（長沙理工大學公路工程試驗檢測中心，長沙 410000）

SBS 改性瀝青賦予瀝青優(yōu)異的高溫、低溫性能及抗老化等性能，是目前道路工程中對瀝青改性效果最普遍的一種改性劑[1-2]。但SBS 改性瀝青仍存在一些缺點，如耐老化性較差，價格昂貴等[3-4]。因此，為了更好的發(fā)揮SBS 瀝青的優(yōu)勢，可考慮采用一些材料代替部分SBS，以期能將SBS 改性瀝青混合料更好地應用到道路工程當中。

由于工業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的廢舊輪胎及廢棄的橡膠材料，對環(huán)境造成重大污染，需要進行有效處理[5-7]。國內(nèi)外研究者采用橡膠對瀝青進行處理，有效地提高了混合料的高溫性能，降低路面噪音，且降低了改性瀝青的成本，有望解決廢舊橡膠對環(huán)境造成污染的問題，具有很好的研究應用前景[7-9]。將SBS 與膠粉進行復合對瀝青進行改性，瀝青同時具備橡膠和SBS 改性劑二者的優(yōu)點，已有大量研究人員進行研究，但仍存在高低溫性能較差的缺點[10-13]。

因此，本文采用纖維增強劑對SBS/膠粉改性瀝青混合料性能進行改善。通過研究三種不同纖維對復合改性瀝青混合料的性能改善效果，選出對SBS 改性劑與膠粉復合改性瀝青混合料的改善效果最優(yōu)的纖維種類及其最佳摻量。

1 原材料與方法

1.1 原材料

本文采用的瀝青為SBS/膠粉復合改性瀝青，改性瀝青由SBS 改性劑、膠粉、穩(wěn)定劑按照5%：18%：0.2%的比例添加到瀝青中。粗集料選取玄武巖；細集料選機制砂；礦粉為石灰粉；纖維選取山東某材料公司所生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維。改性瀝青、集料與纖維的性質(zhì)見表1～3。

1.2 試驗方法

1.2.1 強度

強度測試方法根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）T 0709—2011中的試驗方法進行評價：

取復合改性瀝青混合料1 200 g 左右，在常溫下裝入試模中，并雙面各擊實75 次，待試件脫模后進行馬歇爾強度試驗。

表1 復合改性瀝青技術指標

表2 集料技術指標

表3 纖維種類及技術指標

1.2.2 浸水馬歇爾試驗

浸水馬歇爾試驗測試方法按照試驗規(guī)程中T 0709—2011 中的試驗方法進行評價。

按照測試成型強度的方法制作試件，將試件分為兩組：一組放入60 ℃水浴30 min，測試馬歇爾強度MS1；另一組置入60 ℃水浴48 h，測試馬歇爾強度值MS2；按公式1 計算殘留穩(wěn)定度MS0。

1.2.3 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗測試方法根據(jù)試驗規(guī)程中T 0729—2000 中的試驗方法進行評價。

（1）將成型馬歇爾試件分為兩組，第一組在常溫下保存?zhèn)溆?，將第二組試件進行真空飽水15 min，待氣壓恢復到正常后，將試件放置在水中保持30 min；

（2）將飽水后的試件放入塑料袋中，注入袋中約10 mL 的純凈水，并將試件放入-18 ℃的低溫環(huán)境中冷凍16 h；試件取出后放入到60 ℃的恒溫水槽中養(yǎng)生24 h；

（3）將兩組試件全部放入在25 ℃的恒溫水箱中保溫2 h；然后對試件進行劈裂試驗，得到試驗的最大荷載。根據(jù)公式2、公式3、公式4對數(shù)據(jù)進行處理。

式中：RT1—未經(jīng)凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強度，MPa；

RT2—經(jīng)凍融循環(huán)后試件的劈裂抗拉強度，MPa；

PT1—未經(jīng)凍融循環(huán)的試件破壞時荷載，N；

PT2—經(jīng)凍融循環(huán)后的試件破壞時荷載，N；

h—試件的高度，mm；

TSR—凍融劈裂比，%。

1.2.4 車轍試驗

高溫車轍試驗測試方法根據(jù)試驗規(guī)程中T 0719—2011 中的試驗方法進行評價。

（1）將復合改性瀝青混合料按試驗規(guī)程中T 0703—2011 的方法，用輪碾法將車轍試驗試塊成型；

（2）將未脫模的成型試件放置在室溫環(huán)境下48 h；然后將試件連同試模放置60 ℃恒溫條件下保溫不小于5 h，然后開動車轍儀進行往返碾壓1 h；

（3）讀取45 min（t1）及60 min（t2）時的車轍變形d1及d2，根據(jù)公式5 計算動穩(wěn)定度DS。

式中：C1—曲柄連桿驅(qū)動加載輪往返運行方式，取1.0；

C2—試件系數(shù)，取1.0；

N—試驗輪往返碾壓速度，取42 次/min。

1.2.5 小梁彎曲試驗

改性瀝青混合料的小梁彎曲試驗測試方法根據(jù)試驗規(guī)程中T 0715—2011 中的試驗方法進行評價。

（1）按照車轍試驗成型試件的方法制作車轍板，并用切割機將試件切割成棱柱體，試件尺寸應符合長250 mm、寬30 mm、高35 mm，誤差不超過2 mm 的要求；

（2）將試件放置到試驗溫度的恒溫水槽中進行養(yǎng)生，時間不少于45 min；

（3）啟動壓力機，以規(guī)定的速率對試件跨中施加荷載，直至試件破壞；按照式（6）計算試件破壞時的最大彎拉應變ε。

2 復合改性瀝青混合料配合比設計

2.1 集料級配確定

本文選取AC-13 型級配進行設計，集料最大粒徑13.2 mm。級配設計見表4和圖1。

表4 AC-13 級配設計表

圖1 級配曲線

采用貝雷法對AC-13 級配進行檢驗：計算CA比為0.5，F(xiàn)AC比為0.45，F(xiàn)Af比為0.52，均滿足規(guī)范要求，表明AC-13 能形成密實骨架結(jié)構(gòu)。

2.2 最佳油石比確定

圖2 馬歇爾試件測試結(jié)果

根據(jù)圖2測試結(jié)果可知：毛體積密度最大值對應的油石比a1為5.0，與馬歇爾穩(wěn)定度最大值相對應的油石比a2為5.02，目標空隙率中值對應的油石比a3為5.14 和瀝青飽和度中值對應的油石比a4為4.86。計算得到OAC1=5.01，OAC2=5.0，因此，冷補瀝青混合料最佳油石比為OAC=（OAC1+OAC2）/2=5.0%。

2.2 增強纖維

本文選取木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維三種纖維，研究不同纖維對SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的影響，從而確定最佳纖維種類及纖維摻量。根據(jù)大量研究可知，纖維的摻量一般在0.2%～0.4%范圍內(nèi)時，混合料具有較好的路用性能[14-16]。因此，本文纖維選取0.2%、0.3%、0.4%三種比例摻量進行研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度

SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的強度反映了路面在交通荷載下抵抗永久變形的能力，一般要求瀝青混合料的強度不小于8 kN。測試結(jié)果見圖3。

圖3 不同纖維下的SBS/膠粉復合改性混合料的馬歇爾穩(wěn)定度

根據(jù)圖3試驗結(jié)果可知：

（1）9 組試驗中，馬歇爾穩(wěn)定度均大于規(guī)范要求值，表明具有很好的強度性能。

（2）隨著纖維摻量的增加，SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的強度隨之增加，但纖維摻量超過0.3%時，其強度值變化不大。

（3）工廠化設施漁業(yè)。全市工廠化養(yǎng)殖處于探索起步階段，主要養(yǎng)殖對象為鱘、黃顙魚、龜鱉、泥鰍和大鯢等品種。

（3）三種纖維當中，對于強度的改善效果強弱依次是玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。

纖維加入到混合料當中，對混合料起到加筋作用，提高混合料的力學性能。而纖維對混合料性能的改善效果取決于其自身性質(zhì)，由纖維的原材料性質(zhì)可知：纖維的拉伸強度由大到小依次為玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。故相較于聚酯纖維和木質(zhì)素纖維，玄武巖纖維可為混合料提供更好的力學性能。

隨著纖維摻量的增加，纖維逐漸均勻地分布到混合料當中，并對混合料進行加筋，混合料的性能得到進一步的改善；當纖維摻量過多時，纖維堆積在一塊，阻礙纖維對混合料所承受荷載的傳遞作用，導致混合料性能改善效果并不明顯，甚至會使混合料的性能有所降低。

3.2 浸水馬歇爾穩(wěn)定度

采用浸水馬歇爾試驗，測定混合料浸水前與浸水后的馬歇爾穩(wěn)定度，計算其殘留穩(wěn)定度，以此反映混合料的水穩(wěn)定性能。試驗結(jié)果見圖4。

圖4 浸水馬歇爾試驗指標

根據(jù)圖4試驗結(jié)果可知：

（1）隨著纖維摻量的增加，SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度隨之增加，但纖維摻量超過0.3%時，其殘留穩(wěn)定度值變化不大。

（2）三種纖維當中，對于水穩(wěn)定性的改善效果依次是玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。其中，當玄武巖纖維摻量為0.3%時，殘留穩(wěn)定度為89.2%，摻量為0.4%時，殘留穩(wěn)定度為90.8%，具有很好的水穩(wěn)定性能。

3.3 凍融劈裂試驗

采用凍融劈裂試驗，測定混合料凍融前與凍融后的劈裂抗拉強度，計算其凍融劈裂比，以此反映混合料的水穩(wěn)定性能，混合料的凍融劈裂比應不小于80%。試驗結(jié)果見圖5。

圖5 凍融劈裂試驗指標

由圖5試驗結(jié)果可知：

（1）每種試驗的凍融劈裂比都超過規(guī)范要求值，表明SBS/膠粉復合改性瀝青混合料具有很好的水穩(wěn)定性能。

（2）隨著纖維摻量的增加，SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的凍融劈裂比隨之增加，但纖維摻量超過0.3%時，其凍融劈裂比變化不大。

（3）三種纖維當中，對于強度的改善效果依次是玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。其中，當玄武巖纖維摻量為0.3%時，凍融劈裂比為88.7%，摻量為0.4%時，凍融劈裂比為89.8%，具有很好的水穩(wěn)定性能。

3.4 高溫車轍

對SBS/膠粉復合改性瀝青混合料進行對車轍試驗，測定混合料的動穩(wěn)定度DS，以此評價其高溫性能，動穩(wěn)定度應大于3 500 次/mm。車轍試驗結(jié)果見圖6。

根據(jù)圖6試驗結(jié)果可知：

（1）SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度均超過規(guī)范要求，隨著纖維摻量的增加，木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的動穩(wěn)定度均隨著增加，纖維摻量超過0.3%后，動穩(wěn)定度值變化不大；

（2）對于玄武巖纖維，隨著纖維摻量的增加，混合料的動穩(wěn)定度隨著纖維的增加而呈先增加后減小的趨勢，纖維摻量為0.3%時，動穩(wěn)定度為9 981 次/mm，具有很好的高溫性能。

圖6 不同纖維下的SBS/膠粉復合改性混合料的動穩(wěn)定度

3.5 小梁彎曲試驗

低溫小梁彎曲試驗采用長250 mm，寬30 mm，高35 mm 的小梁，跨徑為200 mm，在-10 ℃的溫度下，以50 mm/min 的速度，在跨中單點加載，直至試件破壞，混合料的應變要求應大于2 500 με。試驗結(jié)果見圖7。

圖7 不同纖維下的SBS/膠粉復合改性混合料的最大彎拉應變

由圖7試驗結(jié)果可知：

（1）每種纖維改善下，SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的最大彎拉應變都遠超規(guī)范要求值，表明其具有很好的低溫抗裂性能。

（2）對于木質(zhì)素纖維和聚酯纖維來說，隨著纖維摻量的增加，SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的最大彎拉應變隨之增加，但纖維摻量超過0.3%時，其最大彎拉應變變化不大。

（3）對于玄武巖纖維，隨著纖維摻量的增加，混合料的最大彎拉應變隨著纖維的增加而呈先增加后減小的趨勢，纖維摻量為0.3%時，最大彎拉應變?yōu)? 019 με，為9 組試驗中最大彎拉應變最大，具有很好的低溫抗裂性能。

4 結(jié)論

通過對SBS/膠粉改性瀝青混合料進行強度、水穩(wěn)定性、高溫性能、低溫性能進行評價，得出以下結(jié)論：

a）綜合各試驗結(jié)果來看，對SBS/膠粉復合改性瀝青混合料改善效果最好的是玄武巖纖維，木質(zhì)素纖維最差。

b）SBS/膠粉復合改性瀝青混合料的高、低溫性能，水穩(wěn)定性等隨著纖維摻量的增加而提高，纖維摻量超過0.3%后，其路用性能改善效果并不明顯。

c）纖維對混合料的改善效果取決于其自身的性質(zhì)，在選擇纖維類型的時候，需考慮纖維的力學性能、高溫性能等指標。

d）纖維主要是通過分散到混合料當中，對其加筋進行改善混合料的性能，當纖維摻量較多時，纖維堆積在混合料當中，影響纖維對混合料所承受荷載的傳遞作用，使混合料的性能有所降低。因此，在混合料性能的改善過程中，纖維的摻量不宜過多。

e）綜合考慮，本文確定改善SBS/膠粉復合改性瀝青混合料路用性能的纖維種類和摻量分別為玄武巖纖維和0.3%的摻量。