不同類型纖維對SBS改性瀝青混合料性能的影響研究

作者簡介：鄒引明（1990—），工程師，研究方向：瀝青路面施工技術(shù)。

摘要：受氣候及交通量的影響，SBS改性瀝青路面易出現(xiàn)水損害、裂縫等病害，對此，文章研究了纖維類型（玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)纖維）、長度及摻量對SBS改性瀝青混合料低溫及水穩(wěn)定性能的影響，并對相關(guān)因素（纖維類型、長度及摻量）進行灰色關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果表明：推薦纖維為玄武巖纖維，推薦長度為18 mm、摻量為3.5%，基于灰關(guān)聯(lián)瀝青混合料低溫及水穩(wěn)性能影響程度的大小排序為纖維類型＞長度＞摻量。

關(guān)鍵詞：纖維改性；SBS改性瀝青混合料；灰關(guān)聯(lián)分析

中圖分類號：U416.03

0 引言

由于我國早期瀝青路面設(shè)計并沒有考慮地域、氣候差異的不同，部分地區(qū)的瀝青路面出現(xiàn)了水損害、裂縫等病害，導(dǎo)致道路使用壽命大幅度降低。為了解決這些問題，有學(xué)者嘗試在SBS改性瀝青中添加不同類型的纖維來進一步改善其性能^[1]。纖維能夠與瀝青形成良好的界面粘結(jié)，增加瀝青的黏度和稠度，提高瀝青混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦力，從而改善其使用性能^[2]。

目前，已有許多研究探討了不同類型的纖維對瀝青和瀝青混合料性能的影響，Wang S等^[3]探討不同長度及摻量的玄武巖纖維對瀝青混合料性能的影響，通過流失率試驗、坎塔布羅磨損試驗、凍融劈裂強度試驗，確定了最佳的纖維長度為12 mm和摻量為3%。Zhao H等^[4]通過室內(nèi)試驗綜合評價玄武巖纖維對瀝青混合料路面性能的影響，結(jié)果表明，玄武巖纖維可以顯著提高瀝青混合料耐高溫性能、耐水敏感性和抗疲勞性能。Yuan xun等^[5]分析了不同應(yīng)力水平下，摻加玄武巖纖維瀝青混合料與未摻加纖維瀝青混合料的殘余模量和疲勞損傷，結(jié)果表明，摻加玄武巖纖維瀝青混合料的殘余模量均高于未摻加纖維瀝青混合料，且疲勞損傷較低。由上述研究可知，目前大部分研究是針對普通瀝青或其他改性瀝青，而針對SBS改性瀝青的研究較少。因此本文旨在研究不同類型的纖維（玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)纖維）對SBS改性瀝青混合料性能的影響，并探討纖維的種類、長度、摻量對瀝青混合料性能的影響機理。

1 工程概況

河北某地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，長期受到降雨沖刷、低溫凍融等作用，以往道路采用普通瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)，由于水穩(wěn)定性和低溫抗裂性較差導(dǎo)致路面發(fā)生水解剝落、裂縫擴展等病害。因此，為了適應(yīng)工程所在地的氣候和地質(zhì)條件，決定對該項目高速公路瀝青上面層采用AC-13型纖維改性SBS瀝青混凝土，項目道路各結(jié)構(gòu)層設(shè)計方案如表1所示。

2 原材料及級配設(shè)計

2.1 原材料

為了研究纖維增強SBS改性瀝青混合料在項目工程道路面層的路用性能，本文在實驗室內(nèi)選用了以下3種不同類型的纖維作為改性劑。

2.1.1 力學(xué)性能對比

纖維力學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響SBS改性瀝青混合料的路用性能。本文對3種纖維力學(xué)性能進行對比檢測，結(jié)果如表2所示。

如表2所示，玄武巖纖維力學(xué)性能最佳，其中木質(zhì)纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維斷裂強度分別為254 MPa、760 MPa、3 254 MPa，玄武巖纖維斷裂強度是木質(zhì)纖維的11倍左右，是聚酯纖維的4倍左右。

2.1.2 熱穩(wěn)定性

為了保證纖維在瀝青混合料中的有效作用，纖維應(yīng)具有足夠的熱穩(wěn)定性，瀝青混合料的拌和溫度應(yīng)控制在150 ℃～180 ℃，因為纖維應(yīng)能夠耐受200 ℃以上的高溫環(huán)境，否則，若纖維在高溫下發(fā)生分解或變形，會導(dǎo)致瀝青混合料的力學(xué)性能、耐久性能和環(huán)境適應(yīng)性能下降。為研究3種纖維熱穩(wěn)定性，本文選擇纖維放置180 ℃的烘箱中10 h，對比前后質(zhì)量損失情況，試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，玄武巖纖維熱穩(wěn)定性能最佳，其中玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)纖維質(zhì)量損失率分別為3.6%、7.8%、26.1%，玄武巖纖維質(zhì)量損失率最低，說明高溫條件下，玄武巖纖維熱穩(wěn)定性最佳。

2.2 級配設(shè)計

經(jīng)確定AC-13型SBS改性瀝青混合料各種集料的取值范圍，設(shè)計級配如表4所示。

3 不同類型纖維對SBS改性瀝青混合料性能研究

3.1 試驗方法

3.1.1 彎曲梁試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）（以下簡稱《試驗規(guī)程》）中《彎曲梁法測定改性瀝青低溫性能》的規(guī)定，使用萬能試驗機測定瀝青混合料的彎曲應(yīng)力σ和彎曲應(yīng)變ε。

3.1.2 凍融劈裂試驗

按照《試驗規(guī)程》中《凍融劈裂法測定瀝青混合料水穩(wěn)定性》的規(guī)定，使用萬能試驗機測定瀝青混合料在凍融循環(huán)后的殘余強度RCS和殘余強度比RSR。

3.2 試驗結(jié)果分析

SBS改性瀝青混合料彎曲梁試驗及凍融劈裂試驗結(jié)果如表5及圖1所示。

由圖1可知：

（1）同一纖維類型下，SBS改性瀝青混合料彎曲勁度模量和殘余強度比隨著纖維摻量的增加呈上升趨勢。具體來看，當(dāng)瀝青混合料使用長度為18 mm的玄武巖纖維時，隨纖維摻量逐級遞增，其彎曲勁度模量分別增加了18.64%、9.39%、1.49%，其殘余強度比分別增加了5.46%、1.51%、0.21%，因此彎曲勁度模量和殘余強度比增加幅度隨纖維摻量的增加呈衰減趨勢，繼續(xù)增加纖維摻量對瀝青混合料路用性能提升幅度較小。這是因為纖維能夠與瀝青形成良好的界面粘結(jié)，增加瀝青的黏度和稠度，提高瀝青混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦力，從而抵抗水對瀝青混合料的侵蝕以及低溫對其的破壞變形。同樣，其他纖維類型的瀝青混合料彎曲勁度模量和殘余強度比也遵循此規(guī)律。因此纖維摻量不能使用過高，應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

（2）同一纖維類型下，SBS改性瀝青混合料彎曲勁度模量和殘余強度比隨著纖維長度增加呈上升趨勢。具體來看，當(dāng)瀝青混合料使用3.5%的玄武巖纖維時，隨纖維長度逐級遞增，其彎曲勁度模量分別增加了19.54%、30.72%，其殘余強度比分別增加了33.04%、62.51%，因此彎曲勁度模量和殘余強度比增加幅度隨纖維摻量的增加呈上升趨勢，繼續(xù)增加纖維長度能進一步提升瀝青混合料路用性能。這是因為隨著纖維長度的增加，纖維在瀝青混合料中起到了更強的吸附、穩(wěn)定、橋接和加筋作用，使瀝青混合料性能得到提升。同樣，其他纖維類型的瀝青混合料彎曲勁度模量和殘余強度比也遵循此規(guī)律。因此可以通過增大纖維長度來提升瀝青混合料路用性能。

（3）同一纖維長度及摻量下，不同纖維類型對瀝青混合料路用性能優(yōu)劣影響為玄武巖纖維＞聚酯纖維＞木質(zhì)纖維。具體來看，當(dāng)使用3.5%的18 mm纖維時，玄武巖纖維彎曲勁度模量較聚酯纖維與木質(zhì)纖維分別提升了8.54%、12.98%，殘余強度比分別提升了6.69%、11.12%。這是因為玄武巖纖維具有較高的強度、剛度和耐熱性，可以提升瀝青混合料路用性能。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

本節(jié)采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對影響SBS改性瀝青混合料路用性能的試驗因素進行重要性分析，即對相關(guān)因素（纖維類型、長度及摻量）進行灰色關(guān)聯(lián)分析，對關(guān)聯(lián)因子重要性進行量化排序，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)結(jié)果。計算步驟如下^[6-7]。

對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理：

計算差數(shù)列：

計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中：Δ_max、Δ_min——序列中的最大值、最小值；

ρ——分辨系數(shù)。

計算灰色關(guān)聯(lián)度γ_0i：

彎曲勁度模量、殘余強度比與各影響因素灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及分析結(jié)果如圖2及表6所示。

由表6及圖2可知：3種因素（纖維類型、長度及摻量）對SBS改性瀝青混合料低溫及水穩(wěn)定性能影響程度的大小排序：纖維類型＞長度＞摻量。由此可知，改善纖維類型瀝青混合料性能得到提升，這是因為纖維能夠與瀝青形成良好的界面粘結(jié)，增加瀝青的黏度和稠度，提高瀝青混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦力。由此可知，為提高SBS改性瀝青混合料低溫及水穩(wěn)定性能應(yīng)選擇玄武巖纖維且適量增加其長度。

4 結(jié)語

（1）SBS改性瀝青混合料低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性能隨著纖維長度及摻量的增加呈上升趨勢，且3種纖維類型對瀝青混合料性能優(yōu)劣影響為玄武巖纖維＞聚酯纖維＞木質(zhì)纖維。

（2）綜合考慮SBS改性瀝青混合料低溫及水穩(wěn)定性能，推薦纖維使用玄武巖纖維，推薦長度使用18 mm，推薦摻量使用3.5%。

（3）3種因素對于復(fù)合改性瀝青混合料路用性能的影響順序是纖維類型＞長度＞摻量。

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