維的種類及技術要求

1.1 木質素纖維

木質素纖維是天然木材經過化學處理得到的有機纖維。由于處理溫度達到250 ℃以上，在通常條件下是化學上非常穩定的物質，不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕。未經處理的木質素纖維也用作食品添加劑，是減肥食品，所以對人體無害，不影響環境。最先被引進到中國的是德國JRS公司生產的木質素纖維。

我國對木質素纖維的產品研究甚少，以美國對纖維的標準作為我國SMA混合料中纖維的技術標準。考慮到篩分的困難，所以取消了篩分試驗，纖維長度規定由顯微鏡觀測得到。我國規范關于木質素纖維的技術標準見表1。

表1 我國關于木質素纖維質量技術要求

1.2 礦物纖維

在礦物纖維中，最早使用的是石棉纖維，在許多國家使用過，現在有的發達國家還在使用。北京市公路局在修建機場高速公路、八達嶺高速公路時使用了國產的石棉纖維。近年來，礦物纖維又出現了新的品種。美國的Fiberand公司采用玄武巖生產纖維，比起木質素纖維，吸油效果稍差。

礦物纖維的技術指標比較簡單，只規定了纖維長度、纖維厚度和顆粒組成，這是由生產礦物纖維的原礦性質決定的。美國NCAT,AASHTO關于礦物纖維的質量要求規定，我國的JTG F40-2004公路瀝青路面施工規范沒有對其作技術要求規定，在具體使用時可參照美國的標準使用。

1.3 聚合物纖維

在聚合物纖維中，聚酯纖維和丙烯酸纖維是最常用的纖維品種。相比起木質素纖維和礦物纖維來說，各國對聚合物纖維的使用都比較少。其原因比較復雜。首先是擔心化學纖維不能承受高溫拌合，因為有時候發現聚合物纖維在高溫時會卷曲。它是起到了改性劑的作用還是起到纖維增強的作用，從機理上說不清楚。另外一個主要的原因是由于聚合物纖維的價格通常要比木質素纖維和礦物纖維高很多，有的甚至高出很多倍。所以使用聚合物纖維的時候要從性價比的觀點分析，慎重選擇。在我國規范中并沒有推薦使用聚合物纖維就是這個道理。聚合物纖維的性能指標要求見表2。

表2 聚合物纖維試驗項目及物化性能

2 不同纖維的比較

不同的纖維使用效果進行綜合分析，見表3。

表3 SMA混合料中不同纖維的綜合比較

3 不同纖維對VMA的影響研究

3.1 原材料及混合料級配選擇

瀝青采用SBS(I-C)改性瀝青；粗集料(大于4.75 mm)，采用輝綠巖質碎石，細集料(小于4.75 mm)，采用石灰巖質機制砂；礦粉，采用石灰巖質礦粉。各種原材料滿足JTG F40-2004公路瀝青路面施工規范要求[4]。

混合料采用SMA-13級配，(9.5 mm～16 mm)∶(4.75 mm～9.5 mm)∶(0 mm～2.36 mm)∶礦粉=44%∶33%∶13%∶10%，合成級配見表4。

表4 SMA-13合成級配

3.2 馬歇爾試驗

本文中采用木質素纖維、礦物纖維、聚酯纖維和2合1纖維四種纖維(2合1纖維按木質素纖維和聚酯纖維按質量比2∶1摻配而成)。不同類型纖維在不同摻量下SMA混合料體積指標試驗結果見表5。

表5 不同類型纖維在不同摻量下SMA混合料體積指標試驗結果

空隙率與纖維摻量關系圖見圖1，礦料間隙率與纖維摻量的關系圖見圖2。

VV試驗結果分析：

1)隨著不同類型纖維摻量的增加，試件VV隨之增大，一方面說明隨著纖維摻量的增加，纖維對瀝青的吸收及吸附作用明顯，導致了空隙率的增大。另一方面當纖維摻量過高時，由于纖維具有一定的韌性作用，需要占用一定的空間，同時使礦料相互接觸受阻，仍會導致空隙率增大。說明纖維的摻量不宜過低同時也不宜過高。

2)在同一摻量下，摻加聚酯纖維的混合料VV相對偏大，說明聚酯纖維的彈性恢復能力比其他纖維強，在相同的壓實功作用下對馬歇爾試件的密實效果影響較大，這也說明對于摻加聚酯纖維的SMA混合料在施工過程中，需要增大壓實功或增加壓實遍數，以確保瀝青混合料各指標達到設計要求。

3)對于礦物纖維，在摻量從0.1%增加到0.2%時，混合料的VV變化不大，這是由于礦物纖維的密度較大且吸油率較小，在摻量較小時，其對瀝青的吸收和吸附作用發揮不出來，因此導致空隙率變化不大。而當摻量達到0.3%以上時，礦物纖維的吸收及吸附作用開始體現，空隙率增大幅度明顯。

VMA試驗結果分析：

1)隨著纖維摻量的增加，VMA呈遞增趨勢。在同一摻量下，混合料VMA的大小順序為：木質素纖維>2合1纖維>聚酯纖維>礦物纖維。其中木質素纖維和2合1纖維對應的VMA差距最小，說明在滿足間隙率要求方面，這兩種纖維均有良好的表現。礦物纖維對應的VMA最小，當其摻量在0.5%時，混合料的VMA才達到16.5%左右，而對應的空隙率偏高為4.2%，究其原因是礦物纖維的密度相對最大，比表面積最小，吸油率也最小，因此導致混合料中有效瀝青用量對其摻量的變化敏感度較小，混合料間隙率的提高在很大程度上只能通過提高空隙率這一途徑來實現。

2)摻加木質素纖維和2合1纖維對應的VMA差距最小，說明在滿足間隙率要求方面，這兩種纖維均有良好的表現。而聚酯纖維相對稍差，主要是由于其吸油率相對前兩者較低，對瀝青的吸收和吸附能力稍差，無法吸附更多的有效瀝青來填充礦料間隙造成的。

3)我國規范中規定，木質素纖維的摻量不宜低于0.3%，礦物纖維不宜低于0.4%。由工程實踐可得，聚酯纖維[5]和2合1纖維的摻量一般為0.3%。在上述四種纖維摻量下，VMA值的大小分別為16.8%，16.4%，16.5%和16.7%，均小于規范中規定的17.0%。

4 結語

1)在摻加同種纖維條件下，混合料的VV和VMA均隨著纖維摻量的增加而不斷增加；不同纖維在同一摻量下，混合料VMA的大小順序為：木質素纖維>2合1纖維>聚酯纖維>礦物纖維。

2)對于SMA-13混合料，木質素纖維、聚酯纖維、礦物纖維和2合1纖維四種纖維的最佳摻量分別為0.3%，0.3%，0.4%和0.3%。

3)木質素纖維、聚酯纖維、礦物纖維和2合1纖維四種纖維在各自的最佳摻量下，SMA混合料的VMA值分別為16.8%，16.5%，16.4%和16.7%，小于規范中規定的17.0%，說明規范中對VMA值的規定偏高。

[1] 苗春澤.瀝青混合料體積參數及體積設計方法研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[2] 張 波,李 倫.木質素纖維穩定劑在SMA中的作用[J].遼寧交通科技,2004(11):61-62.

[3] 楊明忠.SMA路面中各種纖維應用現狀及發展趨勢[J].湖南城市學院學報(自然科學版),2006,15(2):29-31.

[4] JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術[S].

[5] 任 旭.纖維瀝青混合料性能室內試驗研究[D].長沙：長沙理工大學，2012.

Influencing research of road fiber to Voids in Mineral Aggregate(VMA)of SMA mixture

GAO Xiao-hua1LI Lei1XIANG Meng-meng2MA Qing-wei3

(1.ShaanxiHighwayEngineeringConsultingLimitedCompany,Xi’an710065,China;2.CCCCRuitongRoadandBridgeMaintenanceScienceandTechniqueCo.,Ltd,CCCCFirstHighwayEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710064,China; 3.Xi’anHighwayResearchInstitute,Xi’an710065,China)

By analyzing commonly fiber types in SMA mixture to compared the performance of different fibers in the asphalt mixture. By marshall experiment, study the Voids in Mineral Aggregate rule change with the fiber type and dosage varies of SMA mixture. It has obtaimed some significative conclusion.

SMA mixture， Voids in Mineral Aggregate， road fiber

1009-6825(2014)22-0113-03

2014-05-12

高小華(1976- )，男，高級工程師； 李 磊(1979- )，男，工程師； 向萌萌(1989- )，男，助理工程師； 馬慶偉(1984- )，男，碩士，工程師

TU535

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