SMA-13復摻纖維瀝青混合料路用性能研究

2022-04-20 06:15:47李文凱邵景干

河南科技 2022年5期

李文凱邵景干

摘要：SMA間斷級配瀝青混合料因其良好的路用性能而被廣泛應用在高等級瀝青路面施工中。玄武巖纖維（BF）和木質素纖維（CF）能夠均勻地分散到瀝青混合料當中，起到吸附、穩定瀝青的效果，同時在骨料之間形成搭橋作用，能夠進一步改善瀝青路面的路用性能及使用年限。本研究將不同摻配比例的BF及CF兩種纖維摻入SMA-13混合料當中并進行相關路用性能研究，得出：玄武巖纖維（BF）對SMA-13混合料的高溫性能改善效果較優，而木質素纖維（CF）對SMA-13混合料的低溫性能改善效果較優，從SMA-13混合料整體路用性能方面綜合考慮，玄武巖纖維（BF）與木質素纖維（CF）的摻配比例為1∶1。

關鍵詞：玄武巖纖維;木質素纖維;礦料級配;油石比;路用性能

中圖分類號：U414 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0064-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.014

Study on Pavement Performance of SMA-13 Composite Fiber Asphalt Mixture

LI Wenkai ? ?SHAO Jinggan

（Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.Ltd.， Research and Development Center of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： SMA discontinuous graded asphalt mixture is widely used in high-grade asphalt pavement because of its good road performance. Basalt fiber （BF） and lignin fiber （CF） can be evenly dispersed into the asphalt mixture to absorb and stabilize the asphalt. At the same time， it can form a bridge between the aggregates， which can further improve the road performance and service life of the asphalt pavement. In this study， BF and CF fibers with different mixing ratios are mixed into SMA-13 mixture， and relevant road performance research is carried out. It is concluded that basalt fiber （BF） has better effect on improving the high-temperature performance of SMA-13 mixture， while lignin fiber （CF） has better effect on improving the low-temperature performance of SMA-13 mixture. Considering the overall road performance of SMA-13 mixture， The mixing ratio of basalt fiber （BF） and lignin fiber （CF） is 1∶1.

Keywords： basalt fiber;cellulose fiber; aggregate gradation; oil stone ratio; road performance

0 引言

伴隨我國經濟的快速增長，地區之間的交流更加密切，車流量也呈現逐年遞增的趨勢，超載、過載的現象時有發生，導致新建道路在運營早期就出現車轍、裂縫及抗滑性能不足等路面病害[1-3]。常規瀝青混合料已不能滿足高品質、高質量瀝青路面的需求，而將各種改性材料應用到瀝青混合料中來改善瀝青路面使用性能及使用年限被眾多道路工作者所青睞。瀝青路面表層結構層混合料類型有多種，主要包括密級配AC-10C、AC-13C、AC-16C型瀝青混合料、開級配OGFC-13型瀝青混合料、間斷級配SMA-10、SMA-13、SMA-16型瀝青混合料。其中，密級配AC型瀝青混合料是現階段工程中最常用的級配類型，施工工藝較為成熟，設計空隙率一般在4%～6%，但近年來隨著交通量尤其重軸載車輛的逐年增加，AC型瀝青路面也出現了高低溫性能病害突出的弊端;開級配OGFC型瀝青混合料多用于抗滑性能不足及年降雨量較大的地區，設計空隙率一般在18%～25%，路表積水能夠很快通過混合料內部的大孔隙排出路表，由于內部孔隙較大，混合料內部的瀝青容易老化，導致瀝青膠漿黏附能力降低，松散病害較為突出;間斷級配SMA型瀝青混合料進入21世紀后被廣泛推廣，設計空隙率一般在3%～4%，具有良好的高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害等路用性能[4]。SMA具有粗集料、礦粉及瀝青用量多，細集料用量少的特點，是一種由瀝青膠漿及纖維穩定劑構成的瀝青瑪蹄脂填充粗骨料孔隙的間斷級配混合料，因其良好的路用性能而被廣泛應用。SMA混合料中的粗骨料能夠相互嵌擠形成骨架結構，具有良好的高溫抗車轍能力，而較大的瀝青用量能夠增加骨料之間的黏結能力，提高瀝青路面的抗水損害能力，纖維穩定劑三維亂向分散在混合料當中，能夠起到吸附、穩定瀝青的作用，增強瀝青路面的低溫抗開裂能力[5-6]。玄武巖纖維（BF）是一種礦物纖維，由玄武巖碎石高溫熔融并通過一定的工藝拉絲短切而成，其密度與骨料相當，且與瀝青具有良好的相容性，能夠均勻分散到混合料當中;木質素纖維（CF）是一種植物纖維，密度較小，具有較強的吸附瀝青的效果。兩種不同成分的纖維對SMA瀝青混合料性能的改善效果存在差異，本研究將BF與CF兩種纖維按照一定比例復摻到混合料當中并進行相關路用性能的研究，優選出最佳的復摻比例，為復摻纖維設計在SMA瀝青路面中的應用提供理論支撐。

1 原材料及配合比設計

1.1 瀝青

原材料質量對瀝青路面的服務水平及使用年限有著重要影響，其中瀝青種類的選取尤為關鍵[7]，本研究選用SBS Ⅰ-D聚合物改性瀝青展開研究，其主要技術參數檢測結果均滿足現行《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的相關規定，試驗結果見表1。

1.2 纖維

改性瀝青與纖維對瀝青路面的改性效果不同，性能優異的瀝青夏季高溫天氣黏性較好，同時冬季低溫環境下也能具有較好的韌性[8-10];而纖維三維亂向分散在混合料中能夠起到吸附、穩定瀝青的效果，同時也能夠在骨料孔隙之間起到搭橋、加筋的作用。本研究選用的玄武巖纖維（BF）、木質素纖維（CF）分別由鄭州登電集團及德國JRS公司生產，兩種纖維主要技術參數檢測結果均滿足相關規范要求，試驗結果見表2。

1.3 配合比設計及馬歇爾試驗結果

本研究選用SMA-13間斷級配進行研究，玄武巖碎石粗骨料的粒徑分別為3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm，機制砂細骨料粒徑為0～3 mm，填料為石灰巖磨細的礦粉，SMA-13混合料礦料級配設計結果見表3，未摻纖維的SMA-13混合料馬歇爾試驗結果見表4。

2 路用性能

相關研究表明，纖維在SMA瀝青混合料的摻量一般為0.3%～0.6%（占混合料質量）[11-13]，本研究選用摻量為0.4%的研究對象展開研究，其中玄武巖纖維（BF）及木質素纖維（CF）在SMA混合料中的摻配比例見表5。

2.1 高溫穩定性

瀝青路面是一種柔性結構層，對溫度較為敏感。高溫環境下瀝青塑性增強、韌性降低，在高溫重軸載作用下易出現永久性塑性變形。車轍、泛油、擁包等路面病害的出現是高溫穩定性差的主要表現形式[14]。本研究在試驗溫度為60 ℃環境下，選用室內車轍試驗對不同纖維摻配方案下的SMA-13混合料進行高溫抗車轍性能研究，試驗結果見圖1。

由圖1可以得出：兩種纖維的摻入均能改善瀝青路面的高溫抗車轍能力，但隨著BF摻量占比的減小，混合料動穩定度試驗結果逐漸降低，表明兩種纖維對瀝青路面高溫性能的改善能力存在差異，其中相同摻量下BF的改善效果優于CF。

2.2 低溫抗裂性

低溫環境下，瀝青塑性降低、脆性增強，在車輛軸載作用下，當瀝青路面結構層內部的容許拉應力小于溫縮應力時，混合料就會發生細微開裂，這些細微開裂如不處理就會逐漸惡化成塊狀裂縫甚至龜裂等嚴重病害[15-16]。本研究在試驗溫度為-10℃的低溫環境下，選用室內小梁彎曲試驗對不同纖維摻配方案下的SMA-13混合料進行低溫抗開裂性能研究，混合料抗彎拉強度及最大彎曲破壞應變試驗結果分別見圖2、圖3。

由圖2、圖3可以得出：兩種纖維的摻入均能改善瀝青路面的低溫抗開裂能力，但隨著BF摻量占比的減小、CF摻量占比的增加，瀝青路面低溫抗開裂性能逐漸增強，表明兩種纖維對瀝青路面低溫性能的改善能力存在差異，其中相同摻量下CF的改善效果優于BF。

2.3 水穩定性

瀝青路面作為路表結構層，長期受到光照、雨水侵蝕、凍融循環及車輛軸載等外界因素的長期綜合作用，瀝青逐漸老化，骨料與瀝青之間的黏附能力逐漸降低，瀝青膠漿極易從骨料之間剝落、松散、坑槽等路面病害的出現是瀝青路面水穩定性差的主要表現形式。本研究選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗對不同纖維摻配方案下的SMA-13混合料進行水穩定性能研究，混合料浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗結果分別見圖4、圖5。

由圖4、圖5可以得出：兩種纖維的摻入均能改善瀝青路面的抗水損害能力，但隨著BF摻量占比的減小、CF摻量占比的增加，瀝青路面抗水損害能力呈現先升高后降低的趨勢，且在BF及CF摻配比例為1∶1時水穩定性能最優，表明兩種纖維按合理比例摻配才能保證瀝青路面具有較好的抗水損害能力。

3 結語

兩種纖維的摻入均能改善瀝青路面高低溫及水穩定性能，其中玄武巖纖維（BF）對SMA-13混合料的高溫性能改善效果較優，而木質素纖維（CF）對低溫性能改善效果較優，玄武巖纖維（BF）與木質素纖維（CF）摻配比例為1∶1時SMA-13混合料水穩定性能最優，從SMA-13混合料整體路用性能方面綜合考慮，玄武巖纖維（BF）與木質素纖維（CF）的摻配比例為1∶1。

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