楊琳

摘要：通過對木質(zhì)素、聚酯、聚丙烯、玄武巖和海泡石纖維SMA混合料的路用性能及改性機理對比分析，研究了不同纖維對SMA混合料的適用性。結(jié)果表明，不同類型的纖維對SMA混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及疲勞抗裂性均有顯著影響，其中海泡石纖維的綜合路用性能最優(yōu)，聚丙烯纖維的低溫抗裂性和抗疲勞耐久性較好，而木質(zhì)素纖維的低溫抗裂性和抗疲勞性能最差。

關(guān)鍵詞：SMA瀝青混合料；纖維；路用性能；路面工程

中圖分類號：U414.03 文獻標志碼：B

Abstract： The impact of lignin， polyester， polypropylene， basalt and sepiolite fiber on SMA mixtures pavement performance was studied. The results show that all these types of fibers have significant impact on the SMA mixtures high temperature stability， crack resistance at low temperature， water stability and fatigue crack resistance， among which sepiolite fiber has the best performance in general. Polypropylene shows good results in terms of crack resistance at low temperature and fatigue crack resistance， while lignin has the worst performance in these aspects.

Key words： SMA mixture； fiber； pavement performance； pavement engineering

0 引 言

纖維作為SMA瀝青混合料重要原材料之一，對瀝青混合料合理的體積組成設(shè)計及優(yōu)良的使用性能具有重要影響[1-3]。對已損壞的SMA瀝青路面的調(diào)查結(jié)果表明，木質(zhì)素纖維在混合料中結(jié)團、分散不均勻以及熱分解退化降解和抗酸堿腐蝕能力差等問題是導(dǎo)致SMA混合料出現(xiàn)早期損害的主要原因之一[4]。大多數(shù)纖維改性材料對瀝青混合料的路用性能改善效果比較單一，存在局限性，有必要研究不同纖維對SMA混合料的適用性。因此本文選用木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維和海泡石纖維進行對比分析，并推薦了不同纖維SMA混合料的適用性，希望對于促進SMA混合料的推廣應(yīng)用和同類工程設(shè)計具有一定的參考借鑒價值。

1 原材料技術(shù)性能及配比

1.1 纖維類型

試驗選用工程中常用的木質(zhì)素、聚酯、聚丙烯、玄武巖、海泡石5種纖維類型，為方便對比研究，所有纖維摻量均為3‰（占混合料質(zhì)量的百分比）[5-6]。

1.2 瀝青及集料類型

試驗研究選用殼牌SBS改性瀝青（I-B類，SBS劑量4%），瀝青的性能試驗檢測結(jié)果表明符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中的技術(shù)指標要求。兩檔5～10 mm、10～15 mm的粗集料選用玄武巖，0～3 mm、3～5 mm兩檔細集料采用石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，經(jīng)檢測集料的各項技術(shù)指標均滿足現(xiàn)行施工規(guī)范技術(shù)要求。

2 不同纖維種類的SMA瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1 確定混合料合成級配

采用SMA-13級配，根據(jù)粗細集料的篩分結(jié)果和工程級配要求，以9.5 mm、4.75 mm篩孔為關(guān)鍵篩孔，初試3種不同級配，以粗集料骨架間隙率VCAmin

2.2 確定最佳瀝青用量

試驗時纖維的摻加方式采用“干法”工藝，即先將預(yù)定質(zhì)量的纖維和集料一起干拌90 s，使纖維在礦料中分散均勻，然后再加入SBS改性瀝青，拌和60 s，最后加入礦粉，拌和90 s，總拌和時間為4 min。根據(jù)工程經(jīng)驗，以6.2%油石比為中值，間隔0.3%變化5組瀝青用量，雙面各擊實75次成型標準馬歇爾試件，以馬歇爾體積參數(shù)再確定最佳油石比。不同纖維SMA-13混合料馬歇爾試件體積參數(shù)和最佳油石比試驗結(jié)果見表1、2。

配合比設(shè)計結(jié)果表明，木質(zhì)素纖維SMA混合料的最佳油石比最大，聚酯纖維次之，其余纖維最佳油石比相差不大，這主要是纖維吸油所導(dǎo)致；5種纖維改性瀝青混合料的穩(wěn)定度值均大于6 kN，可見纖維可以提高瀝青混合料的增粘和連結(jié)作用；此外，馬歇爾空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等各項體積指標均滿足施工規(guī)范要求。

3 摻配不同纖維的SMA瀝青混合料路用性能

3.1 不同纖維SMA瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

瀝青路面的高溫穩(wěn)定性是指瀝青混合料在環(huán)境溫度和車輛荷載作用下塑性變形的能力。瀝青路面高溫穩(wěn)定性不足所表現(xiàn)出來的病害主要包括推移、擁包、搓板、車轍等。現(xiàn)行施工規(guī)范采用車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，以車轍試驗動穩(wěn)定度DS作為評價指標[9-10]。但考慮到車轍試驗一般只能模擬初始壓密階段和固結(jié)蠕變階段初期，而動穩(wěn)定度指標僅表示了壓實穩(wěn)定期流動變形增長的速率，并沒有考慮壓實過渡期變形的影響，且試驗過程中發(fā)現(xiàn)5種纖維SMA混合料的動穩(wěn)定度均達到了6 700 次·mm-1以上，采用車轍試驗并不能很好地區(qū)分纖維種類對SMA混合料高溫穩(wěn)定性的影響。因此，筆者采用小型加速加載試驗來研究纖維SMA混合料的高溫穩(wěn)定性，參考已有研究成果，試驗采用60 ℃和70 ℃兩種溫度，加載速率為6 500 次·h-1（相當于實際車速7.2 km·h-1），試驗輪壓力為07 MPa。試件按照加速加載試模尺寸由大馬歇爾試件切割而成（厚度為5 cm），取不同加載次數(shù)下平行試件車轍深度的平均值和車轍深度，沿試件橫斷面的變化規(guī)律為研究目標，記錄車轍深度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律，試驗結(jié)果見圖1、2所示。

由加速加載試驗結(jié)果可知，5種纖維的SMA混合料車轍深度均隨著加載次數(shù)的增加而增大，混合料試件在試驗輪的作用下產(chǎn)生永久變形，表現(xiàn)為沿著輪跡帶方向的縱向壓縮，同時兩側(cè)伴有隆起現(xiàn)象，形成類似“W”型的斷面。加速加載試驗過程中，車轍形成過程可以明顯的分為3個階段，即初始壓密階段、瀝青混合料的側(cè)向流動（蠕變穩(wěn)定階段）、礦質(zhì)集料的重新排列以及礦質(zhì)骨架的破壞（破壞階段）。這與現(xiàn)有路面橫斷面實測數(shù)據(jù)及國內(nèi)外研究成果相吻合，可見加速加載試驗可快速準確評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。其次，對于不同纖維類型的SMA混合料試件，相同加載次數(shù)下試件車轍深度由大到小依次排列是：木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、海泡石纖維，可見海泡石纖維SMA混合料的抵抗高溫永久變形的能力最優(yōu)。分析纖維對SMA混合料的高溫穩(wěn)定性改性機理：由于纖維單絲的三向隨機分布，在混合料內(nèi)部形成了復(fù)雜的纖維骨架空間網(wǎng)絡(luò)，對瀝青膠漿起到了“加筋”和“錨固”的作用；同時纖維的親油性使其與瀝青有了很強的吸附性，瀝青膠漿與集料界面的粘結(jié)強度和握裹力增大，增強了混合料的整體性，保證了SMA混合料的高溫穩(wěn)定性和耐久性；使瀝青的粘稠度和粘聚力增大，降低了流動性，使SBS改性瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即逐漸由溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?凝膠結(jié)構(gòu)甚至凝膠結(jié)構(gòu)，同時限制了集料的側(cè)向位移或流動，有效地改善了高溫穩(wěn)定性。

3.2 不同纖維的SMA混合料低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗評價纖維SMA混合料的低溫抗裂性。小梁試件由車轍板切割而成，試件尺寸為30 mm×35 mm×250 mm，試驗溫度為-10 ℃。試驗采用單點加載方式，支點間距200 mm，加載速率為50 mm·min-1，以破壞應(yīng)變和單位體積的破壞能指標來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果見表3所示。

表3試驗結(jié)果表明，在3‰摻量條件下，所有摻加纖維的SMA混合料的最大彎拉應(yīng)變均遠大于3 000 με，滿足現(xiàn)行施工規(guī)范要求，可見纖維SMA混合料具有較好的低溫抗裂性。相同摻量條件下，最大彎拉應(yīng)變由大到小依次排列是海泡石纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。單位體積破壞應(yīng)變能也有類似變化規(guī)律，表明海泡石纖維的低溫抗裂性最好。分析纖維改善SMA混合料低溫抗裂性的原因：纖維的比表面積大，其增粘作用可顯著地增加集料表面的瀝青膜厚度，增加結(jié)構(gòu)瀝青數(shù)量，這也增強了纖維瀝青膠漿與礦料間的界面作用力；且在溫度較低時，纖維在SBS膠漿中發(fā)生膠凝硬化，產(chǎn)生鍥入與錨固，從而提高溫拌再生混合料的柔性，改善低溫抗裂性能；此外，摻加纖維后SMA混合料的最佳油石比增大，小梁試件的柔性增強，這也有利于提高混合料的低溫抗裂性。

3.3 不同纖維SMA混合料水穩(wěn)定性

將馬歇爾試件（正反50 次/面）分成兩組，一組放置在25 ℃水浴中保溫至少2 h后測其劈裂強度；另一組先在25 ℃水、真空壓力0.09 MPa的情況下飽水15 min，后在常壓下浸泡30 min，之后放入-18 ℃的冰箱中冷凍16 h，再放入60 ℃恒溫水浴中保溫24 h，最后放入25 ℃水浴中浸泡2.5 h后測其劈裂強度，此為一個凍融循環(huán)[11]。以兩組試件劈裂強度平均值的比值作為評價指標，試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3試驗結(jié)果可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SMA混合料的劈裂強度呈直線下降，經(jīng)一次凍融循環(huán)后TSR均大于89%，滿足規(guī)范大于75%的技術(shù)要求。但經(jīng)6次凍融循環(huán)后，玄武巖纖維SMA混合料劈裂強度僅為初始劈裂強度的48.7%，而木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和海泡石纖維經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后劈裂強度仍大于0.64 MPa，可見木質(zhì)素、聚酯和海泡石纖維無論是凍融劈裂強度還是劈裂強度均相差不大，聚丙烯纖維次之，而玄武巖纖維水穩(wěn)定性最差。

3.4 疲勞性能研究

采用室內(nèi)小梁疲勞試驗（控制應(yīng)力）對不同纖維SMA瀝青混合料疲勞性能進行了研究。參考國內(nèi)大多采用的研究方法，疲勞試驗試件尺寸為50 mm×50 mm×250 mm，加載波形為10 Hz連續(xù)式正弦波， 試驗溫度為15 ℃。為了減小疲勞試驗數(shù)據(jù)誤差，本文將疲勞壽命作為一個隨機變量，采用Weibull分布概率統(tǒng)計方法對其進行了研究，結(jié)果如圖4所示。

試驗結(jié)果表明，在相同失效概率條件下，5種纖維SMA混合料疲勞試驗擬合結(jié)果K值由大到小依次是海泡石纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維，n值由小到大依次是海泡石纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。K值越大，疲勞曲線的線位越高，表示混合料的疲勞壽命提高；n值越小，疲勞曲線越平緩，表明混合料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化越不敏感?？梢姾Ｅ菔w維的抗疲勞性能最優(yōu)，其次是聚丙烯纖維，而木質(zhì)素纖維的抗疲勞性能最差。分析纖維改善溫拌再生混合料的改性機理：由于纖維的比表面積較大，當纖維分布在瀝青中時，其巨大的表面積能夠形成浸潤表面，與瀝青充分接觸融合，使集料有更強的粘附力，保證了混合料的整體性，從而提高瀝青混合料的疲勞壽命；且將纖維摻加到混合料中后，由于其吸附穩(wěn)定作用，致使混合料的瀝青用量增加，瀝青膜厚增加，從而增強了混合料的柔性，在細裂紋的填隙、彌合中，纖維瀝青膠漿起到了緩沖荷載的作用，進而增強了混合料抗疲勞性能[12-16]。

4 結(jié) 語

（1） 纖維SMA混合料試件在加速加載試驗輪的作用下產(chǎn)生了豎向累積永久變形，表現(xiàn)為沿著輪跡帶方向的縱向壓縮，同時兩側(cè)伴有隆起現(xiàn)象，形成類似“W”型斷面。以加速加載試驗評價各纖維SMA混合料的高溫抗永久變形耐久性，海泡石纖維的高溫穩(wěn)定性最好，其次是玄武巖纖維，木質(zhì)素纖維的高溫穩(wěn)定性最差。

（2） 摻加纖維的SMA混合料具有優(yōu)良的低溫抗裂性，相同摻量條件下，最大彎拉應(yīng)變由大到小依次是海泡石纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維，對于單位體積破壞應(yīng)變能也有類似變化趨勢，可見海泡石纖維的低溫抗裂性最優(yōu)，聚丙烯纖維次之。endprint

（3） 隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和海泡石纖維的凍融劈裂強度和劈裂強度比均相差不大，聚丙烯纖維次之，而玄武巖纖維的水穩(wěn)定性最差。

不同種類纖維對SMA混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及疲勞抗裂性均有顯著的影響，必須結(jié)合實際工程的要求和特點，對纖維材料的性能和特點進行選擇和取舍，以降低車輛荷載作用下瀝青混合料的應(yīng)變，達到提高瀝青路面抗車轍能力和瀝青路面耐久性的目的。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint