纖維密度對SMA混合料體積指標的影響研究

游小浩

（上海市市政規劃設計研究院，上海市 200031）

纖維密度對SMA混合料體積指標的影響研究

游小浩

（上海市市政規劃設計研究院，上海市 200031）

采用通常用于測定非泡沫塑料密度的氣體比重瓶法測定了不同種類纖維的相對密度。通過試驗研究了摻纖維的SMA瀝青混合料的理論最大相對密度和體積指標計算問題。結果表明，纖維參與計算后，瀝青混合料的理論最大相對密度和空隙率計算結果減小，有效瀝青飽和度計算結果增大。且纖維相對密度越小，對體積指標計算結果的影響差別越大。對摻纖維的瀝青混合料，在配合比設計體積指標計算時，應測定纖維相對密度，且纖維這一組分應參與計算，不應忽略不計。

纖維相對密度；SMA瀝青混合料；配合比設計；體積指標

0 引言

纖維是SMA瀝青混合料的必要組成材料。目前，廣泛應用于瀝青混合料的纖維主要有木質素纖維、聚合物纖維和礦物纖維[1-3]。由于SMA瀝青混合料通常采用改性瀝青，且纖維的摻入會使瀝青混合料變得更黏稠，不易分散。因此，其理論最大相對密度宜采用計算法，不宜采用真空法實測[4-5]。由SMA瀝青混合料的理論最大相對密度（γt）的計算公式[4-5]可知，它是由合成礦料的有效相對密度（γse）、瀝青相對密度（γb）、纖維相對密度（γx）和相應的質量分數計算確定的。現行施工技術規范[4]和試驗規程[5]僅指出纖維部分的比例不得忽略，纖維相對密度由供應商提供或實測得到，但未規定纖維相對密度的試驗方法。交通運輸行業產品標準[1-3]亦無纖維相對密度試驗方法的規定。而用于瀝青混合料的木質素纖維為絮狀或顆粒狀，聚合物纖維通常為長度6 mm左右的束狀切斷絲，礦物纖維為切斷短纖維，故不能完全適用紡織行業標準[6]進行測定。

對木質素纖維，目前尚無相對密度值和有關試驗方法的報道。由于不同廠家生產木質素纖維的原材料本身差別較大，因此實際工作中使用的木質素纖維從顏色到性狀等差別都較大。對聚酯纖維（滌綸）、聚丙烯腈纖維（腈綸）等聚合物纖維，紡織行業不同文獻對其密度有不同的報道值[7-9]。但是，一方面，由于瀝青混合料用聚合物纖維與紡織行業用聚合物纖維的技術要求不同[2]，采用的合成原材料和生產工藝存在差別；另一方面，纖維生產企業為降低成本，生產過程中可能會復合一些其他廉價材料，導致纖維密度有所改變，而顏色改變卻細微，不易目測分辨[10]。因此，不宜僅根據纖維供應商提供的纖維名稱直接引用紡織行業文獻的纖維密度報道值進行計算。筆者認為，即便纖維供應商能提供纖維的品名和密度，從科學嚴謹的角度出發，公路工程試驗檢測單位也應對纖維相對密度進行實測。

文獻[10]采用改進的測定瀝青密度用毛細管比重瓶法測定了纖維相對密度，并探討了忽略和考慮纖維參與瀝青混合料的理論最大相對密度計算兩種情況下體積指標計算結果的差異性，表明了測定纖維相對密度的重要性。文獻[10]限于篇幅，未闡述測定纖維相對密度的具體步驟。

在美國，氣體比重瓶法（gas pycnometer method）是一種測定粉末狀或顆粒狀固體材料真密度的新技術[11]。利用氣體比重瓶法原理制造的設備通常稱為全自動真密度儀。我國制定的氣體比重瓶法標準[12]對試驗原理做了規定，但目前主要是采用全進口設備，價格較為高昂。

本文基于氣體比重瓶法測定獲得的纖維相對密度，比較了纖維這一組分的相對密度及是否參與計算對瀝青混合料的理論最大相對密度及體積指標計算結果的影響，以期與同行探討纖維對瀝青混合料體積指標計算結果影響的重要性。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 礦料

玄武巖碎石，9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm，江蘇亞邦礦業有限公司生產；石灰巖石屑，0～2.36 mm，湖北赤壁市潤天礦業有限公司生產；填料，浙江湖州廣華礦業有限公司生產。

各規格礦料的表觀相對密度（γ'n）、毛體積相對密度（γn）及吸水率試驗按集料試驗規程[13]執行，試驗結果見表1。

表1 各規格礦料的相對密度及吸水率試驗結果

其中，對細集料（0～2.36 mm）的相對密度，因T 0330試驗方法（坍落筒法）本身存在局限性，飽和面干狀態難以界定，試驗重復性和再現性差[13]，因此，本試驗采用細集料（0～2.36 mm）中篩取的大于2.36 mm部分按T 0304試驗方法（網籃法）測定的相對密度代替[5]。

1.1.2 瀝青

改性瀝青：SBS（Ⅰ-D），上海浦東路橋瀝青材料有限公司生產。瀝青相對密度（25℃）按試驗規程[5]執行，瀝青相對密度試驗結果記為：γb=1.030，無量綱。

1.1.3 纖維

為體現不同種類纖維對瀝青混合料體積指標的不同影響，本試驗選用了4種代表性的纖維，這些纖維均已應用于上海地區。

纖維1：絮狀木質素纖維，北京天成墾特萊科技有限公司生產。

纖維2：顆粒狀木質素纖維，德國CFF集團公司生產。

纖維3：聚酯纖維（滌綸），加拿大寶路特集團有限公司生產。

纖維4：聚丙烯腈纖維（腈綸），上海渭豐新材料有限公司生產。

氣體比重瓶法的基本原理[11-12]為：試樣密封在已知體積的樣品倉內，向樣品倉通入高純度的氦氣或氮氣，然后打開連通樣品倉和擴展倉的閥門，高壓氣體從樣品倉內擴展到已知體積的擴展倉內，樣品倉和擴展倉達到氣壓平衡，根據樣品倉和擴展倉氣壓的變化，利用理想氣體狀態方程，獲得試樣的體積。根據試樣的質量和獲得的體積計算試樣密度。

本試驗采用美國麥克默瑞提克儀器公司（Micromeritics Instrument Corporation） 的AccuPyc 1330型全自動真密度儀，測定自然狀態下（未經烘干）的纖維相對密度，每種纖維平行試驗4次，以4次的平均值作為試驗結果。

上述4種纖維相對密度試驗結果依次記錄為γx1、γx2、γx3、γx4，無量綱，試驗結果見表2。

表2 不同纖維相對密度試驗結果

紡織行業部分文獻中聚合物纖維密度報道值見表3。

表3 紡織行業文獻聚合物纖維密度報道值 g/cm3

通過比較表2和表3可見，聚酯纖維、聚丙烯腈纖維采用氣體比重瓶法獲得的相對密度試驗結果與紡織行業文獻的報道值相接近。

1.2 配合比

1.2.1 礦料比例

按各規格礦料的顆粒級配（篇幅有限，不贅述），根據SMA-13瀝青混合料的合成礦料級配范圍要求[4]，以級配范圍的中值為目標進行調配，確定各規格礦料的質量比例，結果見表4。

表4 各規格礦料占礦料總質量的比例

1.2.2 瀝青用量

瀝青用量（Pb），記為Pb=5.7%，換算成油石比（Pa），記為Pa=6.04%。

1.2.3 纖維摻量

纖維摻量按纖維質量占礦料總質量的質量分數計，記為Px=0.35%。

1.3 礦料的合成相對密度計算結果

根據表1中各規格礦料的相對密度和表4中相應的質量比例，按規范[4-5]計算礦料的合成表觀相對密度（γsa）、合成毛體積相對密度（γsb）、合成礦料的吸水率（ωx）、合成礦料的瀝青吸收系數（C）及合成礦料的有效相對密度（γse），計算結果見表5。

表5 礦料的合成相對密度計算結果

1.4 瀝青混合料試件成型與試驗

擊實成型各纖維的馬歇爾試件，并測定混合料試件毛體積相對密度（γf）。

2 結果與討論

2.1 瀝青混合料的理論最大相對密度計算結果

當忽略纖維參與計算時，瀝青混合料的理論最大相對密度（γti）的計算公式為

當考慮纖維參與計算時，瀝青混合料的理論最大相對密度（γti）的計算公式為[4-5]

根據表2所列的纖維相對密度（γxi）、表5所列的合成礦料的有效相對密度（γse）、瀝青相對密度（γb）、油石比（Pa）及纖維摻量（Px），按式（1）、式（2），分別計算忽略和考慮纖維參與計算兩種情況下4種摻纖維的瀝青混合料的理論最大相對密度（γti），依次記錄為γt1、γt2、γt3、γt4，計算結果見表6。

表6 瀝青混合料的理論最大相對密度計算結果

由表6可見，考慮纖維參與計算后，瀝青混合料的理論最大相對密度（γti）計算結果較忽略纖維參與計算時的要小。由表2和表6可見，纖維相對密度（γxi）越小，相應的瀝青混合料的理論最大相對密度（γti）計算結果也越小。

2.2 瀝青混合料試件的體積指標計算結果

瀝青混合料試件的體積指標空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、有效瀝青飽和度（VFA）的計算公式為[4-5]

其中，對各礦料質量占瀝青混合料總質量的百分率之和（Ps），計算公式為[4-5]

根據礦料質量占瀝青混合料質量的質量分數（Ps）、表5所列的礦料的合成毛體積相對密度（γsb）、表6所列的瀝青混合料的理論最大相對密度（γt）i以及試驗測得的混合料試件毛體積相對密度（γ）f，根據式（3）～式（6），分別計算忽略和考慮纖維參與計算兩種情況下瀝青混合料試件的體積指標，計算結果見表7。

由表6和表7可見，考慮纖維參與計算后，瀝青混合料的理論最大相對密度（γt）i計算結果較忽略纖維參與計算時的要小。因此，按式（3），VV計算結果減小；VV計算結果減小，VMA不變，再按式（5），VFA計算結果增大。

將表7中的忽略和考慮纖維參與計算兩種情況下瀝青混合料試件的體積指標計算結果進行比較，變化情況見表8。

表7 瀝青混合料試件體積指標計算結果

表8 考慮纖維參與計算后體積指標計算結果變化

由表8可見，考慮纖維參與計算后，纖維相對密度（γx）i越小，瀝青混合料的理論最大相對密度（γt）i、VV和VFA計算結果改變幅度越大。例如，γx1= 1.598，VV降低了0.2%，VFA增加了1.2%；而γx4=1.197，VV降低了0.4%，VFA增加了2.4%。這是因為，由式（2）可知，纖維相對密度（γx）i越小，瀝青混合料的理論最大相對密度（γt）i計算結果越小，導致與按式（1）忽略纖維參與計算時的計算結果的差值越大，再按式（3）和式（5），進一步影響了VV和VFA計算結果。顯然，纖維是否考慮參與計算，纖維相對密度的大小，均會導致體積指標計算結果的不同差異。

另外，對纖維4，實際上，當考慮纖維參與計算時，VV為3.8%，是符合規范[4]要求的。實際工作中，配合比設計人員考慮到纖維摻量低（通常為瀝青混合料或礦料質量的0.3%～0.5%），且無法獲得纖維相對密度，往往在計算瀝青混合料的理論最大相對密度（γ）t時，對纖維這一組分予以了忽略。由表7可見，忽略纖維參與計算時，VV改變為4.2%，變為不符合3.0%～4.0%的規范要求[4]。這種假象導致了配合比設計人員認為VV不符合要求，往往會通過被動增加瀝青用量等途徑來降低VV，以滿足規范要求。這顯然會影響瀝青混合料配合比設計。由此可見，在某些情況下，尤其當摻加的纖維相對密度較小時，若忽略纖維參與計算，體積指標（如VV）計算結果的顯著改變會影響配合比是否滿足規范要求的評定。

在配合比設計中，瀝青混合料的理論最大相對密度（γ）t會影響體積指標VV和VFA計算結果，VV和VFA計算結果會影響最佳瀝青用量的確定，這些體積指標計算結果也是瀝青混合料配合比是否符合要求的評定依據。因此，對摻纖維的瀝青混合料，在計算瀝青混合料的理論最大相對密度和體積指標時，應先測定纖維相對密度，且纖維這一組分應參與計算，雖然纖維摻量低，但不應忽略不計。

3 結論

（1）對摻纖維的瀝青混合料，纖維參與計算后，瀝青混合料的理論最大相對密度和體積指標VV計算結果減小，VFA計算結果增大。纖維相對密度越小，對體積指標計算結果的影響改變越大。

（2）在某些情況下，纖維相對密度及是否參與計算對體積指標計算結果的顯著改變會影響瀝青混合料配合比是否滿足規范要求的評定。

（3）對摻纖維的瀝青混合料，在計算瀝青混合料的理論最大相對密度和體積指標時，纖維這一組分應參與計算，不應忽略不計。

[1]JT/T 533—2004,瀝青路面用木質素纖維[S].

[2]JT/T 534—2004,瀝青路面用聚合物纖維[S].

[3]JT/T 776.1—2010,公路工程 玄武巖纖維及其制品 第1部分：玄武巖短切纖維[S].

[4]JTG F40—2004,公路瀝青路面施工技術規范[S].

[5]JTG E20—2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[6]FZ/T 01057.7—2007,紡織纖維鑒別試驗方法 第7部分：密度梯度法[S].

[7]邢聲遠，孔麗萍.紡織纖維鑒別方法[M].北京：中國紡織出版社，2004：344.

[8]李青山.紡織纖維鑒別手冊[M].3版.北京：中國紡織出版社，2009：259.

[9]姚穆，周錦芳，黃淑珍,等.紡織材料學[M].2版.北京：中國紡織出版社，1990：217.

[10]尹義林，金牛娟，孫文州，等.纖維對SMA混合料配合比設計體積指標的影響研究[C]//中國公路學會.第七屆中國公路科技創新高層論壇論文集.北京：人民交通出版社，2015：176-180.

[11]陳宗宏，孫明星，蔣海寧.AccuPyc 1330型氣體真密度儀測定塑料密度的研究[J].檢驗檢疫科學，2005，15（5）：21-22.

[12]GB/T 1033.3—2010,塑料 非泡沫塑料密度的測定 第3部分：氣體比重瓶法[S].

[13]JTG E42—2005,公路工程集料試驗規程[S].

U414

A

1009-7716（2016）05-0219-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.061

2016-02-01

游小浩（1985-），男，廣東東源人，從事瀝青混合料試驗和研究工作。