蔗渣纖維用量對SMA-13混合料馬歇爾指標的影響

摘要：為促進蔗渣在瀝青路面的使用和推廣，提高瑪蹄脂碎石瀝青（stone matrix asphalt，SMA）混合料的路用性能，根據馬歇爾試驗方法，采用5種蔗渣纖維質量分數（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）和5種油石比（5.6%、5.9%、6.2%、6.5%、6.8%）成型SMA-13混合料試件，確定SMA-13混合料的最佳油石比，分析SMA-13混合料馬歇爾技術指標隨蔗渣纖維質量分數的變化規律，并采用單因素方差分析方法分析蔗渣纖維質量分數對SMA-13混合料馬歇爾技術指標影響的顯著性。結果表明：蔗渣纖維質量分數一定時，隨油石比的增大，SMA-13混合料的馬歇爾穩定度先增大后減小，流值和瀝青飽和度不斷增大，空隙率不斷減小，礦料間隙率先減小后增大；油石比一定時，隨蔗渣纖維質量分數的增大，SMA-13混合料的馬歇爾穩定度、瀝青飽和度先增大后減小，流值、空隙率和礦料間隙率不斷增大。不同質量分數的蔗渣纖維對SMA-13混合料的馬歇爾技術指標具有顯著影響，按影響由強到弱排序為馬歇爾穩定度、流值、礦料間隙率、空隙率、瀝青飽和度。當蔗渣纖維質量分數由0.1%增至0.3%時，馬歇爾穩定度增大41.3%并達到最大馬歇爾穩定度，流值較小，空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度均符合規范要求，蔗渣纖維的最佳質量分數為0.3%。

關鍵詞：瀝青路面；蔗渣纖維；SMA-13混合料；馬歇爾指標

中圖分類號：U416.217文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）04-0065-08

0引言

瑪蹄脂碎石瀝青 （stone matrix asphalt，SMA） 混合料的高溫抗車轍和低溫抗開裂性能優良，廣泛應用于高等級路面建設[1-4]。纖維是SMA混合料不可缺少的成分，可有效防止瀝青從混合料中析出[5]。木質素纖維是常見的路用纖維，價格低廉，吸附瀝青能力較好，在道路工程中應用廣泛[6]。但木質素纖維以木材為主要原料，大量使用會破壞我國的森林資源。近年來，隨著人們環保意識的增強，綠色道路的概念深入人心，將農業廢棄物制成纖維并應用在道路建設中已成為科研人員的研究熱點之一[7-9]。

我國是甘蔗種植大國，每年經制糖業、化工業、水果深加工等工業生產后剩余大量甘蔗渣，采用焚燒方式處理會帶來一系列環境問題[10]。將甘蔗渣制成路用纖維材料，可有效替代木質素纖維和部分礦物纖維，具有重要的經濟價值和環保意義[11-12]。李祖仲等[13]研究表面改性蔗渣纖維的微觀結構、主要成分和力學性能，發現改性蔗渣纖維的吸油率明顯提高，可應用在瀝青路面建設中。Meneses等[14]將蔗渣纖維加入透水磨耗層瀝青混合料中，并與合成纖維對比，評價不同纖維瀝青混合料的路用性能。Umer等[15]以竹纖維和蔗渣纖維為添加劑，測試不同瀝青質量分數下瀝青混合料的動穩定度和凍融劈裂抗拉強度，發現2種纖維的最佳質量分數均為3%。瀝青混合料的馬歇爾技術指標與其路用性能密切相關，合理的馬歇爾技術指標是SMA混合料發揮優良路用性能的關鍵因素。目前，多數研究集中在蔗渣纖維瀝青混合料的路用性能方面，缺少基于不同蔗渣纖維用量對瀝青混合料馬歇爾技術指標影響規律的研究。

本文對蔗渣纖維SMA-13混合料進行配合比設計，通過馬歇爾、謝倫堡瀝青析漏試驗、肯塔堡飛散試驗檢驗試件的路用性能，分析不同質量分數的蔗渣纖維對SMA-13馬歇爾穩定度、流值、空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度的影響規律，為蔗渣纖維瀝青混合料的大規模應用提供參考依據。

1試驗材料及方法

1.1原材料

采用SBS（I-C）改性石油瀝青，根據文獻[16]檢測瀝青樣品技術指標，結果如表1所示。以玄武巖為粗、細集料，以石灰石礦粉為填料，根據文獻[17]檢測礦料性能，相關指標及檢測結果如表2所示。

蔗渣纖維長5～10 cm，將甘蔗渣清洗干凈，去除雜質；采用濕法[18]將其粉碎至平均長度為3～5 mm，平均直徑為0.45～0.65 mm；放入烘箱中干燥至所需含水量后保存備用。

1.2試驗設計

為得到瀝青混合料的最佳油石比，研究蔗渣纖維質量分數對SMA-13混合料馬歇爾技術指標的影響規律，分別采用5種蔗渣纖維質量分數（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）和5種油石比（5.6%、5.9%、6.2%、6.5%、6.8%）成型馬歇爾試件，共設計25組試驗試樣，其中礦粉質量分數均為10%。

采用干拌法拌和蔗渣纖維瀝青混合料[19]，為每組試樣制備4個試件。按設計級配要求將稱量好的粗、細集料及礦粉在163 ℃下預熱，再將集料和蔗渣纖維放入攪拌機中混拌均勻，先后加入瀝青、礦粉攪拌均勻，總拌和時間為3 min。將拌和均勻的SMA-13混合料放入預熱的圓柱形模具中，插搗至規定次數，再用標準擊實儀每面擊實50次[20]。

1.3測試方法

1.3.1壓實SMA-13混合料密度試驗

采用表干法進行壓實SMA-13混合料密度試驗[21]。瀝青混合料試件的毛體積相對密度

γf=ma/（mf-mw），

式中：ma為干燥試件的空中質量，mf為試件的表干質量，mw為試件的水中質量。

1.3.2馬歇爾試驗

將恒溫水浴后的試件放在自動馬歇爾試驗儀上，加載速度為50 mm/min，根據壓力和試件變形曲線得到試件的穩定度MS和流值FL。試件的空隙率

EVV=（1-γf/γt）×100%，

式中γt為瀝青混合料理論最大相對密度。

試件的礦料間隙率

EVMA=（1-Psγf/γsb）×100%，

式中：γsb為礦料合成毛體積相對密度，Ps為各種礦料在瀝青混合料中的質量分數之和。

瀝青飽和度

EVFA=100%×（EVMA- EVV）/ EVMA。

1.3.3謝倫堡瀝青析漏試驗

采用謝倫堡瀝青析漏試驗檢測SMA-13混合料析出的瀝青質量。瀝青析漏損失

Δm=100%×（md-mb）/（mc-mb），（1）

式中：md為燒杯及黏附物質的總質量，mc為燒杯及瀝青混合料總質量，mb為燒杯質量。

1.3.4肯塔堡飛散試驗

采用肯塔堡飛散試驗檢測SMA-13混合料中集料脫落的程度。根據文獻[16]中的T0733—2011試驗方法，將質量為me的試件放在溫度為20 ℃的恒溫水槽中浸泡20 h，取出后擦除試件表面水分，測量總質量，再放進洛杉磯試驗儀中旋轉300轉，測量其殘余質量mh，瀝青混合料的飛散損失

ΔS=100%×（me-mh）/me。（2）

2SMA混合料配合比設計

2.1礦料級配設計

采用SMA-13礦料級配類型制備瀝青混合料，合成級配曲線如圖1所示。

根據蔗渣纖維瀝青混合料馬歇爾試驗結果繪制油石比關系曲線圖，以空隙率為4%時的油石比為最佳油石比[22-23]，并按文獻[20]要求檢驗各技術指標。蔗渣纖維質量分數分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，瀝青混合料的最佳油石比分別為5.66%、5.78%、5.96%、6.03%、6.15%。

瀝青混合料的最佳油石比隨蔗渣纖維質量分數的增大而增大。纖維增多，纖維比表面積增大，纖維吸附自由瀝青的能力提高[24]，最佳油石比增大。

2.2配合比設計檢驗

通過謝倫堡析漏試驗和肯特堡飛散試驗驗證SMA-13混合料的力學性能及體積指標符合文獻[16]要求。根據式（1）（2）分別對不同蔗渣纖維質量分數的SMA-13混合料計算瀝青析漏損失和飛散損失，結果如表3所示。

由表3可知：所有SMA-13混合料配合比設計檢驗均符合要求，基于最佳油石比下的5種蔗渣纖維SMA-13混合料配合比設計合理。

3蔗渣纖維質量分數對馬歇爾技術指標的影響

3.1馬歇爾穩定度

在不同蔗渣纖維質量分數w（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）及不同油石比（5.6%、5.9%、6.2%、6.5%、6.8%）下，SMA-13混合料的馬歇爾穩定度變化如圖2所示。

由圖2可知：蔗渣纖維質量分數為0.1%～0.5%時，SMA-13混合料的馬歇爾穩定度隨油石比的增大而先增大后減小。隨油石比增大，結構瀝青膜逐漸形成并在礦料顆粒間充分聯結，SMA-13混合料的結構強度增大，能抵抗較大荷載。油石比過高，在礦料顆粒間形成自由瀝青并產生潤滑作用，黏結力減弱，馬歇爾穩定度減小。

油石比一定時，馬歇爾穩定度隨蔗渣纖維質量分數的增大而先增大后減小，表明蔗渣纖維在SMA-13混合料中存在最佳質量分數。當纖維質量分數由0.1%增至0.3%時，馬歇爾穩定度增大41.3%，并達到最大馬歇爾穩定度，繼續加入蔗渣纖維，馬歇爾穩定度顯著減小。加入蔗渣纖維后，在蔗渣纖維表面形成黏度較高的結構瀝青，礦料顆粒黏結更牢固，SMA-13混合料的高溫抗剪強度提高。蔗渣纖維的質量分數較大時，在SMA-13混合料內部分散不均勻，纖維聚集，難以形成穩定的纖維骨架網絡結構，出現應力集中現象，SMA-13混合料的整體抗剪強度減小。當蔗渣纖維質量分數為0.3%時，SMA-13混合料的力學性能最佳；當蔗渣纖維質量分數分別為0.1%、0.2%時，馬歇爾穩定度普遍較小，不建議采用。

3.2流值

不同蔗渣纖維質量分數及油石比條件下，SMA-13混合料的流值變化見圖3。由圖3可知：蔗渣纖維質量分數為0.1%～0.5%時，SMA-13混合料的流值隨油石比的增大而增大；油石比一定時，SMA-13混合料的流值隨蔗渣纖維的質量分數由0.1%增至0.2%而增大，蔗渣纖維的質量分數不小于0.3%時，SMA-13混合料的流值明顯增大，但變化規律較復雜。油石比增大則瀝青增多，SMA-13混合料的變形增大。流值過大，破壞荷載下SMA-13混合料的垂直變形過大，主要是因為較大質量分數的蔗渣纖維在瀝青混合料內部分散不均，出現結團現象。

3.3空隙率

SMA-13混合料的空隙率隨不同蔗渣纖維質量分數和油石比的變化趨勢如圖4所示。

由圖4可知：蔗渣纖維質量分數為0.1%～0.5%時，SMA-13混合料的空隙率隨油石比的增大而不斷減小；油石比為5.6%～6.8%時，SMA-13混合料的空隙率隨蔗渣纖維質量分數的增大而增大。瀝青增多能有效填充礦料間隙，減少SMA-13混合料內部空隙。蔗渣纖維占據一定空間，在SMA-13混合料中的總體積占比增大，阻礙礦料顆粒的有效接觸，導致SMA-13混合料的空隙率增大。當蔗渣纖維質量分數由0.1%增至0.3%時，SMA-13混合料的空隙率平均增大10.4%，蔗渣纖維質量分數由0.3%繼續增至0.5%時，SMA-13混合料的空隙率平均增大15.46%。蔗渣纖維質量分數過大，在SMA-13混合料內部形成纖維團聚，空隙結構較大。

3.4礦料間隙率

合理的礦料間隙率有利于形成穩定的礦料骨架結構，結合足夠的瀝青可提升SMA-13混合料的整體耐久性和表面抗滑性能。SMA-13混合料的礦料間隙率隨不同蔗渣纖維質量分數和油石比的變化趨勢如圖5所示。

由圖5可知：1）蔗渣纖維質量分數為0.1%～0.5%時，SMA-13混合料的礦料間隙率隨油石比增大而先減小后增大；油石比為5.6%～6.8%時，礦料間隙率隨蔗渣纖維質量分數的增大而增大。2）當油石比較小時，SMA-13混合料中的瀝青填充到礦料空隙中，形成瀝青膜包裹在集料表面，SMA-13混合料內部結構更緊密，礦料間隙率減??；隨油石比不斷增大，過多的瀝青會增大礦料顆粒的流動性，礦料間隙率增大。3）當蔗渣纖維質量分數由0.1%增至0.3%時，礦料間隙率平均增大5.12%；繼續加入蔗渣纖維，礦料間隙率顯著增大。蔗渣纖維作為填充物存在于礦料間隙中，減少礦料顆粒間的緊密堆積程度，增大SMA-13混合料內部的空隙。蔗渣纖維在壓實過程中產生架橋效應，阻礙集料顆粒間的緊密接觸，壓實后的礦料間隙率增大。

3.5瀝青飽和度

SMA-13混合料的瀝青飽和度隨不同蔗渣纖維質量分數和油石比的變化趨勢如圖6所示。

由圖6可知：1）當纖維質量分數一定時，SMA-13混合料的瀝青飽和度隨油石比增大而不斷增大；當油石比一定時，瀝青飽和度隨蔗渣纖維質量分數的增大先增大后減小。2）油石比增大時，摻入SMA-13混合料中的瀝青更多，更充分地填充礦料間隙。3）當蔗渣纖維質量分數由0.1%增至0.3%時，瀝青飽和度平均增大4.54%，加入蔗渣纖維有助于分散瀝青，促使瀝青在集料表面均勻分布，增加瀝青的填充效果，瀝青飽和度增大；過多的蔗渣纖維限制瀝青的自由流動，難以有效填充礦料間隙，瀝青飽和度減小。

3.6方差分析

為檢驗不同質量分數的蔗渣纖維是否對SMA-13混合料的馬歇爾技術指標產生顯著影響，統計分析馬歇爾穩定度MS、流值FL、空隙率EVV、礦料間隙率EVMA、瀝青飽和度EVFA的試驗結果，所有數據均呈正態分布且具有方差齊性。采用單因素方差分析在特定置信度限制下確定顯著性。本文設定顯著性水平α=0.05[25]，SMA-13混合料單因素方差分析結果如表4所示。

由表4可知：所有測量得到的Plt;0.05，表明不同質量分數的蔗渣纖維對SMA-13混合料的馬歇爾技術指標均有顯著影響。根據偏Eta方指標，馬歇爾各技術指標受蔗渣纖維質量分數影響按從強到弱排序為馬歇爾穩定度、流值、礦料間隙率、空隙率、瀝青飽和度，應根據SMA-13混合料的馬歇爾技術指標的變化綜合考慮，確定合理的蔗渣纖維質量分數范圍。

4結論

本文采用馬歇爾試驗方法對SMA-13混合料進行配合比設計，研究在瀝青混合料中不同質量分數（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）的蔗渣纖維對瀝青混合料的穩定度、流值、空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度的影響。

1）蔗渣纖維質量分數為0.1%～0.5%時，隨油石比的增大，SMA-13混合料的馬歇爾穩定度先增大后減小，流值和瀝青飽和度不斷增大，空隙率不斷減小，礦料間隙率先減小后增大。

2）當石油石比為5.6%～6.8%時，隨蔗渣纖維質量分數的增大，SMA-13混合料的馬歇爾穩定度和瀝青飽和度先增大后減小，流值、空隙率和礦料間隙率均增大。

3）蔗渣纖維質量分數對SMA-13混合料馬歇爾技術指標均有顯著影響，按馬歇爾技術指標受纖維質量分數影響由強到弱排序為馬歇爾穩定度、流值、礦料間隙率、空隙率、瀝青飽和度。

4）當蔗渣纖維質量分數由0.1%增至0.3%時，馬歇爾穩定度增大41.3%，達到最大馬歇爾穩定度，高溫抗剪切性能最好；蔗渣纖維質量分數為0.3%的SMA-13混合料的流值較小，且其他各項指標均符合規范要求，推薦蔗渣纖維的最佳質量分數為0.3%。

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Impact of sugarcane bagasse fiber dosage on

Marshall indexes of SMA-13 mixtures

Abstract：To promote the use and popularization of sugarcane bagasse in asphalt pavement， and to improve the performance of stone matrix asphalt （SMA） mixtures， SMA-13 specimens are prepared using five different mass fractions of sugarcane fiber （0.1%， 0.2%， 0.3%， 0.4%， 0.5%） and five different bitumen-to-stone ratios （5.6%， 5.9%， 6.2%， 6.5%， 6.8%） based on the Marshall test method. The optimal bitumen-to-stone ratio of the asphalt mixture is determined， and the variation of Marshall technical indexes with the mass fraction of sugarcane fibers is analyzed. Single-factor analysis of variance is used to determine the significance of the influence of sugarcane fiber mass fractions on the Marshall technical indexes of the asphalt mixture. The results show that with a constant mass fraction of sugarcane fiber， as the bitumen-to-stone ratio increases， the Marshall stability of the SMA-13 mixture first increases and then decreases， while the flow value and bitumen saturation continuously increases， and the void ratio decreases continuously， with the aggregate interstitial ratio initially decreasing and then increasing. With a constant bitumen-to-stone ratio， as the mass fraction of sugarcane fiber increases， the Marshall stability of the SMA-13 mixture first increases and then decreases， while the flow value， void ratio， and aggregate interstitial ratio increases continuously， with bitumen saturation first increasing and then decreasing. Sugarcane fibers of different mass fractions significantly influence the Marshall technical indicators of the SMA-13 mixture， ranked in order of influence from strongest to weakest as Marshall stability， flow value， aggregate interstitial ratio， void ratio， and bitumen saturation. When the mass fraction of sugarcane fiber increases from 0.1% to 0.3%， the Marshall stability increases by 41.3% to reach maximum Marshall stability， with low flow value and compliant void ratio， aggregate interstitial ratio， and bitumen saturation， indicating the optimal mass fraction of sugarcane fiber to be 0.3%.

Keywords：asphalt parement; bagasse fiber; SMA-13 mixture; Marshall index