SMA-13瀝青混合料摻不同纖維路用性能研究

陳源剛

摘要：文章選取SMA-13型瀝青混合料為研究對象，分析摻入竹纖維、木質素纖維、玄武巖纖維對瀝青混合料性能的影響，確定不同類型纖維的最佳摻量、瀝青混合料最佳油石比，開展水穩定試驗、高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和疲勞四點彎曲試驗。試驗結果表明：不同纖維對SMA-13瀝青混合料的路用性能影響不同，纖維的摻入均能改善SMA-13瀝青混合料的各項路用性能；其中，玄武巖纖維對SMA-13瀝青混合料的高溫性能和水穩定性能的提升較其他2種纖維顯著；竹纖維對SMA-13瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能的提升優于玄武巖纖維和木質素纖維。竹纖維屬低碳環保材料，在低溫性能、疲勞性能方面有獨特優勢，具備工程應用推廣價值。

關鍵詞：SMA-13瀝青混合料；纖維材料路用性能；道路工程

中圖分類號：TU12? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0076-04

0 引言

隨著我國高速公路的蓬勃發展，瀝青路面作為主要的鋪裝形式得到大面積推廣。由于我國交通運輸量不斷增加，在環境因素和持續重交通荷載量的作用下，瀝青路面往往過早出現松散脫粒、車轍、水損害、開裂等病害現象，而瀝青混合料摻入纖維材料后可有效提升其各項性能、防止路面病害的發生，該結論已得到相關文獻的證實［1-3］。纖維材料主要應用于SMA瀝青混合料中，起到減少路面破壞、延長道路使用年限的作用。目前，纖維材料在SMA瀝青混合料中應用較多的主要是木質素纖維和玄武巖纖維。劉福軍［4］對比分析玄武巖纖維、木質素纖維、聚酯纖維改善AC-16C、SMA-13兩種瀝青混合料性能的效果，得出結論：玄武巖纖維改善瀝青混合料性能方面優于木質素纖維和聚酯纖維。對于聚合物化學纖維的研究，也有大量的結論可供參考［5］。礦物纖維和聚合物化學纖維造價成本較高，木質素纖維大部分取自原木，生長周期慢，并且為積極響應國家退耕還林及綠色生態環境環保的政策，應盡量采用綠色環保材料。我國具有豐富的竹資源［6］，竹纖維是一種天然環保的有機纖維，具有良好的強度、韌性［7］、較高的耐磨性和良好的染色性。鑒于竹纖維SMA瀝青混合料路用性能的研究較少，本文以包括竹纖維在內的3種纖維對SMA-13瀝青混合料綜合性能的影響進行對比分析，優選纖維種類，為工程實踐的選擇提供參考依據。

1 原材料及配合比

1.1 瀝青

本文采用SBS改性瀝青作為膠結料，瀝青為國產品牌，相關技術指標見表1。

1.2 礦料

采用的集料來自廣西來賓市某石場，粗集料為輝綠巖、細集料為石灰石石屑，礦粉為磨細石灰石粉，性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40—2004）的要求。

1.3 纖維

本文選用的纖維有3種：玄武巖纖維、木質素纖維和竹纖維。纖維外觀如圖1所示，主要技術指標見表2、表3。

1.4 試驗配合比設計

本試驗采用SMA-13型瀝青混合料，配合比設計過程參考JTGF40—2004規范要求，通過室內馬歇爾試驗最終確定無纖維SMA-13、玄武巖SMA-13、竹纖維SMA-13、木質素SMA-13的最佳油石比分別為5.8%、6.0%、6.5%、5.9%，纖維最佳摻量分別為0.4%、0.3%、0.4%。為進行單因素試驗，不同纖維SMA-13瀝青混合料所采用的級配相同且級配與中值級配接近，SMA-13混合料合成級配如圖2所示。

2 路用性能試驗結果與分析

2.1 水穩定性能

瀝青混合料水穩定性能試驗一般采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，由于凍融劈裂試驗方法對瀝青混合料環境條件更為苛刻，因此本研究采用凍融劈裂試驗所獲得的凍融劈裂強度比TSR作為不同纖維SMA-13瀝青混合料的水穩定性能評價指標。TSR試驗結果見表4。

從表4可知，摻入玄武巖纖維、竹纖維、木質素纖維均對SMA-13瀝青混合料的水穩定性能均有一定增幅效果，凍融劈裂強度比TSR比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了8.4%、5.7%、4.3%。纖維的摻入增強了瀝青混合料瀝青油膜抗剝落的能力，玄武巖纖維對瀝青混合料的水穩定性能影響較大，原因是玄武巖本身比竹纖維和木質素纖維具有更好的抗拉拔力和分散性，對瀝青混合料起到加筋的作用。從提升瀝青混合料水穩定性能的效果程度看，玄武巖纖維優于竹纖維和木質素纖維，竹纖維略優于木質素纖維。

2.2 高溫性能

車轍試驗能較好地模擬高溫狀態下實際路面混合料的情況，因此本試驗采用車轍試驗所獲得的動穩定度DS作為SMA-13瀝青混合料的高溫性能評價指標。動穩定度試驗結果見表5和圖3。

由圖3可以直觀地看出，摻入玄武巖纖維、竹纖維、木質素纖維均對SMA-13瀝青混合料的高溫穩定性能有一定的增幅效果，動穩定度DS比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了43.0%、26.4%、18.3%。這是纖維對瀝青混合料起到了黏附作用，纖維與瀝青的結合大幅度加強了混合料整體的抗變形能力，使瀝青混合料的高溫穩定性能得到提升。從影響瀝青混合料高溫穩定性能的效果來看，玄武巖纖維影響程度最高，優于竹纖維和木質素纖維，竹纖維優于木質素纖維。

2.3 低溫性能

采用小梁彎曲試驗方法評價纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結果見表6及圖4至圖6。

由圖4至圖6看出，摻入玄武巖纖維、竹纖維、木質素纖維均對SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的增幅效果，分別表現在抗彎拉強度和最大彎拉應變方面，彎拉應變越大，說明瀝青混合料的抗彎拉能力越強，低溫抗裂能力也越強。3種纖維瀝青混合料抗彎拉強度比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了20.1%、22.2%、4.8%；最大彎拉應變比無纖維SMA-13瀝青混合料分別提升了29.3%、33.5%、7.3%。這是因為纖維對瀝青混合料起到了吸附和搭接作用，纖維與瀝青的結合能大幅度地增強混合料整體的抗變形能力，使瀝青混合料的低溫抗裂性能得到提升。從影響瀝青混合料低溫抗裂性能的效果看，玄武巖纖維和竹纖維遠優于木質素纖維，而竹纖維略優于玄武巖纖維，原因是竹纖維本身具有較好的韌性和恢復變形能力。

2.4 疲勞性能

采用四點彎曲試驗方法來評價纖維瀝青混合料的抗疲勞性能，四點彎曲試驗再現性較好，試驗中試件的破壞狀態能較好地模擬路面實際情況，在控制應力加載方面也較為精確、可靠。試驗方法如下：先采用輪碾法成型400 mm×300 mm×75 mm的板塊試件，再切割為380 mm×65 mm×50 mm的小梁試件，試驗前將試件放入15 ℃的環境箱保溫至少4 h，在15 ℃的試驗條件下，施加荷載頻率為10 Hz的連續式半正弦波荷載，疲勞四點彎曲試驗結果見表7。

采用單對數公式（1）確定疲勞方程參數K和n，通過參數K和n的大小，比較3種不同纖維對瀝青混合料的疲勞性能的影響效果。K值越大，代表瀝青混合料的抗疲勞性能越好，n值越大，代表瀝青混合料的疲勞壽命越容易受應力大小的影響。應力作用下不同纖維的疲勞方程見表8。

lgNf=Kx+nSi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由圖6和表8可知：在不同應力作用下，3種纖維瀝青混合料的疲勞壽命與應力大小均表現出良好的相關性，竹纖維的單對數疲勞壽命擬合方程中K值最大，疲勞壽命次數最高，說明竹纖維的抗疲勞性能最優，從影響瀝青混合料抗疲勞性能的效果來看，竹纖維和玄武巖纖維遠優于木質素纖維，而竹纖維略優于玄武巖纖維，原因是竹纖維本身具有較好的吸油性、耐磨性和自愈合作用。竹纖維表面粗糙度更大，吸油效果更好，與瀝青結合形成較強的裹覆力，對裂縫的擴張產生約束作用，從而阻止裂縫進一步擴大，并以極強的恢復變形能力對瀝青混合料的疲勞損傷產生一定的阻瀉作用和自愈合作用。

3 結論

綜上試驗結果，得出以下結論。

（1）3種不同纖維對SMA-13瀝青混合料的水穩定性能、高溫性能、低溫性能、疲勞性能均有不同程度的提升作用，表明3種纖維均有改善SMA-13瀝青混合料路用性能作用。

（2）在水穩定性能、高溫性能方面，玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料＞竹纖維SMA-13瀝青混合料＞木質素纖維SMA-13瀝青混合料；而低溫性能和疲勞性能方面，竹纖維SMA-13瀝青混合料＞玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料＞木質素纖維SMA-13瀝青混合料。

（3）從試驗結果看，竹纖維改善SMA-13瀝青混合料在低溫性能和疲勞性能方面優于玄武巖纖維和木質素纖維，水穩定性能和高溫性能處于兩種纖維之間，各項性能較為平衡，具備工程實踐推廣和應用價值。

4 參考文獻

［1］魏志學.單摻及復摻纖維的高模量瀝青混合料路用性能研究［J］.合成材料老化與應用，2023，52（1）：66-69.

［2］李俊峰，李文凱，李正強，等.玄武巖纖維排水高黏瀝青混合料性能研究［J］.公路交通科技，2022，39（9）：1-8.

［3］薛金順，蔣應軍.不同類型纖維對AC-20瀝青混合料性能的影響［J］.公路交通技術，2022，38（4）：6-11.

［4］劉福軍.玄武巖纖維瀝青混合料路用性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

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［7］王福利.竹組織構造與強韌功能之間關系的研究［D］.合肥：安徽農業大學， 2017.