摘要：針對絮狀玄武巖纖維在瀝青瑪蹄脂碎石混合料中具有降低瀝青用量的特點，本文以SMA?13型瀝青混合料為研究對象，采用絮狀玄武巖纖維（Flocculent Basalt Fiber，F(xiàn)BF）與絮狀木質(zhì)纖維（Flocculent Wood Fiber，F(xiàn)WF）兩種纖維進行試驗，分析不同油石比下的瀝青混合料體積指標與性能，并對最佳油石比下的動穩(wěn)定度、疲勞、試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行對比分析。結(jié)果表明：絮狀玄武巖纖維能有效降低油石比12.9%，增加動穩(wěn)定度11.2%，提高瀝青混合料的抗疲勞性能。結(jié)合內(nèi)部結(jié)構(gòu)和試驗數(shù)據(jù)，絮狀玄武巖纖維下的SMA?13型瀝青混合料礦料骨架結(jié)構(gòu)嵌擠更緊密，綜合性能更好。

關(guān)鍵詞：路面工程；絮狀玄武巖纖維；油石比；動穩(wěn)定度；疲勞

中圖分類號：U416.217""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673-6478（2023）05-0181-05

Research on Effect of Flocculent Basalt Fiber on the Performance ofSMA Asphalt Mixture

LIU Liang， XIE Linlin， CHEN Longjie， DING Min

（Zhejiang Scientific Research Institute of Transport， Key Laboratory of Road and Bridge Detection and Maintenance Technology Research of Zhejiang Province， Hangzhou Zhejiang 310023， China）

Abstract： For the characteristics of Flocculent Basalt Fiber （FBF） in asphalt mastic macadam mixture to reduce the amount of asphalt， this paper takes SMA?13 type asphalt mixture as the research object， uses FBF and Flocculent Wood Fiber （FWF） to test， analyzes the volume index and performance of asphalt mixture under different asphalt stone ratio. The dynamic stability， fatigue and the internal structure of the specimen are compared and analyzed. The results show that FBF can effectively reduce the oil stone ratio by 12.9% and increase the dynamic stability by 11.2%. Compared with wood fiber， FBF asphalt mixture has better fatigue resistance. Combined with the internal structure and test data， the SMA?13 asphalt mixture mineral aggregate skeleton structure under the FBF is more closely embedded.

Key word： asphalt pavement; FBF; oil stone ratio; dynamic stability; fatigue

0 引言

現(xiàn)有瀝青路面工程中經(jīng)常采用玄武巖纖維，其主要作用是在瀝青混合料與瀝青膠漿之間融合形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對瀝青混合料起到加筋、增黏、增強的作用，其的加入可以明顯地提升瀝青路面的整體性能?[1?3]，另外，玄武巖纖維具有堿性，且抗拉強度較大，與其他纖維相比，與瀝青結(jié)合性更好，常用于重載、鋼橋面、急轉(zhuǎn)彎、長上坡路面中[4]；在排水瀝青路面中添加6mm的短切玄武巖纖維，排水瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能會更加穩(wěn)定，抗車轍性能提升明顯[5]。

以往的玄武巖纖維以短切玄武巖纖維居多，而絮狀玄武巖纖維采用離心和吹噴法成纖工藝制備，并通過開纖、分散、剪切等降低纖維棉的極性，相較短切玄武巖纖維有更多優(yōu)點[6?7]。并且在SMA型瀝青混合料之中得到很好的應(yīng)用，相關(guān)科學(xué)研究和施工規(guī)范、技術(shù)指南中也進行了相關(guān)論述。例如，呂偉民[8]論述了玄武巖纖維、瀝青與礦粉三者混合而成的纖維瀝青膠漿的作用機理，并對玄武巖纖維在瀝青混合料中強度形成機理、抗裂機理進行了理論分析。李太陽等[6]將親油型玄武巖纖維開纖分散成絮狀纖維，并應(yīng)用于路面微表處混合料中，結(jié)果表明，開纖分散后的絮狀玄武巖纖維加入混合料后，抗磨耗性能、抗水損性能、抗車轍性能要比親油型針片狀玄武巖纖維加入混合料效果更好。浙江省交通行業(yè)建設(shè)指南《玄武巖纖維SMA路面技術(shù)指南》中也提出了絮狀玄武巖纖維的技術(shù)指標[9]，并介紹了絮狀玄武巖纖維SMA瀝青混合料的設(shè)計方法和技術(shù)指標。

從以上論述中可以看出，玄武巖纖維的加入對瀝青路面的性能提升有益，在瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）瀝青混合料中，木質(zhì)纖維因高吸油率而常被應(yīng)用，但玄武巖纖維在SMA型中的應(yīng)用研究較少，隨著纖維類新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，絮狀玄武巖纖維作為一種新型的路面材料，其在SMA瀝青混合料中的應(yīng)用研究非常必要[10?11]。本文以SMA?13型瀝青混合料為應(yīng)用對象，將絮狀玄武巖纖維與絮狀木質(zhì)纖維進行試驗對比，對相關(guān)性能指標進行研究，為絮狀玄武巖纖維的工程應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料與試驗方案

1.1 "原材料

瀝青：SBS改性瀝青；針入度（25℃、100g、5s）：64（0.1mm）；軟化點：81.0℃；延度（5℃）：36cm。

礦料：粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)指標見表1。

纖維：絮狀玄武巖纖維和絮狀木質(zhì)纖維見圖1，技術(shù)指標分別見表2和表3。

1.2 級配

本試驗采用SMA?13改性瀝青混合料為試驗級配，其級配見表4。

1.3 試驗方案

（１）研究采用外摻、干拌的方式添加纖維。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），采用的拌和溫度為180℃。首先，將集料與纖維干拌30s，再加入瀝青攪拌60s，最后加入礦粉拌和90s，F(xiàn)BF組與FWF組纖維摻量均為瀝青混合料質(zhì)量的0.4%。

（２）針對絮狀玄武巖纖維應(yīng)用的SMA?13型瀝青混合料配合比設(shè)計目前沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準，其配合比設(shè)計參照浙江省交通行業(yè)建設(shè)指南中的《玄武巖纖維SMA路面技術(shù)指南》中以及《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的技術(shù)指標，以空隙率、析漏損失、飽和度、穩(wěn)定度為控制指標，確定絮狀玄武巖纖維的最佳油石比，絮狀木質(zhì)纖維對照組按照JTG F40—2004中的技術(shù)指標來確定最佳油石比，并對兩種SMA?13型瀝青混合料的性能指標進行試驗分析比較。

（３）確定最佳油石比后，對兩種纖維的SMA?13改性瀝青混合料動穩(wěn)定度進行試驗，并對兩種SMA?13型瀝青混合料的試件切面進行分析比較。

（４）對最佳油石比下的SMA?13瀝青混合料采用UTM加載設(shè)備進行4點彎曲試驗，選取250、450、650、850應(yīng)變控制下獲取瀝青混合料疲勞壽命次數(shù)。

根據(jù)式（1）計算疲勞方程。

lg"=?? lg "+ （1）

式中，為荷載次數(shù)，次；為應(yīng)變；、為回歸系數(shù)

1. 為方便研究兩種瀝青混合料內(nèi)部的礦料嵌擠程度，對兩種試樣進行斷面拍照，圖像經(jīng)Image?Pro Plus軟件處理，并提取圖像礦料之間的間隙面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 配合比設(shè)計結(jié)果

對于絮狀玄武巖纖維SMA?13型瀝青混合料，其技術(shù)指標參照浙江省交通行業(yè)建設(shè)指南中的《玄武巖纖維SMA路面技術(shù)指南》的要求，木質(zhì)纖維仍然參照當(dāng)前設(shè)計規(guī)范和JTG F40—2004中的技術(shù)要求，兩種纖維下SMA?13改性瀝青混合料的體積和部分性能指標見表5。

從表5的數(shù)據(jù)可以看出，采用FBF纖維的最佳油石比為5.4%，采用FWF纖維后的最佳油石比為6.2%。相比FWF，采用FBF纖維的最佳油石比相比采用FWF纖維降低12.9%。在最佳油石比下，采用FBF纖維后，瀝青混合料馬歇爾試件的毛體積相對密度略有增加，空隙率增大，礦料間隙率和飽和度相比采用FWF纖維有很大降低。其主要原因是由于FBF纖維的吸油率較低，過多的瀝青會造成析漏損失增加，瀝青混合料泛油，因此，最佳油石比降低明顯。礦料間隙率和飽和度降低的主要原因是由于瀝青含量的減少，以細集料、瀝青、礦粉、纖維組成的瀝青膠漿減少，自由瀝青減少，使粗集料之間的礦料間距變短，礦料間隙率變小；另外，由于瀝青含量的減少，飽和度變小，空隙率增加。采用FBF纖維后粗集料之間的嵌擠更加緊密，也使馬歇爾試件的穩(wěn)定度提高，流值降低，相比于FWF纖維下的SMA?13瀝青混合料，由于FBF纖維吸油率的降低，析漏損失指標也成為FBF纖維重要的控制指標，以防止過多瀝青造成路面在施工過程中出現(xiàn)泛油現(xiàn)象[12]。

2.2 不同油石比對析漏損失的影響

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于FBF纖維低吸油率的特點，在相同油石比下，F(xiàn)BF纖維SMA?13瀝青混合料泛油現(xiàn)象明顯，析漏損失值明顯增大，與FWF纖維相比，F(xiàn)BF纖維的析漏損失表現(xiàn)如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)采用FBF纖維時，在油石比為5.4%時，析漏損失值達到0.15%，當(dāng)增加油石比時，析漏損失值增加明顯，明顯不符合目前的技術(shù)要求；當(dāng)采用FWF纖維時，在三種油石比下，析漏損失值均低于JTG F40—2004中要求的0.1%，為較好地控制析漏損失以及瀝青路面施工時的泛油現(xiàn)象，對于FBF纖維，最佳油石比只能在較低水平。由表2、表3可知FBF纖維的吸油率為自身的3.2倍，而FWF纖維吸油率為自身的6.5倍，由于FBF纖維的吸油率較低，瀝青混合料中多余的瀝青無法聚集，造成析漏損失值明顯增大，而FWF纖維相對玄武巖纖維吸油率高，能聚集更多的瀝青與細集料、礦粉，有效地控制SMA?13瀝青混合料的析漏損失，防止路面泛油。

2.3 不同油石比對水穩(wěn)定性的影響

由以上試驗可知，F(xiàn)BF纖維SMA?13瀝青混合料的瀝青用量低，但對瀝青混合料的性能是否有影響，仍然值得探究，圖3為不同油石比下，兩種SMA?13瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

圖3和圖4為不同油石比下兩種纖維SMA?13瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比試驗結(jié)果。從圖中可以看出，隨著油石比增加，浸水和凍融都逐漸增大，其主要原因是隨著瀝青用量的增加，瀝青包裹礦料的量多，整體黏附性較強，抵抗水侵害的能力較強，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比值都逐漸增加，且都符合規(guī)范要求。相比采用FWF纖維，使用FBF纖維的SMA?13瀝青混合料水穩(wěn)性略強，其主要原因是FBF纖維具有堿性，且抗拉強度較大，與其他纖維相比，與瀝青和礦料的結(jié)合性更好，水穩(wěn)定性更強。從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用FBF纖維后，SMA瀝青混合料的油石比雖然降低明顯，但對瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響不大。

2.4 兩種纖維對動穩(wěn)定度影響

由于采用FBF纖維下的SMA?13瀝青混合料油石比較低，抗車轍性能也是絮狀玄武巖纖維SMA?13瀝青混合料路用性能的重要方面，圖5為兩種纖維在最佳油石比下SMA?13瀝青混合料的動穩(wěn)定度值。

從圖5可以看出，在最佳油石比下，使用FBF纖維后的瀝青混合料動穩(wěn)定度符合規(guī)范要求，且動穩(wěn)定度值明顯高于木質(zhì)纖維，其主要原因有兩個方面，一是FBF纖維的抗拉伸性較強，纖維分布于瀝青之間，增強了瀝青膠漿的抗拉性[13?14]，提升了瀝青混合料的動穩(wěn)定度；二是由于采用FBF纖維后，瀝青用量降低，礦料間隙率降低，礦料之間的嵌擠更加緊密，瀝青填充較少，結(jié)構(gòu)更加緊密，瀝青混合料的整體抗車轍性能增強，因此，采用FBF纖維能提升SMA?13瀝青混合料的動穩(wěn)定度。

2.5 疲勞性能研究

上述實驗的結(jié)果不能與瀝青路面長期服役建立關(guān)系，因此選用4點彎曲疲勞試驗來探究兩種纖維對SMA?13改性瀝青混合料在正弦波加載條件下的服役情況，用疲勞壽命次數(shù)來表征混合料疲勞性能，試驗結(jié)果見圖6。

通過圖6中兩種纖維對應(yīng)的疲勞壽命擬合方程和曲線來看，F(xiàn)BF纖維瀝青混合料的疲勞壽命斜率最大，在低應(yīng)變控制水平下，疲勞壽命最高。反映到實際，瀝青混合料中摻入FBF纖維，能夠顯著提升瀝青路面的長期服役性能，抑制輕微病害產(chǎn)生，延長路面服役壽命[15]。其主要原因是FBF纖維在瀝青混合料中實現(xiàn)“長短交錯，有效分布”效果[16]，在瀝青混合料中起到加筋、增黏、增強的作用，現(xiàn)有工程應(yīng)用中，F(xiàn)BF纖維相比FWF纖維具有較強的堿性，且抗拉強度較大，與瀝青結(jié)合性更好，因此能提升瀝青混合料的疲勞性能，進而提升瀝青路面的長期服役性能。

2.6 試樣截面比較

采用FBF纖維后，SMA?13瀝青混合料的油石比降低比較明顯，為分析瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，兩種纖維的SMA?13瀝青混合料經(jīng)Image?Pro Plus軟件處理后的照片如圖7所示。

通過軟件計算黑色區(qū)域的礦料間隙相對面積，圖7（a）中的相對面積小于（b），即采用FBF纖維后，瀝青混合料的礦料嵌擠程度更加緊密，其主要原因在上文中也有分析，由于FBF纖維瀝青混合料油石比的降低，多余的自由瀝青無法被FBF纖維有效吸收聚集，隨著瀝青用量的降低，瀝青混合料的飽和度和礦料間隙率也降低，使SMA?13型瀝青混合料的內(nèi)部礦料之間嵌擠更加緊密，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（１）結(jié)合使用兩種纖維后的SMA?13改性瀝青混合料的體積和性能指標數(shù)據(jù)，相比FWF纖維，采用FBF纖維最佳油石比降低12.9%；

（２）FBF纖維SMA?13瀝青混合料動穩(wěn)定度符合規(guī)范要求，且明顯高于FWF纖維SMA?13瀝青混合?料；

（３）FBF纖維SMA?13瀝青混合料的疲勞壽命斜率最大，在低應(yīng)變控制水平下，疲勞壽命最高，摻入FBF纖維，SMA?13型瀝青路面的長期服役性能得到有效提升；

（４）從試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來看，F(xiàn)BF纖維SMA?13型瀝青混合料的內(nèi)部礦料嵌擠更加緊密。

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