木質素纖維分散特性對SMA性能影響研究

李紅英

(鄭州市公路事業發展中心，河南鄭州450001)

近20年來，隨著我國公路建設的飛速發展，各省公路里程呈指數級增長，較多省份進入“大會戰”階段，瀝青路面的建設里程也急劇增長。其中SMA路面由于其優良的高低溫、水穩定性以及抗滑特性等路用性能逐漸成為高等級公路上面層首選方案[1-3]。木質素纖維作為SMA混合料的關鍵組成材料，其質量優劣直接影響著SMA混合料性能的發揮。近年來，由于相較傳統絮狀木質素纖維具有不易結團、方便運輸與投放計量等優點，顆粒狀木質素纖維逐漸得到廣泛應用[4-6]。一般地，由于室內瀝青混合料拌和設備限制，SMA混合料配合比設計時，需預先將顆粒纖維進行打散后拌和使用，所有設計參數均基于木質素纖維完全分散狀態下的參數優選。現場拌和樓生產時，拌和過程僅為幾十秒，而現有研究大部分均基于木質素纖維完全分散狀態進行，木質素纖維分散狀態如何以及與室內試驗分散狀態一致性對混合料性能影響仍有待研究[7-8]。

本文擬采用5種不同木質素纖維分散狀態下SMA混合料，分別進行馬歇爾試驗、析漏試驗以及水穩定性、高低溫穩定性與抗滑特性等對比研究，以了解木質素纖維分散性對SMA混合料性能影響。

1 原材料

1.1 瀝青

研究用瀝青采用東海牌SBS（I-D）改性瀝青，主要技術指標見表1，各指標均滿足公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40-2004）要求。

表1 東海牌SBS（I-D）改性瀝青檢測指標Table 1 Testing indexes of Donghai brand SBS (I-D)modified asphalt

1.2 集料及級配組成

試驗選用SMA-13級配，細集料為0～2.36 mm規格，采用石灰巖細集料；粗集料分為4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm兩檔，采用玄武巖粗集料；礦粉為石灰巖研磨礦粉，合成級配見表2。

表2 SMA-13合成級配Table 2 SMA-13 synthetic gradation

1.3 木質素纖維

SMA-13配合比設計選用進口顆粒狀木質素纖維，摻量為混合料質量0.3%。為設定不同木質素纖維分散狀態的混合料，采用100%、75%、50%、25%、0五種摻量分散率。其中100%分散狀態表示為將100%預分散纖維同集料加入混合料中拌和使用；75%分散狀態表示為將75%預分散纖維、25%未分散木質素纖維同集料加入混合料中拌和使用；其它摻量表示類同。

2 配合比設計參數影響

2.1 馬歇爾試驗

采用標準雙面擊實50次進行SMA-13馬歇爾試驗，以顆粒狀木質素纖維分散率為100%時進行配合比設計。配合比設計確定最佳油石比為6.0%，其余分散率以該油石比為基準進行馬歇爾試驗，試驗結果見表3。由表3可知：（1）隨著分散率降低，混合料空隙率、礦料間隙率逐漸降低，飽和度逐漸增加。這是由于隨著分散率下降，可有效吸附瀝青的木質素纖維含量降低，導致SMA混合料中多余瀝青填充混合料內部空隙，使得空隙率、礦料間隙率降低，飽和度增加。根據規范要求，當木質素纖維分散率降低至50%以下時，混合料已不滿足3.5%的規范下限要求。而在木質素纖維分散率降低至75%以下時，礦料間隙率已不滿足≥17%要求，表示此時混合料內部已不具備足夠空間摻入瀝青。（2）隨著分散率降低，SMA-13混合料穩定度逐漸降低、流值則呈現增大趨勢。這是由于分散的木質素纖維具有“吸附、穩定、加筋”等作用，隨著可有效吸附瀝青的木質素纖維含量降低，導致混合料中集料表面瀝青“潤滑”作用加強，力學穩定性能逐漸減弱。

表3 不同分散率混合料馬歇爾試驗結果Table 3 Marshall test results of mixtures with different dispersion rates

2.2 析漏損失

為達到SMA混合料呈現的瀝青瑪蹄脂碎石結構，SMA混合料常使用較大摻量瀝青，而在進行配合比設計參數確定時，若瀝青含量過大將導致集料間自由瀝青膜過厚，進而降低混合料各項性能。析漏損失作為SMA瀝青混合料的重要設計指標，主要用于評價SMA混合料中是否含有多余瀝青，用于確定瀝青最大用量。按照上述確定的5種分散率進行混合料析漏試驗，試驗溫度采用185℃，試驗結果如圖1所示。

圖1 不同分散率下析漏試驗結果Fig.1 Leakage test results under different dispersion rates

由圖1可知：隨著木質素纖維分散率的降低，SMA-13混合料析漏損失呈現線性增長。這是由于隨著分散率的降低，混合料中瀝青與纖維組成的有效瀝青膠漿含量降低，瀝青膠漿黏度增效功能降低，導致瀝青損失增多。當分散率降低至50%時，混合料析漏損失已不能滿足規范＜0.1%要求。

綜上可得出，木質素纖維的分散狀態對SMA混合料性能指標具有較大影響，良好的預分散是進行配合比設計的基礎。換言之，若瀝青拌和樓攪拌設備不能有效對木質素纖維進行分散，導致生產配合比與目標配合比呈現較大差異，將較易出現混合料質量隱患，進而影響SMA路用性能。

3 SMA性能影響試驗結果分析

3.1 水穩定性

水損害作為瀝青路面最常見的早期損壞，主要表現為在循環荷載-水耦合作用下混合料重復的收縮、膨脹，當達到一定限制時出現微裂縫，繼續循環作用導致瀝青膠漿與集料逐漸剝離進而引起路面損壞，產生網裂、掉粒以及坑槽等各種病害。目前室內試驗時主要采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗進行表征，二者相比后者引入-16℃的低溫處理環節。根據實踐經驗表明，浸水馬歇爾試驗結果一般較為接近，且較易達到規范要求，部分試件浸水強度比甚至可能大于100%。為此本文采用考慮低溫穩定性的凍融劈裂試驗進行表征，將水穩定性與低溫穩定性進行綜合考慮，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同分散率下SMA混合料凍融劈裂試驗結果Fig.2 Freeze-thaw splitting test results of SMA mixture under different dispersion rates

由圖2可知：

（1）隨著木質素纖維分散率的降低，劈裂強度、凍融劈裂強度二者絕對強度均呈現減小趨勢。這是由于有效分散纖維的減小，瀝青膠漿“加筋”作用減弱，膠漿與集料粘附強度減小，集料-膠漿組成的混合料在有、無水條件下抵抗荷載能力降低。

（2）隨著木質素纖維分散率的降低，凍融劈裂強度比無明顯的變化規律。這是由于凍融劈裂強度比為相對指標，反映凍融劈裂強度相對劈裂強度的衰減狀況，而凍融后混合料性能影響因素較多。一方面隨著木質素纖維分散率降低劈裂強度、凍融劈裂強度均減小，同時由馬歇爾試驗可知混合料空隙率、礦料間隙率減小，多余瀝青可在一定程度上填充混合料空隙，阻止水浸入混合料中，在一定程度上可略微提高混合料抵抗水損害性能。因此采用劈裂強度試驗評價水穩定性時，考慮凍融劈裂強度比時也應考慮劈裂強度與凍融劈裂強度二者絕對強度大小，以避免出現凍融劈裂強度比較大而劈裂強度與凍融劈裂強度均較小現象。

3.2 高溫穩定性

瀝青混合料高溫穩定性能作為重要的路用性能指標，一般采用車轍試驗進行體現，具體表征指標有45min、60min變形量以及由此推算的動穩定度（DS）等。良好的高溫穩定性可以抵抗路面車轍以及預防推移、擁包等病害。前期探索性試驗表明，當試驗溫度采用規范規定60℃時，動穩定度均較高且差異較小，為突出比較木質素纖維分散率對SMA-13高溫穩定性影響，選取車轍試驗溫度為70℃，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同分散率下的車轍試驗結果Fig.3 Rutting test results under different dispersion rates

由圖3可知，隨著木質素纖維分散率的降低，SMA-13混合料動穩定度顯著減小，相對變形則逐漸增大。一般地，SMA混合料高溫穩定性普遍高于AC類混合料，除級配影響因素外，SMA混合料由于纖維的加入，使得瀝青成為“瀝青-纖維”組合體，纖維對瀝青的加筋作用可以顯著提高瀝青的黏性及軟化點等性能，進而可以提高SMA抵抗高溫的變形能力。隨著分散率的減小，SMA中有效加筋瀝青含量降低、自由瀝青含量增加，高溫加載條件下多余瀝青在混合料內部重組加劇，進而引起抗變形性能降低。

3.3 抗滑性能

路面抗滑性能作為公路安全性關鍵指標，其大小對公路行車安全至關重要。文獻顯示，瀝青構造深度可分為宏觀與微觀兩種，其中微觀主要受集料表面特性以及路表瀝青或瀝青膠漿組成影響；宏觀構造則主要受到瀝青混合料級配特性影響，如SMA類斷級配混合料構造深度一般大于AC類混合料，SMA-16混合料構造深度一般大于MA-13混合料。目前瀝青路面常用的抗滑性能評價指標有構造深度、擺值以及摩擦系數，其中摩擦系數需采用摩擦系數測試車在實體道路上進行檢測，為此本文選用構造深度與擺值進行不同木質素纖維分散狀態下混合料抗滑性能評價，試驗采用車轍板試件進行測試，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同分散率下抗滑性能測試結果Fig.4 Test results of anti-skid performance under different dispersion rates

由圖4可知：

（1）隨著木質素纖維分散率降低，構造深度顯著減小，當分散率減小至25%時，構造深度減小至完全分散狀態下一半左右，衰減現象明顯。這是由于隨著木質素纖維分散程度降低，混合料空隙率減小、飽和度增大，自由瀝青填充混合內部空隙，降低了混合料內部以及表層結構空隙，進而降低構造深度。

（2）隨著木質素纖維分散率降低，擺值呈現略微減小趨勢，但整體降幅不大。這是由于擺值為在常溫下測試，且初始測試時表層集料為瀝青膠漿覆蓋，而常溫狀態下不同分散狀態的瀝青膠漿性能差異相對較小，進而引起擺值變化較小。

3 結語

（1）隨著木質素纖維分散率降低，SMA混合料配合比設計參數受到較大影響，其中空隙率、礦料間隙率逐漸降低，飽和度逐漸增加；穩定度逐漸降低、流值則呈現增大趨勢；析漏損失呈現線性增長。

（2）隨著木質素纖維分散率降低，SMA混合料劈裂強度、凍融劈裂強度二者絕對強度均呈現減小趨勢，但凍融劈裂強度比無明顯的變化規律。

（3）隨著木質素纖維分散率降低，SMA混合料動穩定度顯著減小，相對變形則逐漸增大，表明高溫穩定性降低。

（4）隨著木質素纖維分散率降低，SMA混合料構造深度顯著減小，擺值呈現略微減小趨勢。

綜合上述分析，木質素纖維的分散狀態對SMA混合料性能指標具有較大影響，良好的預分散是進行配合比設計的基礎。換言之，若瀝青拌和樓攪拌設備不能有效對木質素纖維進行分散，導致生產配合比與目標配合比呈現較大差異，將較易出現混合料質量隱患，進而影響SMA路用性能。