玄武巖纖維SMA的動水沖刷試驗分析

近年來，隨著交通荷載和渠化交通的急劇加重，SMA瀝青混合料路面破壞程度越來越嚴重。本文依托2017年湛徐高速公路路面病害處置工程項目，通過兩種不同纖維的SMA-13的瀝青混合料試驗，研究玄武巖纖維對優化級配后的SMA瀝青混合料經過動水沖刷的影響程度。

SMA瀝青混合料原材料與級配設計

瀝青

瀝青是SMA瀝青混合料的重要組成部分，其質量的優劣直接影響混合料的使用耐久性。SMA瀝青混合料對瀝青的質量要求較高，原材料瀝青應具有較高的黏度，一般使用PG分級的改性瀝青，以保證SMA瀝青混合料具有較好的高溫穩定性、低溫抗裂及抗水損害的性能。在瀝青選擇方面，主要依據《瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的性能指標要求，以及地區所在氣候分區的氣候特點與氣候條件對路面的要求為依據，本文瀝青選擇為PG76-22的SBS改性瀝青。

石料選擇

石料品質是SMA瀝青路面品質的關鍵因素之一。本試驗在石料選擇上，要求石料壓碎值小于15%，相比規范要求降低了5%；石料磨光值不小于44PSV，相對規范提高了2PSV；加工特性方面，為了減少針片狀，采用反擊破工藝，并混合料針片狀不大于12%。

纖維

試驗中采用的纖維是長度為6mm的短切絲玄武巖礦物纖維和路用木質素纖維。玄武巖礦物纖維是經高溫從玄武巖中抽取的纖維短切而成的，而玄武巖本身又是一種高性能的火山巖，具有良好的物理化學性能（比表面積大、表面浸潤性好、工作溫度范圍大、水穩定性好等）和力學性能（抗拉強度大、彈性模量高、抗老化與疲勞性能好等）。

SMA級配優化設計

為了獲得良好的骨架級配，同時又能擁有優異的密實結構，確保所設計的SMA材料能夠獲得更理想的綜合路用性能特別是骨架穩定性能的優化設計。采用CAVF級配設計法，通過計算，最大程度地發揮粗集料的嵌擠密實作用，優化設計后的級配，如表1所示。

SMA瀝青混合料配合比試驗

未添加纖維時最佳油石比的確定

該實驗采用了最廣泛的馬歇爾法，對瀝青混合料的兩面各擊實75次，制作成尺寸為Φ（106.5mm±2.0mm）×(63.5mm±1.3mm)的標準馬歇爾試件，最后根據浸泡60℃恒溫水浴后的馬歇爾穩定度，來確定SMA-13混合料的初始最佳油石比，試驗數據分析顯示本文的SMA-13瀝青混合料的最佳油石比為5.5%，且其他各具體指標均滿足要求。

添加玄武巖纖維后最佳油石比的確定及最佳纖維量的確定

該試驗采用馬歇爾穩定度的試驗方法確定瀝青混合料的最佳纖維量。根據以往的試驗經驗，SMA中纖維的最佳摻量范圍一般為集料重量的0.1%～0.3%。設計不同油石比通過改變纖維摻入量來確定最佳油石比與最佳纖維用量。玄武巖纖維設計用量范圍為0%～0.5%。本節最終確定添加木質素纖維與玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料的最佳油石比均為5.5%，兩種纖維摻入量均取0.15%。

表1 改進的SMA級配

SMA瀝青混合料動水沖刷試驗與分析

水損害是瀝青路面的主要破壞原因之一，盡管SMA瀝青混合料具有優良的綜合路用性能，但仍然避免不了早中期的水損害，因此，設計SMA瀝青混合料有必要研究其抗沖刷性能。為探究玄武巖纖維SMA瀝青混合料的抗水損害能力，本文設計3種對比試驗：不摻加纖維、摻加0.15%木質素纖維、摻加0.15%玄武巖纖維。根據上節確定的最佳油石比及最佳纖維摻入量，分別進行SMA-13瀝青混合料的動水沖刷試驗，具體試驗結果及分析如下。

動水沖刷試驗原理及試驗過程

通常模擬瀝青混合料水損害試驗設備都是封閉的，導致水不能完全進入瀝青混合料內部，大多數靜水壓力試驗，并不能有效地表征實際瀝青路面在行車荷載作用下產生的沖刷效果。因此，本文采用動水沖刷設備，模擬高速行車通過瀝青路面時產生的交替動水壓力以及真空吸力，此過程是一種更接近實際路面水損害過程的模擬試驗，試驗原理如圖1所示。切割上節設計的SMA瀝青混合料試件并進行動水沖刷試驗，如圖2所示。采用雙面鋸切割沖刷2小時后的試件，取直徑為φ100mm±2mm，高為40mm±5mm的圓柱體試件進行劈裂強度試驗，以劈裂強度表征SMA瀝青混合料沖刷后的強度，分別監測摻加不同纖維的SMA瀝青混合料動水沖刷前后的劈裂強度。

圖1 動水沖刷試驗原理

圖2 動水沖刷試驗

圖3 劈裂強度與空隙率改變率

數據分析

如圖3所示，摻加纖維可以提高SMA瀝青混合料動水沖刷前的劈裂強度，其中添加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料動水沖刷前劈裂強度最大，動水沖刷后仍是摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料劈裂強度最大。動水沖刷前后不摻加纖維的SMA瀝青混合料劈裂強度降低28.3%，摻加木質素纖維的SMA瀝青混合料劈裂強度降低32.3%，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料劈裂強度降低21.9%。動水沖刷前后三種SMA瀝青混合料的空隙率均有所提高，其中不摻加纖維的SMA瀝青混合料空隙率提高28.2%，摻加木質素纖維的SMA瀝青混合料空隙率提高25.5%，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料空隙率提高22.5%。綜合以上分析可見，摻加玄武巖纖維可以有效且顯著地提高SMA瀝青混合料的抗沖刷性能。

結語

針對優化設計的SMA-13級配，確定添加木質素纖維與玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料的最佳油石比為5.5%，兩種纖維摻入量均取0.15%。并且摻加0.15%的玄武巖纖維可以顯著提高SMA瀝青混合料的抗沖刷性能。