礦物纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料性能影響試驗(yàn)研究

余志群

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450)

SMA瀝青瑪蹄脂混合料因?yàn)閮?yōu)良的路用性能在高等級(jí)公路瀝青路面中得到廣泛應(yīng)用。近年來，廣東地區(qū)修建的高速公路瀝青上面層大多數(shù)采用SMA-13瀝青混合料，對(duì)提高路面質(zhì)量、延長路面使用壽命起到了積極作用。當(dāng)前，SMA路面中普遍使用木質(zhì)素纖維，木質(zhì)素纖維一般呈團(tuán)狀，且吸油率較好，可以與瀝青、填料等形成較好的瀝青瑪蹄脂，從而增強(qiáng)瀝青膠漿的黏結(jié)能力。但是長期的工程應(yīng)用也發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素纖維易結(jié)團(tuán)，瀝青混合料設(shè)計(jì)瀝青用量也普遍較高，容易造成工程質(zhì)量的局部缺陷，工程造價(jià)也相對(duì)較高。

礦物纖維源自礦物巖石，其與集料有優(yōu)良的界面作用，且物理力學(xué)性能較好，所以近年來行業(yè)內(nèi)對(duì)礦物纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用開展了相關(guān)研究：如王偉等研究了不同礦物纖維瀝青混合料路用性能；張文剛，紀(jì)小平等研究了礦物纖維瀝青混合料的增強(qiáng)機(jī)理；張繼森，張劍波等研究了溫拌玄武巖纖維SMA性能等等，諸如上述在機(jī)理、性能等方面的研究成果在一定程度促進(jìn)了礦物纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用。本文在此基礎(chǔ)上，依托工程建設(shè)項(xiàng)目與工程專用材料，采用室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)研究礦物纖維替代部分木質(zhì)素纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料性能的影響，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原材料

粗集料采用輝綠巖碎石，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料采用石灰?guī)r礦粉，礦料主要技術(shù)性能如表1、表2所示。采用I-D級(jí)SBS改性瀝青，主要技術(shù)性能如表3所示，玄武巖礦物纖維與木質(zhì)素纖維主要技術(shù)性能如表4所示。

表1 集料主要技術(shù)性能

表2 礦粉主要技術(shù)性能

表3 SBS改性瀝青主要技術(shù)性能

表4 纖維主要技術(shù)指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)室制備SMA-13瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，礦料級(jí)配設(shè)計(jì)如表5所示，木質(zhì)素纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.35%。木質(zhì)素纖維SMA-13混合料最佳油石比為6.2%，由于兩種纖維的吸油率不同，采用玄武巖纖維替代部分木質(zhì)素纖維時(shí)，分別進(jìn)行最佳油石比設(shè)計(jì)，兩種纖維摻配方案及最佳油石比如表6所示。

表5 SMA-13瀝青混合料礦料級(jí)配

表6 纖維摻量方案與設(shè)計(jì)油石比

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 車轍試驗(yàn)

60 ℃車轍試驗(yàn)是當(dāng)前常用的評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法。廣東處于長年較高溫地區(qū)，對(duì)瀝青路面高溫穩(wěn)定性有較高的要求，所以近年來對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度較高的SMA等混合料也采用70 ℃車轍試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，本次采用70 ℃車轍試驗(yàn)作為試驗(yàn)方法，以動(dòng)穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，橡膠輪胎壓為0.7 MPa，試驗(yàn)輪行走距離為230 mm±10 mm，行走速度為42次/min±1次/min。每個(gè)對(duì)比組以2次試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度平均值為結(jié)果，不同纖維摻配方案SMA-13瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度變化趨勢

從圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看到，從對(duì)比組1～7(玄武巖纖維替代木質(zhì)素纖維摻量從小到大)車轍試驗(yàn)70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且基本在對(duì)比組3～4范圍，即玄武巖纖維占纖維總摻量42.8～57.1%時(shí)，出現(xiàn)峰值，此時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度增大了18.5%。另外，從對(duì)比組1與7試驗(yàn)結(jié)果看到，全部采用木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為5 221次/mm，低于全部采用玄武巖纖維的5 542次/mm，降低幅度為6.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維替代部分木質(zhì)素纖維，有利于提高SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

從材料的物理力學(xué)性能分析，木質(zhì)素纖維基本呈團(tuán)狀，長度小于玄武巖纖維，斷裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能也劣于玄武巖纖維，但其對(duì)瀝青的吸附作用以及與填料、瀝青形成的瑪蹄脂膠黏效果優(yōu)于玄武巖纖維。從試驗(yàn)結(jié)果來看，玄武巖纖維的摻入，雖然部分削弱了瀝青混合料的瑪蹄脂膠黏作用，但其較好的加筋與抗拉伸性能反而使混合料的動(dòng)穩(wěn)定度整體上都增大了。隨著玄武巖纖維摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度之所以有先增大后減小的趨勢，考慮是纖維加筋抗拉與瀝青瑪蹄脂膠黏共同作用的結(jié)果，即在動(dòng)穩(wěn)定度峰值之前，玄武巖纖維加筋作用明顯，在峰值之后，木質(zhì)素纖維瀝青瑪蹄脂膠黏作用降低明顯。

3.2 浸水馬歇爾試驗(yàn)

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)，以浸水48 h殘留穩(wěn)定度為指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同纖維摻配方案SMA-13瀝青混合料的抗水損壞性能。每個(gè)對(duì)比組以5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件指標(biāo)的平均值為結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖2所示。

表7 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖2 殘留穩(wěn)定度變化趨勢

從表6試驗(yàn)結(jié)果看到，隨著玄武巖纖維替代木質(zhì)素纖維摻量的逐步增大，馬歇爾試件的穩(wěn)定度先增大后減小，其穩(wěn)定度峰值所處纖維摻量范圍與70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度峰值范圍相近。浸水48 h后的殘留穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果顯示，殘留穩(wěn)定度也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，從圖2殘留穩(wěn)定度變化趨勢可以明顯看到，其峰值大約在對(duì)比試驗(yàn)組3處，此時(shí)玄武巖纖維占纖維總摻量的42.8%。

另外，對(duì)比試驗(yàn)對(duì)比組1與7的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維全部替代木質(zhì)素纖維時(shí)，其殘留穩(wěn)定度有所降低，這可能是由于玄武巖纖維吸油率及最佳油石比均略微低于木質(zhì)素纖維，造成混合料中形成的瀝青瑪蹄脂相對(duì)減少、膠漿裹附作用相對(duì)減弱造成的。此表明，玄武巖纖維替代部分木質(zhì)素纖維可在一定程度提高SMA-13瀝青混合料的抗水損壞性能，但不建議全部替換。

3.3 小梁彎曲試驗(yàn)

小梁彎曲試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)瀝青混合料在較低溫度下的拉伸能力，在一定程度反映混合料抗低溫?cái)嗔训男阅堋１敬尾捎眯×簭澢囼?yàn)，以試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)，評(píng)價(jià)不同纖維摻配方案SMA-13瀝青混合料的抗低溫?cái)嗔研阅堋Ｔ囼?yàn)加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度為-10 ℃±0.5 ℃，試件尺寸為：長250±2.0 mm，寬30±2.0 mm，高35±2.0 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 最大彎拉應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示，從試驗(yàn)對(duì)比組1到7，SMA-13瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變逐點(diǎn)增大，在木質(zhì)素纖維全部被玄武巖纖維替換時(shí)，最大彎拉應(yīng)變僅增大了9.5%，。此結(jié)果表明，玄武巖纖維替代木質(zhì)素纖維有利于提高SMA-13瀝青混合料的低溫抗變形能力，但提高幅度不明顯。

分析認(rèn)為，試驗(yàn)對(duì)比組混合料最大彎拉應(yīng)變逐步增大，可歸結(jié)于玄武巖纖維在瀝青混合料內(nèi)部的橋接與加筋作用，玄武巖纖維摻量越大，這種作用越明顯。最大彎拉應(yīng)變增大幅度不明顯，應(yīng)該與隨著木質(zhì)素纖維摻量的逐步減少，混合料中的瑪蹄脂膠黏作用在減弱，對(duì)混合料抗彎拉能力有一定的削弱作用有關(guān)，可見，兩種纖維的共同作用決定了SMA-13瀝青混合料的抗低溫變形性能。

4 結(jié) 論

本文研究了玄武巖礦物纖維替代部分木質(zhì)素纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料性能的影響，主要得到以下結(jié)論。

(1)玄武巖礦物纖維替代部分木質(zhì)素纖維，可提高SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，隨玄武巖纖維摻量的增加，混合料70 ℃車轍動(dòng)穩(wěn)定度呈先增大后減小趨勢，玄武巖纖維摻量在42.8%～57.1%范圍時(shí)，增大最顯著。

(2)SMA-13瀝青混合料殘留穩(wěn)定度隨玄武巖礦物纖維摻量的增加先增大后減小，替代木質(zhì)素纖維42.8%時(shí)，混合料抗水損性能提高相對(duì)最明顯。

(3)隨玄武巖纖維摻量的增加，SMA-13混合料最大彎拉應(yīng)變持續(xù)增大，其低溫抗變形性能持續(xù)提高，但提高幅度并不顯著，最大彎拉應(yīng)變的增幅峰值僅為9.5%。