SMA瀝青混合料均勻性和路用性能研究

張 翠 梅

(北京國道通公路設計研究院股份有限公司，北京 100053)

·建筑材料及應用·

SMA瀝青混合料均勻性和路用性能研究

張 翠 梅

(北京國道通公路設計研究院股份有限公司，北京 100053)

選用木質素纖維、礦物棉纖維和短切礦物纖維，通過室內試驗,對比分析了摻加以上三種不同纖維的SMA瀝青混合料的均勻性及路用性能，對比試驗結果表明：摻加礦物棉纖維和木質素纖維后，SMA混合料表現出良好的均勻性；摻加短切礦物纖維的SMA混合料的高溫穩定性能較好，水穩性能較差；纖維瀝青混合料的均勻性在一定程度上影響其路用性能。

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0 引言

瀝青混合料的均勻性是保證瀝青路面性能和使用壽命的重要因素之一，許多早期路面破壞現象,如水損害、車轍、泛油等,都與均勻程度有很大關系[1，2]。截至目前，相關學者對瀝青混合料的均勻性展開了很多方面的研究，如通過數字圖像技術分析瀝青混合料中集料的分布狀態，通過研究瀝青混合料中空隙的分布來研究路面的離析狀況等，均取得較好的成果[3-5]。

本文選取SMA瀝青混合料為研究對象，分別對其摻加短切礦物纖維、礦物棉纖維和木質素纖維，對以上三種瀝青混合料的均勻性分別進行性能分析，并且測試其相應纖維瀝青混合料的各項路用性能指標，探討SMA瀝青混合料的均勻性以及路用性能。

1 材料性能

1.1 原材料性能

試驗采用90號重交道路石油瀝青，通過室內剪切乳化機制備摻加5%SBS的改性瀝青，其技術指標見表1。三種纖維分別為玄武巖礦物棉纖維，短切玄武巖礦物纖維和道路用木質素纖維，三種纖維的技術指標見表2。集料選用當地產石灰巖，填料為石灰石礦粉。

表1 瀝青的技術指標

表2 纖維的技術性質

1.2 配合比設計

SMA混合料的配合比設計根據規范[6]中的相關規定進行，同時確定木質素纖維的摻量比為0.3%，礦物纖維和礦物棉纖維的摻量比同為0.4%。在各項設計指標滿足要求的前提下，得到SMA的級配見表3。按照試驗規程[7]規定，采用馬歇爾試驗法確定瀝青混合料的最佳油石比，并通過肯塔堡飛散實驗和謝倫堡析漏實驗進行檢驗，其結果見表4。

表3 SMA-16級配設計

表4 最佳油石比和馬歇爾試驗結果

2 混合料均勻性實驗結果

2.1 空隙率

瀝青混合料的均勻程度直接關系到其力學性能和使用壽命，對纖維瀝青混合料亦是如此[8-10]。國內學者研究指出，瀝青混合料均勻性與空隙率變異性之間存在較好的線性關系，均勻性越好，馬歇爾試件空隙率的變異程度越小；反之變異程度越大[11]。本實驗室對摻加不同纖維的SMA瀝青混合料分別制備馬歇爾試件，并測試空隙率，統計結果如表5所示。

表5 空隙率統計結果

從瀝青混合料的空隙率變異系數看，摻加木質素纖維的SMA瀝青混合料最好，摻加礦物棉纖維的SMA次之，摻加短切礦物纖維的SMA較差。

2.2 截面顆粒分布

每種纖維瀝青混合料隨機選取三個試件，并沿中截面切割，觀察混合料內部情況。數碼相機拍攝試件的截面照片,選取典型截面如圖1所示。

若混合料分布是均勻的，則各檔粒徑的集料在截面上各區域內的位置分布及分布數量應該是均勻的，彭勇等學者選取截面上瀝青混合料的均勻性指標D來評價[12]。D=dH+dV，其中，dV為瀝青混合料水平方向的均勻性；dH為瀝青混合料垂直方向的均勻性。d=η×∑ki×(ri+ti),其中，ti為截面上第i檔集料在不同區域里的數量分布狀況參數；η為與級配相關的系數；ri為截面上第i檔集料的重心與幾何中心的距離偏差率；ki為截面上第i檔集料的面積比，ki=ai/a，a為截面上各檔集料的總面積,ai為截面上第i檔集料的面積。D數值越小，則其對應的瀝青混合料均勻性越好。本研究中，選取同一種級配形式，按集料顆粒截面面積大小選取四檔粗集料(16 mm,13.2 mm,9.5 mm,4.75 mm)，并分析其分布的均勻性，建立坐標系，以試件幾何中心為原點，將試件截面平均分成四個象限，計算三種混合料的截面信息，如表6所示。

表6 SMA混合料均勻性指標

由表6所示的均勻性指標D可以看出，摻加礦物棉纖維的SMA混合料的均勻性為最好，摻加木質素纖維的SMA次之，摻加短切礦物纖維的SMA較差。

綜上所述，結合瀝青混合料的空隙率變異系數和截面顆粒分布均勻性指標可知，摻加礦物棉纖維及摻加木質素纖維的SMA混合料的均勻性相當，均優于摻加短切礦物纖維的SMA。這與成型后瀝青混合料的表觀狀態相一致。由于短切纖維直徑較大，呈束狀分布，室內攪拌工藝很難將其分散，從而導致試件內部纖維分散不均，試件表面甚至有少量纖維抱團現象，很大程度上影響了短切礦物纖維SMA混合料的均勻性。

3 混合料路用性能實驗結果

瀝青混合料路用性能實驗根據相關試驗規程規定的方法，分別進行SMA混合料的高溫穩定性實驗和水穩定性實驗。試驗結果見表7。水穩定性檢驗的方法采用浸水馬歇爾實驗和凍融劈裂實驗，浸水馬歇爾的實驗結果用殘留穩定度(MS0)表示；凍融劈裂的實驗結果用劈裂強度比(TSR)表示。高溫穩定性檢驗方法采用馬歇爾試驗及車轍試驗，馬歇爾試驗試驗結果用馬歇爾穩定度MS表示，車轍試驗試驗結果用動穩定度DS表示。

表7 SMA的路用性能試驗結果

從表7的試驗結果得出，摻加木質素纖維和礦物棉纖維的SMA混合料呈現出良好的水穩定性，摻加短切礦物纖維的SMA混合料的水穩定性不佳，但高溫穩定性最好。短切纖維的吸濕性較大，親水性表現的較為明顯，在水穩定性能的試驗中，瀝青混合料需長時間浸泡在水中，甚至于冰凍的環境下，使得水分子沿著短切纖維的界面，形成類似管道的通道，將水分子導向混合料內部，導致瀝青與集料的粘結力下降，最終降低了殘留穩定度(MS0)；瀝青混合料真空飽水并輔以凍融作用后，進入混合料空隙中的水分發生凍結，產生的凍脹應力對空隙壁有破壞作用，從而導致凍融劈裂強度比(TSR)降低。

4 結語

本文通過對摻加礦物棉纖維，短切礦物纖維及木質素纖維的SMA混合料的均勻性及路用性能試驗分析，得到了如下結論：

1)摻加礦物棉纖維及木質素纖維的SMA混合料的均勻性良好，均優于摻加短切礦物纖維的SMA混合料；

2)摻加礦物棉纖維及摻加木質素纖維的SMA混合料的水穩定性較好，摻加短切礦物纖維則表現出不良的水穩定性；高溫穩定性的結果顯示，摻加短切礦物纖維的SMA最好，摻加礦物棉纖維的SMA次之，摻加木質素纖維的SMA略低；

3)SMA混合料的均勻性指標并不是影響混合料的路用性能的決定因素，同時，均勻性差的SMA混合料的路用性能也不一定差，反之亦成立。

[1] 沙慶林.高速公路瀝青路面的早期破壞現象及預防[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 張 雷.基于細觀分析的瀝青混合料組成結構研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學博士論文,2008.

[3] 劉 丹,付其林.瀝青混合料均勻性評價研究[J].交通科技，2007(4):77-79.

[4] 林 輝.基于數字圖像處理技術的粗集料形狀特征量化研究[D].長沙：湖南大學碩士論文,2007:11-14.

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[7] JTJ 052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[8] 徐 剛,趙麗華,趙 晶.玄武巖礦物纖維改善瀝青混合料性能研究[J].公路,2011(6):167-171.

[9] 吳少鵬,葉群山,劉志飛.礦物纖維改善瀝青混合料高溫穩定性研究[J].公路交通科技,2008(11)：84-85.

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[11] 彭 勇,孫立軍,董瑞琨.瀝青混合料均勻性評價新方法的探討[J].同濟大學學報(自然科學版),2005,33(2)：106-107.

[12] 彭 勇.基于數字圖像處理技術瀝青混合料均勻性指標研究[D].上海:同濟大學交通運輸工程學院,2005.

Research of uniformity and road performance of SMA mixture

Zhang Cuimei

(BeijingGuodaotongHighwayDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100053,China)

This article selected the lignin fiber, short cut mineral fiber and mineral cotton fiber, through the indoor test analyzed the uniformity and road performance of SMA mixture that added above three kinds of different fibers. Contrast test results show that: after adding mineral cotton fiber and lignin fiber, the uniformity of SMA mixture showed good, adding chopped mineral fiber, SMA mixture has better high temperature stability and poor water stability performance, the uniformity of the fiber asphalt mixture had a certain extent affect to the road performance.

SMA， fiber, uniformity, road performance

2014-12-13

張翠梅(1981- ),女，工程師

1009-6825(2015)06-0107-03

U214.75

A