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标题 不同纤维SMA混合料路用性能及改性机理对比分析
范文 杨琳



摘要：通过对木质素、聚酯、聚丙烯、玄武岩和海泡石纤维SMA混合料的路用性能及改性机理对比分析，研究了不同纤维对SMA混合料的适用性。结果表明，不同类型的纤维对SMA混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及疲劳抗裂性均有显著影响，其中海泡石纤维的综合路用性能最优，聚丙烯纤维的低温抗裂性和抗疲劳耐久性较好，而木质素纤维的低温抗裂性和抗疲劳性能最差。
关键词：SMA沥青混合料；纤维；路用性能；路面工程
中图分类号：U414.03 文献标志码：B
Abstract： The impact of lignin， polyester， polypropylene， basalt and sepiolite fiber on SMA mixtures pavement performance was studied. The results show that all these types of fibers have significant impact on the SMA mixtures high temperature stability， crack resistance at low temperature， water stability and fatigue crack resistance， among which sepiolite fiber has the best performance in general. Polypropylene shows good results in terms of crack resistance at low temperature and fatigue crack resistance， while lignin has the worst performance in these aspects.
Key words： SMA mixture； fiber； pavement performance； pavement engineering
0 引 言
纤维作为SMA沥青混合料重要原材料之一，对沥青混合料合理的体积组成设计及优良的使用性能具有重要影响[1-3]。对已损坏的SMA沥青路面的调查结果表明，木质素纤维在混合料中结团、分散不均匀以及热分解退化降解和抗酸碱腐蚀能力差等问题是导致SMA混合料出现早期损害的主要原因之一[4]。大多数纤维改性材料对沥青混合料的路用性能改善效果比较单一，存在局限性，有必要研究不同纤维对SMA混合料的适用性。因此本文选用木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维和海泡石纤维进行对比分析，并推荐了不同纤维SMA混合料的适用性，希望对于促进SMA混合料的推广应用和同类工程设计具有一定的参考借鉴价值。
1 原材料技术性能及配比
1.1 纤维类型
试验选用工程中常用的木质素、聚酯、聚丙烯、玄武岩、海泡石5种纤维类型，为方便对比研究，所有纤维掺量均为3‰（占混合料质量的百分比）[5-6]。
1.2 沥青及集料类型
试验研究选用壳牌SBS改性沥青（I-B类，SBS剂量4%），沥青的性能试验检测结果表明符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中的技术指标要求。两档5～10 mm、10～15 mm的粗集料选用玄武岩，0～3 mm、3～5 mm两档细集料采用石灰岩，矿粉由石灰岩磨制而成，经检测集料的各项技术指标均满足现行施工规范技术要求。
2 不同纤维种类的SMA沥青混合料配合比设计
2.1 确定混合料合成级配
采用SMA-13级配，根据粗细集料的筛分结果和工程级配要求，以9.5 mm、4.75 mm筛孔为关键筛孔，初试3种不同级配，以粗集料骨架间隙率VCAmin2.2 确定最佳沥青用量
试验时纤维的掺加方式采用“干法”工艺，即先将预定质量的纤维和集料一起干拌90 s，使纤维在矿料中分散均匀，然后再加入SBS改性沥青，拌和60 s，最后加入矿粉，拌和90 s，总拌和时间为4 min。根据工程经验，以6.2%油石比为中值，间隔0.3%变化5组沥青用量，双面各击实75次成型标准马歇尔试件，以马歇尔体积参数再确定最佳油石比。不同纤维SMA-13混合料马歇尔试件体积参数和最佳油石比试验结果见表1、2。
配合比设计结果表明，木质素纤维SMA混合料的最佳油石比最大，聚酯纤维次之，其余纤维最佳油石比相差不大，这主要是纤维吸油所导致；5种纤维改性沥青混合料的稳定度值均大于6 kN，可见纤维可以提高沥青混合料的增粘和连结作用；此外，马歇尔空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等各项体积指标均满足施工规范要求。
3 掺配不同纤维的SMA沥青混合料路用性能
3.1 不同纤维SMA沥青混合料高温稳定性
沥青路面的高温稳定性是指沥青混合料在环境温度和车辆荷载作用下塑性变形的能力。沥青路面高温稳定性不足所表现出来的病害主要包括推移、拥包、搓板、车辙等。现行施工规范采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性，以车辙试验动稳定度DS作为评价指标[9-10]。但考虑到车辙试验一般只能模拟初始压密阶段和固结蠕变阶段初期，而动稳定度指标仅表示了压实稳定期流动变形增长的速率，并没有考虑压实过渡期变形的影响，且试验过程中发现5种纤维SMA混合料的动稳定度均达到了6 700 次·mm-1以上，采用车辙试验并不能很好地区分纤维种类对SMA混合料高温稳定性的影响。因此，笔者采用小型加速加载试验来研究纤维SMA混合料的高温稳定性，参考已有研究成果，试验采用60 ℃和70 ℃两种温度，加载速率为6 500 次·h-1（相当于实际车速7.2 km·h-1），试验轮压力为07 MPa。试件按照加速加载试模尺寸由大马歇尔试件切割而成（厚度为5 cm），取不同加载次数下平行试件车辙深度的平均值和车辙深度，沿试件横断面的变化规律为研究目标，记录车辙深度随加载次数的变化规律，试验结果见图1、2所示。
由加速加载试验结果可知，5种纤维的SMA混合料车辙深度均随着加载次数的增加而增大，混合料试件在试验轮的作用下产生永久变形，表现为沿着轮迹带方向的纵向压缩，同时两侧伴有隆起现象，形成类似“W”型的断面。加速加载试验过程中，车辙形成过程可以明显的分为3个阶段，即初始压密阶段、沥青混合料的侧向流动（蠕变稳定阶段）、矿质集料的重新排列以及矿质骨架的破坏（破坏阶段）。这与现有路面横断面实测数据及国内外研究成果相吻合，可见加速加载试验可快速准确评价沥青混合料的高温稳定性。其次，对于不同纤维类型的SMA混合料试件，相同加载次数下试件车辙深度由大到小依次排列是：木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、海泡石纤维，可见海泡石纤维SMA混合料的抵抗高温永久变形的能力最优。分析纤维对SMA混合料的高温稳定性改性机理：由于纤维单丝的三向随机分布，在混合料内部形成了复杂的纤维骨架空间网络，对沥青胶浆起到了“加筋”和“锚固”的作用；同时纤维的亲油性使其与沥青有了很强的吸附性，沥青胶浆与集料界面的粘结强度和握裹力增大，增强了混合料的整体性，保证了SMA混合料的高温稳定性和耐久性；使沥青的粘稠度和粘聚力增大，降低了流动性，使SBS改性沥青的胶体结构发生改变，即逐渐由溶胶结构转变为溶-凝胶结构甚至凝胶结构，同时限制了集料的侧向位移或流动，有效地改善了高温稳定性。
3.2 不同纤维的SMA混合料低温抗裂性
采用低温小梁弯曲试验评价纤维SMA混合料的低温抗裂性。小梁试件由车辙板切割而成，试件尺寸为30 mm×35 mm×250 mm，试验温度为-10 ℃。试验采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm·min-1，以破坏应变和单位体积的破坏能指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表3所示。
表3试验结果表明，在3‰掺量条件下，所有掺加纤维的SMA混合料的最大弯拉应变均远大于3 000 με，满足现行施工规范要求，可见纤维SMA混合料具有较好的低温抗裂性。相同掺量条件下，最大弯拉应变由大到小依次排列是海泡石纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维。单位体积破坏应变能也有类似变化规律，表明海泡石纤维的低温抗裂性最好。分析纤维改善SMA混合料低温抗裂性的原因：纤维的比表面积大，其增粘作用可显著地增加集料表面的沥青膜厚度，增加结构沥青数量，这也增强了纤维沥青胶浆与矿料间的界面作用力；且在温度较低时，纤维在SBS胶浆中发生胶凝硬化，产生锲入与锚固，从而提高温拌再生混合料的柔性，改善低温抗裂性能；此外，掺加纤维后SMA混合料的最佳油石比增大，小梁试件的柔性增强，这也有利于提高混合料的低温抗裂性。
3.3 不同纤维SMA混合料水稳定性
将马歇尔试件（正反50 次/面）分成两组，一组放置在25 ℃水浴中保温至少2 h后测其劈裂强度；另一组先在25 ℃水、真空压力0.09 MPa的情况下饱水15 min，后在常压下浸泡30 min，之后放入-18 ℃的冰箱中冷冻16 h，再放入60 ℃恒温水浴中保温24 h，最后放入25 ℃水浴中浸泡2.5 h后测其劈裂强度，此为一个冻融循环[11]。以两组试件劈裂强度平均值的比值作为评价指标，试验结果如图3所示。
由图3试验结果可知，随着冻融循环次数的增加，SMA混合料的劈裂强度呈直线下降，经一次冻融循环后TSR均大于89%，满足规范大于75%的技术要求。但经6次冻融循环后，玄武岩纤维SMA混合料劈裂强度仅为初始劈裂强度的48.7%，而木质素纤维、聚酯纤维和海泡石纤维经历6次冻融循环后劈裂强度仍大于0.64 MPa，可见木质素、聚酯和海泡石纤维无论是冻融劈裂强度还是劈裂强度均相差不大，聚丙烯纤维次之，而玄武岩纤维水稳定性最差。
3.4 疲劳性能研究
采用室内小梁疲劳试验（控制应力）对不同纤维SMA沥青混合料疲劳性能进行了研究。参考国内大多采用的研究方法，疲劳试验试件尺寸为50 mm×50 mm×250 mm，加载波形为10 Hz连续式正弦波， 试验温度为15 ℃。为了减小疲劳试验数据误差，本文将疲劳寿命作为一个随机变量，采用Weibull分布概率统计方法对其进行了研究，结果如图4所示。
试验结果表明，在相同失效概率条件下，5种纤维SMA混合料疲劳试验拟合结果K值由大到小依次是海泡石纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维，n值由小到大依次是海泡石纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维。K值越大，疲劳曲线的线位越高，表示混合料的疲劳寿命提高；n值越小，疲劳曲线越平缓，表明混合料的疲劳寿命对应力水平的变化越不敏感。可见海泡石纤维的抗疲劳性能最优，其次是聚丙烯纤维，而木质素纤维的抗疲劳性能最差。分析纤维改善温拌再生混合料的改性机理：由于纤维的比表面积较大，当纤维分布在沥青中时，其巨大的表面积能够形成浸润表面，与沥青充分接触融合，使集料有更强的粘附力，保证了混合料的整体性，从而提高沥青混合料的疲劳寿命；且将纤维掺加到混合料中后，由于其吸附稳定作用，致使混合料的沥青用量增加，沥青膜厚增加，从而增强了混合料的柔性，在细裂纹的填隙、弥合中，纤维沥青胶浆起到了缓冲荷载的作用，进而增强了混合料抗疲劳性能[12-16]。
4 结 语
（1） 纤维SMA混合料试件在加速加载试验轮的作用下产生了竖向累积永久变形，表现为沿着轮迹带方向的纵向压缩，同时两侧伴有隆起现象，形成类似“W”型断面。以加速加载试验评价各纤维SMA混合料的高温抗永久变形耐久性，海泡石纤维的高温稳定性最好，其次是玄武岩纤维，木质素纤维的高温稳定性最差。
（2） 掺加纤维的SMA混合料具有优良的低温抗裂性，相同掺量条件下，最大弯拉应变由大到小依次是海泡石纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维，对于单位体积破坏应变能也有类似变化趋势，可见海泡石纤维的低温抗裂性最优，聚丙烯纤维次之。
（3） 随着冻融循环次数增加，木质素纤维、聚酯纤维和海泡石纤维的冻融劈裂强度和劈裂强度比均相差不大，聚丙烯纤维次之，而玄武岩纤维的水稳定性最差。
不同种类纤维对SMA混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及疲劳抗裂性均有显著的影响，必须结合实际工程的要求和特点，对纤维材料的性能和特点进行选择和取舍，以降低车辆荷载作用下沥青混合料的应变，达到提高沥青路面抗车辙能力和沥青路面耐久性的目的。
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[责任编辑：杜敏浩]
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