張晨晨 錢振東 牛 巖 王旭東

(1東南大學(xué)智能運輸系統(tǒng)研究中心, 南京 210096)(2交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

SMA是由瀝青、礦粉和纖維等組成的瀝青瑪蹄脂來填充粗集料骨架間隙的一種典型骨架密實瀝青混合料，具有良好的高溫抗車轍能力、低溫抗裂能力、耐疲勞性、水穩(wěn)性及抗滑性能，自1960年代問世以來在國內(nèi)外高等級路面中得到廣泛應(yīng)用[1-3].木質(zhì)顆粒纖維相比于木質(zhì)絮狀纖維具有不易潮濕、運輸方便、投放精度高及不成團等優(yōu)點，在SMA路面工程中常被采用[4-5].木質(zhì)顆粒纖維在室內(nèi)配合比設(shè)計中，通常以人工分散后摻入的方式開展相關(guān)試驗，并假定木質(zhì)顆粒纖維在廠拌過程中也能夠完全分散[6].然而在SMA路面工程中，由于纖維品質(zhì)不佳或拌和時間不足等原因而導(dǎo)致的纖維分散性不佳或不均勻現(xiàn)象較為常見，易引起SMA路面出現(xiàn)泛油、車轍及路表構(gòu)造衰減過快等病害；為保證顆粒纖維的分散性而盲目提高纖維指標(biāo)要求或延長拌和時間又必將影響工程的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟性[7].國內(nèi)外關(guān)于木質(zhì)顆粒纖維的分散性定量評價方面的相關(guān)研究較少，封基良[8]采用水懸浮分離、大比重液體懸浮分離、燃燒爐分離、電子顯微鏡觀察及三氯乙烯溶解等多種手段，但均未取得較好的定量評價效果.目前在工程實踐中仍主要憑借技術(shù)人員的相關(guān)經(jīng)驗來主觀定性評價木質(zhì)顆粒纖維的分散性，因此急需一種科學(xué)、有效的木質(zhì)顆粒纖維分散性檢測方法，從而為木質(zhì)顆粒纖維甄選、拌和工藝優(yōu)化及施工質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù).

本文根據(jù)纖維在瀝青混合料的作用機理，提出了有效纖維含量的概念，并基于有效纖維含量與析漏損失兩者的相關(guān)性，設(shè)計并驗證了一種木質(zhì)顆粒狀纖維在瀝青混合料中分散性的檢測方法，研究分析纖維制粒劑、木漿來源、干拌時間、濕拌時間及拌和溫度等影響因素對木質(zhì)顆粒纖維分散性的影響.

1 木質(zhì)纖維有效含量與分散性檢測

1.1 木質(zhì)顆粒纖維有效含量與分散率

SMA混合料在拌和生產(chǎn)過程中，所添加的木質(zhì)顆粒纖維通過與礦料的撞擊、剪切及摩擦逐步從顆粒變成纖維單絲，并均勻分布于瀝青混合料中與瀝青、礦粉形成瑪蹄脂，其具體分散過程見圖1.每克未分散的木質(zhì)顆粒纖維其表面積僅為數(shù)平方厘米，難以發(fā)揮吸附瀝青作用；而其分散后纖維單絲數(shù)量可達數(shù)十萬根，表面積增長千倍，達0.1 m2以上[9].木質(zhì)顆粒纖維充分發(fā)揮“吸附、穩(wěn)定、提黏、增強、阻裂”作用，其前提是顆粒纖維能分散為纖維單絲并均布于瀝青混合料中，依靠其巨大的比表面積吸附與穩(wěn)定瀝青，增大瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的比例，保證瀝青混合料施工和易性.為了量化表征木質(zhì)顆粒纖維在瀝青混合料中的分散特性，本文將纖維有效含量Ce定義為顆粒纖維經(jīng)拌和分散后，均布于SMA混合料中充分發(fā)揮纖維吸油作用的纖維單絲含量.木質(zhì)顆粒纖維分散率P定義為木質(zhì)顆粒纖維有效含量Ce與木質(zhì)顆粒纖維實際摻量C的百分比，即P=Ce/C×100%.

圖1 木質(zhì)顆粒纖維分散過程示意圖

1.2 木質(zhì)顆粒纖維分散性評價方法設(shè)計

析漏損失是用以檢驗SMA混合料在存貯、運輸和鋪筑過程中自由瀝青析出量的一個重要檢測指標(biāo)，其數(shù)值大小與SMA混合料級配、油石比及纖維有效含量等因素有關(guān).根據(jù)復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理，瀝青-纖維膠漿的黏度可由愛因斯坦混合率[10]表達：

η=ηm(1+KEφf)

(1)

式中，η為瀝青-纖維復(fù)合材料的黏度；ηm為瀝青的黏度；KE為纖維的愛因斯坦系數(shù)；φf為纖維的體積分?jǐn)?shù).由于纖維的愛因斯坦系數(shù)KE遠大于礦粉的愛因斯坦系數(shù)，因此摻加少量纖維即可大幅增加瀝青瑪蹄脂黏度，從而達到增大瀝青用量和降低析漏損失的目的.

大量相關(guān)研究也表明木質(zhì)纖維的摻量與SMA混合料析漏損失成反比，且兩者可用數(shù)學(xué)模型表征[11].因此若能排除級配與油石比等其他因素對析漏損失的影響，即可通過測定廠拌SMA混合料的析漏損失Δm，根據(jù)室內(nèi)Δm-Ce模型間接計算混合料中的有效纖維含量Ce.

本文設(shè)計的基于Δm-Ce模型的木質(zhì)顆粒纖維分散率間接測試法，其核心設(shè)計思路為：① 依照拌和樓當(dāng)日生產(chǎn)的瀝青混合料的實測級配與油石比備樣以消除級配與油石比波動的影響，按不同的有效纖維含量進行室內(nèi)析漏試驗，并建立析漏損失Δm與有效纖維含量Ce的數(shù)學(xué)模型.② 測定廠拌SMA混合料的析漏損失Δm,并將其代入Δm-Ce的數(shù)學(xué)模型反算有效纖維含量Ce，最終得到木質(zhì)顆粒纖維分散率P.

2 原材料與試驗方案

2.1 瀝青與礦料級配

本試驗瀝青選用SBS改性瀝青，粗集料為輝綠巖，細(xì)集料與礦粉為石灰?guī)r.試驗瀝青混合料為SMA-13，設(shè)計最佳油石比為5.7%，試驗當(dāng)日實測油石比為5.6%.SMA-13設(shè)計級配與當(dāng)日實測級配見表1.

表1 SMA-13瀝青混合料設(shè)計與實測級配

注：r為篩孔尺寸.

2.2 木質(zhì)顆粒纖維

木質(zhì)顆粒纖維為木質(zhì)絮狀纖維通過造粒工藝而形成的纖維成品.目前常見的造粒工藝主要分為2類[12]：① 以瀝青等熱熔性材料為制粒劑，主要通過制粒劑的裹覆黏結(jié)作用造粒成型，其制粒劑含量一般在10%以上；② 制粒劑為非瀝青類材料，通過添加少量無機填料、高熔點合成蠟或其他類似合成物，主要依靠物理擠壓的方式造粒成型，纖維顆粒質(zhì)地相對密實堅硬.木質(zhì)顆粒纖維按木漿材質(zhì)來源又可分為原生木漿顆粒纖維與廢紙回收木槳顆粒纖維.本試驗采用的木質(zhì)顆粒纖維共4種，分別為德國品牌A，B與國產(chǎn)品牌C，D，其中進口纖維材質(zhì)均為原生木漿，國產(chǎn)纖維材質(zhì)為回收木漿；纖維A，D的制粒劑為瀝青，B，C的制粒劑為非瀝青.4種木質(zhì)顆粒纖維設(shè)計摻量均為0.4%，其具體技術(shù)指標(biāo)見表2.

表2 木質(zhì)顆粒纖維技術(shù)指標(biāo)

2.3 試驗方案設(shè)計

結(jié)合依托工程的特點，分析制粒劑、木漿來源、干拌時間、濕拌時間與拌和溫度5種影響因素對木質(zhì)顆粒纖維分散特性的影響.其中木質(zhì)顆粒纖維為4種；干拌時間為0, 5, 10, 15 s；濕拌時間為40, 50, 60, 70 s；拌和溫度為170, 180, 190 ℃.具體試驗方案見表3.

表3 木質(zhì)顆粒纖維分散特性試驗方案

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 有限纖維含量與析漏損失的關(guān)系

依照表1的實測級配和油石比進行室內(nèi)備樣，其中木質(zhì)顆粒纖維經(jīng)人工分散后摻入，先同礦料干拌60 s后濕拌120 s，以保證所摻加的纖維在室內(nèi)拌和中均勻分散成為有效纖維.纖維添加量分別為0, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%.按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(T0732—2011)進行析漏試驗，試驗溫度為185 ℃，試驗結(jié)果見圖2.

圖2 有效纖維含量與析漏損失的關(guān)系

由圖2可見，4種摻加不同纖維的SMA瀝青混合料的析漏損失Δm，均隨著有效纖維含量Ce的增加而快速衰減，且兩者可用指數(shù)衰減模型表征，其決定系數(shù)R2在0.971之上.Δm-Ce模型具體表達式為

Δm=a+becCe

(2)

式中,a，b，c為回歸系數(shù).4種摻加不同纖維的SMA瀝青混合料，其析漏損失排序由小到大為B，A，C，D，與木質(zhì)顆粒纖維自身吸油率相對應(yīng).木質(zhì)顆粒纖維的吸油特性主要與纖維材質(zhì)及制粒劑有關(guān)，原生木漿對瀝青的吸附和穩(wěn)固能力要高于回收廢紙木漿，而瀝青制粒在一定程度上會削弱纖維的整體吸油能力.

3.2 木質(zhì)顆粒纖維分散性結(jié)果分析

試驗采用西筑-4000型間歇拌和樓，每盤混合料設(shè)定質(zhì)量為3 000 kg，木質(zhì)纖維通過外部自動投放設(shè)備摻加，依照表3的試驗方案依次逐盤拌和生產(chǎn).對生產(chǎn)的每盤瀝青混合料在不同位置取樣進行4組平行試驗測定析漏損失Δm，并根據(jù)對應(yīng)的Δm-Ce模型計算纖維有效含量與分散率，試驗結(jié)果見表4.

表4 木質(zhì)顆粒纖維分散率試驗結(jié)果

由表4可見，不同組瀝青混合料的木質(zhì)顆粒纖維有效含量與分散率存在較為明顯的差異，每組的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小且變異系數(shù)在2.1%～11.4%之間.這說明基于Δm-Ce模型的木質(zhì)顆粒纖維分散率間接測試方法不僅能夠有效區(qū)分不同的拌和工藝和纖維材料，還具有良好的試驗精度和可靠性.

濕拌是指礦料與瀝青共同拌和的過程，其目的是保證瀝青充分、均勻地裹附于礦料表面，提高瀝青混合料的均勻性.圖3為不設(shè)置干拌環(huán)節(jié)，在不同濕拌時間下的木質(zhì)顆粒纖維分散率結(jié)果.40 s為該拌和樓保證瀝青混合料拌和充分、無花白料的濕拌時間下限，當(dāng)濕拌時間逐步增至70 s時，木質(zhì)顆粒纖維分散率從48.6%增至81.5%.濕拌時間從40 s每增加10 s，木質(zhì)顆粒纖維分散率分別增長12.6%，11.4%與8.9%，其增長幅度呈減緩趨勢.在拌和過程中木質(zhì)顆粒纖維隨著礦料顆粒的剪切摩擦，其分散率逐步提高.同時，礦料顆粒的棱角不斷磨損鈍化，其發(fā)揮的剪切摩擦作用逐漸減弱，因此木質(zhì)顆粒纖維分散率增幅趨緩.

圖3 不同濕拌時間的木質(zhì)顆粒纖維分散率

SMA瀝青混合料生產(chǎn)過程中一般設(shè)置10 s以上的干拌工藝，其目的是加速礦料的混合與纖維的分散[13].圖4為濕拌時間40 s時，在不同干拌時間下的木質(zhì)顆粒纖維分散率結(jié)果.當(dāng)干拌時間從0 s增至15 s，SMA混合料中的木質(zhì)顆粒纖維的分散率從48.6%快速提升至95.6%；干拌時間每增加5 s，木質(zhì)顆粒纖維分散率分別增長18.7%，16.1%與12.2%.相比于圖3的濕拌結(jié)果，顯然干拌對提高纖維分散率更加有效.分析其原因，是由于濕拌時瀝青裹覆在礦料顆粒表面起到潤滑作用，削弱了礦料對纖維顆粒的剪切與撞擊，從而影響木質(zhì)顆粒纖維在混合料中的分散性.

圖4 不同干拌時間的木質(zhì)顆粒纖維分散率

拌和溫度是影響瀝青混合料和易性及單位能耗的重要因素之一[14]，主要根據(jù)瀝青特性、氣候條件、運輸距離及攤鋪厚度等因素綜合確定，一般改性瀝青SMA混合料拌和樓出料溫度在170～190 ℃之間.圖5為干拌15 s+濕拌40 s時，在不同拌和溫度下木質(zhì)顆粒纖維分散率結(jié)果.由圖5可見，隨著拌和溫度的增加，分散率結(jié)果并未呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢.這說明刻意提高拌和溫度除了增加能耗與排放，并不能提高木質(zhì)纖維分散率.

圖5 不同拌和溫度的木質(zhì)顆粒纖維分散率

圖6為干拌15 s+濕拌40 s時4種不同纖維的分散率結(jié)果.其中，A和D為瀝青制粒劑，B和C為非瀝青制粒劑; A和B為原生木漿，C和D為回收木漿.由圖6可見，4種纖維分散率排序為C

圖6 不同品牌木質(zhì)顆粒纖維的分散率

3.3 影響因素方差分析

為了進一步分析木漿材質(zhì)、制粒劑、干拌時間、濕拌時間及拌和溫度對木質(zhì)顆粒纖維分散率影響的顯著性，本文不考慮各因素間的交互作用，采用SPSS軟件進行了方差分析，顯著性水平為0.05，結(jié)果如表5所示.

表5 各影響因素方差分析表

由表5可見，所用分析模型的F值為743.862，P值為0.029，因此該分析模型具有統(tǒng)計學(xué)意義.所分析的5個影響因素按顯著性排序為：制粒劑、干拌時間、濕拌時間、木漿材質(zhì)、拌和溫度；其中制粒劑、干拌時間和濕拌時間的P值小于0.05，說明三者對木質(zhì)顆粒纖維的分散率有顯著影響；而木漿材質(zhì)與拌和時間的P值大于0.05，表明無統(tǒng)計學(xué)顯著相關(guān)性.

4 結(jié)論

1) SMA瀝青混合料析漏損失隨著有效纖維含量的增加而指數(shù)衰減；所設(shè)計的基于Δm-Ce模型的木質(zhì)顆粒纖維分散率測試方法，能夠有效準(zhǔn)確地評價不同纖維與拌和工藝條件下SMA混合料中的木質(zhì)顆粒纖維分散特性.

2) 制粒劑是影響木質(zhì)顆粒纖維分散率的首要影響因素，以瀝青為制粒劑的木質(zhì)顆粒纖維的分散率比非瀝青制粒的木質(zhì)顆粒纖維高20%以上.

3) 延長干拌與濕拌時間均能提高木質(zhì)顆粒纖維分散率，其中干拌相比濕拌對提高纖維分散率更加有效；在滿足瀝青混合料拌和均勻、無花白料的前提時，延長干拌時間是提升木質(zhì)顆粒纖維分散率的最有效拌和工藝.

4) 拌和溫度與木漿材質(zhì)對木質(zhì)顆粒纖維分散率無顯著影響；采用原生木漿不能顯著提升顆粒纖維的分散率，但可大幅降低SMA混合料的析漏損失，在不考慮工程經(jīng)濟的前提下應(yīng)優(yōu)選原生木漿顆粒纖維.