MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料水穩定性能研究

陳拴發，黃 振，熊 銳，關博文，馬莉莉，盛燕萍

(1.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西西安710064;2.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安710061)

0 引言

目前，瀝青路面上的麻面、松散和坑槽等早期病害頻發，嚴重影響了路面的使用品質.許多研究表明，摻入路用纖維(木質素纖維、聚合物纖維、玄武巖纖維)可以有效降低瀝青路面水損害的發生幾率［1-4］.木質素纖維加入瀝青混合料后無法再生利用，且對瀝青混合料幾乎沒有增強效果;聚合物纖維和玄武巖纖維價格較貴，且前者高溫受熱易卷曲，在工程上的推廣與應用受到一定限制.因此，探索和研究對瀝青路面具有良好增強作用、施工便利、經濟可行且環保的增強型纖維材料，對于改善瀝青路面的使用品質，延長使用壽命具有一定的現實意義和使用價值［5］，MiberⅠ型礦物復合纖維是基于以上發展趨勢研發出的一種新型纖維.為驗證MiberⅠ型礦物復合纖維對瀝青混合料水穩定性的改善效果，筆者擬采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗對混合料的水穩定性進行研究，并運用灰關聯熵分析法，探討各影響因素(內因)的相對顯著程度，從而為MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料的材料組成設計及推廣應用提供有益參考.

1 試驗方法

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》［6］，分別對瀝青混合料進行凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，對凍融劈裂強度比TSR和浸水殘留穩定度MS0進行計算.

2 灰關聯熵分析法

灰色關聯分析法能在“小樣本、貧信息”的條件下進行分析，通過灰色關聯分析可以找出各種因素與系統發展態勢之間的關系，從而分辨出主要因素和次要因素，具有很強的實用性，但現有的灰色關聯方法存在一定的缺點［7］.灰關聯熵分析法［8］不僅繼承了灰色關聯分析的優勢，而且克服了其存在的缺點，因此筆者采用灰關聯熵分析法來研究影響因素的顯著性.

3 試驗原材料

3.1 MiberⅠ型礦物復合纖維

MiberⅠ型礦物復合纖維是一種新型纖維，它以環保型的天然堿性礦物纖維為主料，高分子芳烴油為輔料，經化學松解、離子極化、復合造粒而成.MiberⅠ型礦物復合纖維的主要技術指標如表1，纖維的宏觀和微觀形貌如圖1［5］所示.

表1 MiberⅠ型礦物復合纖維主要技術指標Tab.1 Main technical indexes of MiberⅠmineral composite fiber

圖1 MiberⅠ型纖維Fig.1 MiberⅠfiber

3.2 瀝青

試驗選用SBS(I-C)改性瀝青、克拉瑪依A-70#瀝青和克拉瑪依A-90#瀝青，其主要技術指標分別如表 2［9］所示.

表2 瀝青技術指標Tab.2 Asphalt technical indexes

3.3 礦料

粗集料采用玄武巖，細集料采用機制砂，礦粉為磨細的石灰巖.經檢測，集料、礦粉各項技術指標均符合現行規范要求.

瀝青混合料采用AC-13C、AC-13F和SMA-13 3種類型級配，礦料級配如表3所示.

4 MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料的水穩定性影響因素分析

瀝青混合料的水穩定性能主要受內、外因的影響，內因主要指瀝青、礦料、外摻劑和混合料的性質等;外因主要指環境因素與荷載的作用.基于可操作性，筆者針對內因來進行分析.

表3 礦料級配Tab.3 Mineral aggregate gradation

4.1 纖維的影響

MiberⅠ型礦物復合纖維作為一種新型增強纖維，具有加筋作用，對提高瀝青混合料的水穩定性能具有重要影響，筆者將其摻量作為一個影響因素進行考察.

4.2 瀝青的影響

(1)針入度.黏性高的瀝青較黏性低的瀝青水穩定性要好，這主要是由于黏性高的瀝青存在較多的極性物質，且具有良好的潤濕性［10］.在瀝青的3大指標中，針入度可表征瀝青的黏性，且與瀝青混合料的水穩定性密切相關，因此，將其列為影響因素之一.

(2)瀝青用量.瀝青用量較少時，瀝青膜難以充分裹覆礦料，二者界面容易被水浸入并引發剝離，進而導致混合料的水損害.為此，筆者將瀝青用量作為影響因子，由于瀝青飽和度是瀝青混合料中的一個重要體積指標，筆者亦將其列為分析因素之一.

4.3 集料級配的影響

集料級配決定了礦料間嵌擠力的大小及混合料的密實程度.良好的集料級配，有利于改善瀝青混合料的水穩定性能.一般認為，4.75 mm篩孔通過率是影響瀝青混合料結構組成形態的重要因素［11］.

4.4 瀝青混合料空隙率的影響

瀝青混合料空隙率是指單位體積的瀝青混合料中除礦料和瀝青占據的體積以外的空隙所占總體積的百分率.瀝青混合料的空隙率過大，水分將容易進入瀝青與礦料界面，在外荷載的作用下，瀝青膜逐漸從礦料表面剝離，導致路面出現水損害.因此，將空隙率控制在一定范圍內，具有重要意義.

5 試驗結果與分析

5.1 MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料水穩定性影響因素的灰關聯熵分析

MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料水穩定性試驗結果如表4所示.分別以凍融劈裂強度比、浸水馬歇爾殘留穩定度為參考序列，得到了各影響因素的灰熵關聯度，分別如圖2、圖3所示.

由圖2、圖3可以看出，以TSR為參考序列時，各影響因素對MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料水穩定性的影響大小順序為:纖維摻量＞瀝青飽和度＞瀝青用量＞瀝青混合料空隙率＞瀝青針入度＞4.75 mm篩孔通過率;以MS0為參考序列時，影響大小順序為:纖維摻量＞瀝青用量＞瀝青飽和度＞瀝青混合料空隙率＞瀝青針入度＞4.75 mm篩孔通過率.

當凍融劈裂強度比、浸水馬歇爾殘留穩定度作為參考序列時，各因素的影響顯著程度并不完全相同.這主要是因為兩種試驗條件存在較大差距.但不論選取哪個作為參考指標，纖維摻量都是MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料水穩定性最重要的影響因素.

表4 MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料水穩定性試驗結果Tab.4 Water stability test results of MiberⅠmineral composite fiber asphalt mixture

5.2 MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料的水穩定性

采用SBS改性瀝青，將纖維摻入到AC-13C和SMA-13 2種級配的瀝青混合料中，試驗得到纖維摻量與凍融劈裂強度比和浸水馬歇爾殘留穩定度的關系分別如圖4、圖5.

由圖4、圖5可以看出，摻入適量的MiberⅠ型礦物復合纖維可以有效改善瀝青混合料的水穩定性.對于AC-13C瀝青混合料來說，摻入0.4%的纖維，其凍融劈裂強度比和殘留穩定度與未摻纖維的相比可分別提高8.5%、11.2%;對于SMA-13瀝青混合料來說，摻入0.5%的纖維，其凍融劈裂強度比和殘留穩定度與未摻纖維的相比可分別提高4.0%、8.8%.這主要是由于礦物復合纖維在瀝青混合料中具有良好的增黏和增強作用，即:堿性礦物纖維與瀝青間良好的粘附性使結構瀝青膜增厚，并使瀝青的膠體結構逐漸由溶膠轉變為溶凝膠，以至凝膠，同時增強了纖維瀝青相與礦料相之間的界面效應;該纖維的抗拉強度較大，其縱橫交錯的三維分布在瀝青混合料中起到加筋、橋接和阻拔作用，如圖6所示，能夠有效阻止相間界面滑移，從而有效提高瀝青混合料的水穩定性能.

對于AC-13C與SMA-13瀝青混合料，當纖維摻量分別為0.4%、0.5%時，其水穩定性能達到最優.纖維的摻量過大，纖維瀝青混合料的水穩定性均有一定程度的下降，這主要是由于部分纖維不能均勻分散而聚團，從而影響了纖維的使用效果.

6 結論

(1)就“小樣本”、“貧信息”的系統而言，灰關聯熵分析法是一種簡單實用且結果比較準確的方法.本文研究的瀝青混合料就一個“灰體”，影響瀝青混合料性能的因素有很多.通過灰熵分析，得出纖維摻量是影響MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料水穩定性最重要的因素.在纖維瀝青混合料組成設計和使用過程中，應將纖維摻量作為主要控制點，并進一步考慮其可控制程度和經濟成本等.

(2)通過凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗結果可知，MiberⅠ型礦物復合纖維能夠有效改善瀝青混合料的水穩定性，纖維在瀝青混合料中的界面增強效應和加筋橋接阻拔效應是主要原因.對于AC-13C瀝青混合料，MiberⅠ型礦物復合纖維最佳摻量為0.4%;對于SMA-13瀝青混合料，MiberⅠ型礦物復合纖維最佳摻量為0.5%.

(3)筆者的結論是在3種瀝青和3種級配瀝青混合料的基礎上得到的，具有一定局限性.因此，對于MiberⅠ型礦物復合纖維瀝青混合料的水穩定性仍需進行深入研究.

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