基于纖維摻量的溫拌SMA-13瀝青混合料技術研究

李 儀，郭 晗，徐敏賢，葉正祥，鄭磊煒，杜榮東

(中億豐建設集團股份有限公司,江蘇 蘇州 215131)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，高速公路的交通量也迅速增加。由于瀝青路面具有低噪聲、高舒適性、易養護等優點，因此在路面工程中得到了廣泛運用。但瀝青路面也存在一些缺點，比如施工時溫度過高以及排放有害氣體等問題，這不僅造成了能源的大量消耗，還嚴重影響了施工人員的身體健康[1-2]。在上述問題的背景下，近年來溫拌瀝青混合料技術成為了學者研究的熱門方向。與熱拌技術相比，溫拌技術不僅具有與熱拌瀝青混合料的優良的路用性能，還能降低瀝青混合料拌合攤鋪時的溫度，這樣可以大大降低施工時對環境的不利影響，也降低了對能源的消耗，同時也有利于施工人員的身體健康，具有極大的實用意義。因此本文研究開發出一種高性能且降溫效果好的溫拌SMA-13瀝青混合料[3-6]。因此本實驗研究的目的是：通過旋轉壓實的方法，研究三種溫拌劑及三種纖維摻量對SMA-13瀝青混合料降溫效果的影響，然后對各類型瀝青混合料進行了高溫車轍實驗、抗水毀能力實驗、低溫小梁彎曲實驗，最后確定最佳的溫拌方式。

2 原材料

2.1 集料

本實驗選用的集料為玄武巖。粗、細集料各檔粒徑的范圍為:10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，0 mm～3 mm，選用的礦粉由石灰石磨制而成，其各項技術指標見表1，表2。

表1 粗、細集料性能指標

表2 礦粉性質指標

2.2 SBS改性瀝青

本文所采用的瀝青是SBS改性瀝青。本各項指標見表3。

表3 瀝青性能指標

2.3 纖維

本實驗所采用的添加劑為木質素纖維。其技術指標如表4所示。

表4 木質纖維技術指標

2.4 溫拌劑

本文采用的溫拌劑分別是Evotherm M1溫拌劑(以下簡稱M1)，Sasobit溫拌劑(以下簡稱Sa)，Redise LQ-1102C溫拌劑(以下簡稱1102),其技術指標見表5，表6。

表5 溫拌劑M1，1102性能指標

表6 溫拌劑Sa性質指標

3 溫拌SMA-13瀝青混合料的體積性能

3.1 確定礦料級配

為了研究不同溫拌劑和纖維摻量對SMA-13瀝青混合料的影響，根據以前的實驗結果，因此本實驗采用旋轉壓實法對SMA-13瀝青混合料最佳瀝青含量的設計，本實驗參考了一定量Superpave最基本的設計方法，根據設計累計當量軸載次數選擇初始、設計與最大旋轉次數。本實驗參考表7的應用典型道路的要求，確定采用中等至重交通道路所要求的壓實參數，即N初始=8次，N設計=100次，N最大=160次。

表7 Superpave旋轉壓實次數

本實驗采用的級配為SMA-13，集料規格分別為10 mm～15 mm，5 mm～10 mm,0 mm～3 mm，其與礦粉的比例分別為29∶48∶12∶11,合成級配見表8。

表8 SMA-13合成級配

本實驗以最佳級配為基礎，選用4種瀝青用量分別為5.37%，5.67%，5.97%，6.27%成型混合料試件，其中纖維摻量為瀝青混合料質量的0.3%，在180 ℃的條件下拌合制得瀝青混合料，然后在170 ℃的條件下進行旋轉壓實成型試件，壓實次數設定為N設計=100。測試木質纖維成型試件的各項體積指標。

以空隙率為4.0%為控制指標，通過圖1得到最佳瀝青用量為5.77%，同時混合料的VFA和VMA均能滿足要求。

3.2 最佳壓實溫度的確定

在最佳瀝青含量基礎下，為了確定三種溫拌劑、三種木質纖維摻量的最佳壓實溫度，三種木質纖維摻量為瀝青混合料質量的0.3%，0.15%，0%。首先制備溫拌瀝青，然后在三個拌合溫度條件下制備各種瀝青混合料，三種拌合溫度分別為180 ℃，165 ℃,150 ℃，最后在拌合溫度-10 ℃的條件下進行旋轉壓實成型試件，通過水中重法測定和計算體積參數。根據混合料的體積參數規范要求確定拌合溫度，本實驗以混合料空隙率為4.0%時所對應的壓實溫度作為最佳壓實溫度。三種纖維摻量空隙率和拌合溫度線性關系見圖2，空隙率和拌合溫度的線性回歸方程及最佳拌合溫度見表9。

表9 空隙率和拌合溫度的線性回歸方程及最佳拌合溫度

由圖2和表9可以得出:

1)在0.3%木質纖維摻量的條件下，向SBS改性瀝青中添加溫拌劑Sa，1102，M1后，混合料試件空隙率與拌合溫度的線性相關性都比較好。以4.0%作為目標空隙率，可以通過線性回歸方程得出，1102-SBS的目標拌合溫度為169 ℃，降溫幅度為11 ℃；M1-SBS的目標拌合溫度為166 ℃，降溫幅度為14 ℃;Sa-SBS的目標拌合溫度為171 ℃，降溫幅度為9 ℃。

2)在木質纖維摻量降到0.15%后，向SBS改性瀝青中添加溫拌劑Sa，1102，M1后，混合料試件空隙率與拌合溫度的線性相關性都比較好。以4.0%作為目標空隙率，可以通過線性回歸方程得出，1102-SBS的目標拌合溫度為153 ℃，降溫幅度為27 ℃；M1-SBS后的目標拌合溫度為149 ℃，降溫幅度為31 ℃;Sa-SBS的目標拌合溫度為159 ℃，降溫幅度為21 ℃。

3)當混合料無纖維時，向SBS改性瀝青中添加溫拌劑Sa，1102，M1后，混合料試件空隙率與拌合溫度的線性相關性都比較好。以4.0%作為目標空隙率，可以通過線性回歸方程得出，1102-SBS的目標拌合溫度為134 ℃，降溫幅度為46 ℃；M1-SBS后的目標拌合溫度為132 ℃，降溫幅度為48 ℃;Sa-SBS的目標拌合溫度為141 ℃，降溫幅度為39 ℃。

謝倫堡瀝青析漏試驗：

在規范中，熱拌SMA瀝青混合料的試驗溫度為拌合溫度+5 ℃進行，即185 ℃。由于本試驗以溫拌瀝青SMA-13混合料為研究對象，因此混合料的試驗溫度應參照各瀝青混合料的拌合、攤鋪溫度來執行，因此謝倫堡析漏損失率試驗條件改為各拌合溫度+5 ℃進行，試驗結果見表10。

表10 析漏結果

由表10的數據可知:

4 溫拌SMA-13瀝青混合料的路用性能

4.1 車轍實驗結果與分析

根據規范對在各溫拌瀝青混合料所對應壓實溫度條件下成型的車轍板進行車轍實驗。各瀝青混合料實驗結果如表11所示。

表11 動穩定度數據

通過表11可以看出:

1)比較同一種纖維的各種阻燃瀝青的動穩定度，動穩定度的大小依次為:Sa>SBS≈M1≈1102，溫拌劑Sa可以顯著提高混合料的高溫抗車轍能力，這是因為溫拌劑Sa可以均勻分布在瀝青中，形成網狀晶格結構，從而提高瀝青混合料的抗車轍能力；

2)比較不同纖維摻量的各溫拌阻燃瀝青混合料的動穩定度，0.3%摻量的木質1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS的動穩定度比0.15%摻量木質混合料的分別高5.7%，7.4%，9.4%，0.15%摻量的木質1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS的動穩定度比0摻量木質混合料的分別高59.2%，50.5%，65.0%，說明了纖維摻量越高，瀝青混合料的高溫穩定性就越好。在瀝青混合料中，纖維的加入減小了自由瀝青膜的厚度，降低瀝青混合料中瀝青的流動性，因此纖維摻量越大，降低了瀝青在瀝青混合料中的流動性，混合料的抗車轍性能就越好。

4.2 溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料抗水毀能力

根據規范對在各溫拌阻燃瀝青混合料所對應壓實溫度條件下成型的馬歇爾試件進行凍融劈裂實驗。各瀝青混合料凍融劈裂強度比見表12。

表12 凍融劈裂數據

通過表12可以看出:

1)比較同一種纖維的各種阻燃瀝青的凍融劈裂強度比，凍融劈裂強度比的大小依次為:M1>1102>Sa≈SBS，說明了溫拌劑Sa對瀝青混合料的抗水毀能力影響不大,這是因為瀝青混合料中的瀝青薄膜可以在溫拌劑1102，M1的幫助下驅離并取代石料表面的殘留水分，并且幫助瀝青薄膜與石料表面形成牢固的化學作用力，提高瀝青混合料的抗水毀能力。

2)0.3%摻量的木質1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的凍融劈裂強度比分別比0.15%摻量的木質混合料的要高5.0%，4.4%，3.9%，0.15%摻量的木質1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的凍融劈裂強度比分別比0摻量的木質混合料的要高6.7%，7.1%，5.9%。說明了纖維的摻量越多，混合料的凍融劈裂強度比就越大。這是因為木質纖維自身在瀝青混合料中起到的加筋作用，可以與瀝青之間形成網狀結構，從而提升瀝青混合料的抗水毀能力，同時纖維摻量越多，結構瀝青含量也就越多，混合料中自由瀝青的含量也就越少，從而增加混合料的瀝青膜厚度，混合料中瀝青膜厚度的增加對阻礙水分剝離混合料有積極作用。

4.3 溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料低溫性能

低溫小梁彎曲試驗是一種評價低溫抗裂性能試驗重要方法,根據規范對在各溫拌瀝青混合料所對應壓實溫度條件下成型的小梁試件進行低溫性能實驗。各種瀝青混合料實驗結果見表13。

由表13可知:

表13 低溫性能數據

1)在同一種纖維及摻量條件下，比較熱拌及三種溫拌瀝青混合料的抗拉強度，極限彎拉應變，其大小為:1102≈M1≈SBS>Sa，這是因為溫拌劑Sa降低瀝青混合料的低溫性能，因為溫拌劑Sa本質上是一種石蠟，瀝青混合料長時間置于低溫環境中，溶解在瀝青中的蠟分子會與一小部分被它吸附的瀝青一起析出，使得瀝青變得又脆又硬，因此溫拌劑Sa降低了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2)比較三種纖維摻量的溫拌瀝青混合料的抗拉強度，極限彎拉應變的大小，0.3%>0.15%>0%，其中，摻量0.3%的1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的極限彎拉應變比0.15%摻量的混合料分別高6.3%，6.9%，6.2%，摻量0.15%的1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的極限彎拉應變比無纖維的分別高1.7%，4.6%，6.0%；產生上述現象的原因為：纖維在瀝青混合料中起著加筋與橋接的作用，纖維摻量越高，瀝青與集料的黏附能力就越強，混合料的極限抗彎拉能力也就越強，瀝青混合料的低溫抗裂性能也就越好。

5 結論

1)通過高溫車轍實驗、凍融劈裂實驗、低溫彎曲破壞實驗表明，溫拌劑Sasobit可以提升瀝青混合料的高溫性能，對抗水毀能力影響很小，但是顯著降低了混合料的低溫性能。溫拌劑1102與M1能大幅度的提升瀝青混合料的抗水毀能力，對高溫性能及低溫性能的影響不大。

2)從各項路用性能結果來看，當纖維摻量為0.3%和0.15%時，兩種纖維的各類型瀝青混合料的路用性能均能滿足規范要求。瀝青混合料的各項路用性能均隨著纖維量的減少而降低。

3)與熱拌瀝青混合料相比，采用溫拌劑M1、摻量為0.15%的木質纖維的瀝青混合料，其降溫幅度可達31 ℃。該瀝青混合料不僅能滿足路用性能的各項規范要求，還具有節省成本、良好的施工性能和綠色環保等優點。