不同形態纖維對SMA-13 路用性能影響試驗研究

陳闖闖CHEN Chuang-chuang；吳幫偉WU Bang-wei；劉永濤LIU Yong-tao；蔣承志JIANG Cheng-zhi；王鑫WANG Xin

（揚州大學建筑科學與工程學院，揚州 225000）

0 引言

隨著我國交通運輸業的飛速發展，交通量急劇增大，且重載和超載現象日益嚴重，瀝青路面出現了大量的病害，如裂縫、車轍、坑槽等。為了改善瀝青混合料的路用性能，延長瀝青路面的使用壽命，國內外學者提出了不同的解決方案，匡民明[1]、吳俊婷[2]、WEN Y[3]、鎖利軍[4]等通過添加廢橡膠粉、聚合物、天然橡膠和納米材料等對瀝青進行改性，來提高瀝青的粘度，從而改善瀝青混合料的性能，但改性劑與基質瀝青間的相容性存在一定的限制，使其對瀝青的改性效果存在上限；鄧乃銘[5]等通過優化路面結構設計來延長瀝青路面的使用壽命，但這種方法在推廣前往往需要經過長時間的理論、試驗和工程驗證；丁皓[6]、Morea F[7]、Tapkin[8]、王玉林[9]等在瀝青混合料中摻入纖維來提高其內部的粘結力，增強整體性能。以上方法對改善瀝青路面性能，延長瀝青路面使用壽命均有較好的效果，在瀝青混合料中摻入纖維的方法較為突出，應用廣泛，并且有多種纖維可供選擇。現階段對纖維的研究主要集中在纖維的種類、纖維的長度、某種纖維的摻量等，纖維的形態對瀝青混合料的性能影響的研究較少。

基于此，本文選取木質素纖維（絮狀和顆粒狀）和玄武巖纖維（束狀和絮狀）加入SMA-13 瀝青混合料中，通過車轍試驗、低溫小梁試驗、IDEAL 開裂試驗和凍融劈裂試驗評價不同形態的纖維對SMA-13 瀝青混合料路用性能的影響。

1 原材料

①本研究選用型號為PG76-22 的SBS 改性瀝青，其主要技術性能指標見表1[10]。

表1 SBS 改性瀝青主要技術性能

②選用的纖維有絮狀木質素纖維（FLF，見圖1a）、顆粒狀木質素纖維（GLF，見圖1b）、束狀玄武巖纖維（BBF，見圖1c）和絮狀玄武巖纖維（FBF，見圖1d），其技術指標均滿足《瀝青路面用纖維》（JT/T 533-2020）[11]。

圖1 纖維的宏觀圖像

③集料采用玄武巖和石灰巖，礦粉采用石灰巖礦粉，其技術指標均滿足《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）[12]。

2 試驗方案設計

2.1 混合料類型

本文選用SMA-13 瀝青混合料，通過摻加纖維獲取4種纖維瀝青混合料。試驗方案見表2。

表2 試驗方案

2.2 配合比設計

SMA-13 瀝青混合料級配曲線見圖2，馬歇爾試驗結果見表3。

圖2 SMA-13 設計級配曲線

表3 馬歇爾試驗結果

2.3 試驗方法

試驗（1）、（2）和（4）參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），試驗（4）參照ASTM D8225-2019 中的相關規范[13]。

①車轍試驗（T 0719-2011）。

將長300mm×寬300mm×厚50mm 的車轍板至于60℃環境下保溫5h 后，在0.7MPa 軸載的車轍試驗機上進行車轍試驗，見圖3。

圖3 車轍試驗

②低溫小梁彎曲試驗（T 0715-2011）。

將車轍板切割成尺寸250mm×30mm×35mm 的試樣，將試樣置于UTM-25 試驗機上進行加載試驗，環境溫度為-10℃，試驗機的加載速率為50mm/min，見圖4。

圖4 低溫小梁彎曲試驗

③IDEAL 試驗。

在25℃的試驗環境下，將旋轉壓實成型的試件（直徑150mm，高62mm）置于UTM-25 試驗機上進行IDEEAL 開裂試驗，加載速率為50mm/min，見圖5。

圖5 IDEAL 試驗

④凍融劈裂試驗（T 0729-2000）。

馬歇爾試件雙面擊實50 次，第一組試件進行常規劈裂強度測試，第二組試件進行-18℃保溫16h+60℃浸泡24h 的凍融處理后再測試劈裂強度，并計算凍融劈裂強度比，見圖6。

圖6 凍融劈裂試驗

3 試驗結果分析

3.1 車轍試驗結果分析

如圖7 所示，玄武巖纖維瀝青混合料的動穩定度普遍高于木質素纖維瀝青混合料，說明玄武巖纖維瀝青混合料的高溫穩定性優于木質素纖維瀝青混合料，這是因為玄武巖纖維相比木質素纖維有更好的物理性能、力學性能和抗拉性能。由于絮狀木質素纖維吸油率高且拌合過程加筋效果好，絮狀木質素纖維瀝青混合料的動穩定度比顆粒狀木質素纖維提高了8.8%，這表明不同形態的木質素纖維對瀝青混合料的高溫穩定性具有一定的影響。而玄武巖纖維的形態對瀝青混合料高溫穩定性的影響則不大。

圖7 瀝青混合料高溫車轍試驗測試結果

3.2 低溫小梁試驗結果分析

如表4 所示，從彎拉強度的角度來看，玄武巖纖維瀝青瀝青混合料的抗彎拉強度比木質素纖維瀝青混合料提高了約5.7%~7.7%，原因是玄武巖纖維具有較好的抗拉伸能力，在瀝青混合料中主要起“加筋”作用，可以更好的分散應力，從而提升瀝青混合料的抗開裂能力；而木質素纖維主要起吸附穩定作用，抗拉能力低。FLF SMA-13 瀝青混合料的最大彎拉應變比GLF SMA-13 瀝青混合料提高了3.1%，絮狀木質素纖維的吸油率大于顆粒狀木質素，絮狀木質素纖維瀝青混合料的油石比相對較高，使得絮狀木質素纖維瀝青混合料中的油膜含量較大，對混合料的老化起到了一定的阻止作用，在很大程度上降低了混合料對溫度的敏感性[14]。

表4 瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結果

3.3 IDEAL 試驗結果分析

IDEAL 試驗中，通常將開裂指標CTIndex作為評價瀝青混合料的抗裂指標，如圖8 所示，玄武巖纖維瀝青混合料的開裂指標明顯大于木質素纖維瀝青混合料，說明玄武巖纖維的抗開裂性能更好，這是因為玄武巖纖維本身良好的抗拉能力能有效增強瀝青混合料裂縫的發展，表現出較好的增韌阻裂效果。不同形態的木質素纖維瀝青混合料的抗開裂指標差距較大，達到了17.9%，主要是因為絮狀木質素纖維瀝青混合料“拉絲”現象較為明顯，其“加筋”效果好于顆粒狀木質素纖維瀝青混合料，由此抵抗裂縫的能力更好。而束狀玄武巖纖維瀝青混合料的開裂指標比絮狀玄武巖纖維瀝青混合料僅提升了4.6%，說明不同形態的玄武巖纖維對瀝青混合料的抗開裂性能影響不大。

圖8 瀝青混合料開裂指標測試結果

3.4 凍融劈裂試驗結果分析

凍融劈裂強度比是評價瀝青混合料抵抗水損壞能力的關鍵指標，如圖9 所示，不同纖維瀝青混合料的劈裂強度比均大于規范要求的80%，整體來說，玄武巖纖維瀝青混合料的水穩定性較好，但提升效果不明顯，其劈裂強度比比木質素纖維瀝青混合料僅提升了1.4%~3.4%。同樣的不同形態的木質素纖維瀝青混合料和不同形態的玄武巖纖維瀝青混合料的劈裂強度比相差也不大，僅為0.9%和1.1%。這說明無論是纖維的種類還是纖維的形態對瀝青混合料的水穩定性影響不大。

圖9 瀝青混合料凍融劈裂試驗測試結果

4 結語

①玄武巖纖維對SMA-13 瀝青混合料路用性能的改善效果優于木質素纖維瀝青混合料，主要體現在高溫穩定性、低溫抗裂性、中溫抗開裂性、水穩定性以及動態模量上。②在高溫穩定性和中溫抗開裂性方面，木質素纖維的形態對瀝青混合料的影響較大，對低溫抗裂性和水穩定性的影響不大。而玄武巖纖維的形態對瀝青混合料的性能基本沒有影響。③木質素纖維的形態對瀝青混合料性能有一定的影響，玄武巖纖維的形態對瀝青混合料的影響不大。