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标题	SMA材料组成与施工技术研究
范文	刘志胜++赵娟娟 摘 要：为提高SMA施工质量，采用流变学试验方法，全面分析两种不同类型木质纤维对沥青高、低温性能的影响，深入分析施工碾压次数和回收石屑粉对SMA路用性能的影响。结果表明：絮状、颗粒状木质素纤维对沥青的流变性能和沥青混合料路用性能的改善作用相差不大，可根据递送机械的使用方便性选择纤维状态；适当提高压实次数可有效提高SMA路用性能；回收的石屑粉不可替代矿粉用于提高拌和功效。 关键词：木质纤维；SMA；路用性能；碾压次数 中图分类号：U416.2 文献标志码：B Research on Material Composition and Construction Technology of SMA LIU Zhisheng1， ZHAO Juanjuan2 （1. Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of Ministry of Transport， Shanxi Transportation Research Institute， Taiyuan 030006， Shanxi， China； 2. Shenzhen Branch of Beijing Urban Construction Design & Development Group Co. Ltd.， Shenzhen 518000， Guangdong， China） Abstract： In order to improve the construction quality of SMA， rheological test was applied to thoroughly analyze the impact of different types of lignin fibers on the high temperature and low temperature performance of asphalt， and the impact of compaction times and reclaimed stone chip powder on the road performance of SMA was also studied. The result shows that the difference of rheological properties and the road performance of asphalt mixture caused by flocculent and granular lignin fibers is not obvious， so the state of fiber can be selected according to the convenience of delivery machine； increasing compaction times can directly improve the road performance of SMA， and recycled stone chip powder is not allowed to replace mineral powder for mixing effect improvement. Key words： lignin fiber； SMA； road performance； compaction time 0 引 言 SMA通常被认为是集料多、矿粉多、沥青结合料多、细集料少的间断级配沥青混合料，因此许多缺乏施工经验的施工单位在铺筑SMA沥青混合料时，按照《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》的最小用油量经验值，依靠增加沥青用量来确保不发生剥落、松散等问题，致使SMA沥青混合料压实后油斑现象非常明显[12]。此外，已有规范及相关文献都没有专门说明纤维类型对SMA沥青混合料性能的影响，导致生产中纤维使用混乱，很大程度上影响了SMA沥青路面的耐久性。 本文从SMA沥青混合料的组成出发，系统研究不同状态木质素纤维对沥青流变性能、沥青混合料路用性能的影响，以评价不同状态木质素纤维的适用性；通过材料组成设计，评价中国现有技术指南对最佳沥青用量推荐值的合理性；结合路用性能研究压实次数及采用回收石粉替代矿粉对SMA路用性能的影响。 1 材 料 1.1 沥青与集料 沥青采用SBS IC型改性沥青，集料采用优质石灰岩。经测试，SBS改性沥青和集料的各项性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。SBS沥青的基本性能见表1。 所用的粗集料为辉绿岩，细集料为石灰岩，矿粉为石灰岩磨制，各种集料的各种集料、矿粉的密度及筛分结果如表2和表3所示。 1.2 木质纤维 图1 絮状木质纤维 常用SMA纤维类型为木质素纤维，在SMA的相关研究中多采用絮状木质素纤维，而施工单位考虑添加便利性更倾向选择颗粒状木质素纤维。故本文选用了絮状和颗粒状两种木质素纤维进行对比试验，两种纤维如图1、2所示。其中，颗粒状木质纤维是由90%的特级松散木质素纤维和10%的沥青通过软造粒技术加工而成。两种木质素纤维程度指标均符合《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》的要求。 图2 颗粒状木质纤维 2 纤维对沥青高低温性能的影响研究 纤维对SMA沥青混合料的影响最终体现在沥青胶浆的性能，本文采用流变学试验方法研究SMA中沥青胶浆的高温、低温性能。试验中假设纤维用量为沥青混合料的0.3%，沥青用量为沥青混合料的6%，即纤维与沥青以 5∶100的比例制作成纤维沥青胶浆，借助动态剪切流变和低温流变弯曲试验，评价不同类型木质素纤维对沥青性能的影响。 2.1 高温性能试验 采用DSR试验设备，试验温度为60 ℃～90 ℃，升温速度2 ℃·min-1，选用的荷载作用频率为10 rad·s-1。测试纤维沥青胶浆的复数模量和相位角[3]，结果如表4所示。 表4 不同类型纤维沥青胶浆DSR试验结果对比 沥青类型复数模量G*/kPa相位角δ/（°）车辙因子（G*/sin δ）/kPaPG分级 SBS改性沥青1.4175.61.456PG76 絮状纤维沥青胶浆3.4362.33.875PG76 颗粒状纤维沥青胶浆3.2663.73.637PG76 从表4可以看出，加入纤维后SBS改性沥青的复数模量G*值明显提高，表明纤维可以有效地提高沥青的弹性，增强变形抵抗能力。同时，两种纤维沥青胶浆的抗车辙因子G*/sinδ均大于SBS改性沥青，充分表明纤维可明显提高沥青的抗车辙因子，改善沥青的高温抗车辙性能。相比而言，絮状纤维沥青胶浆的复数模量G*值和抗车辙因子G*/sinδ均大于颗粒状纤维沥青胶浆，这表明絮状纤维对沥青高温性能的改善作用优于颗粒状纤维。 2.2 低温性能试验 采用BBR试验设备，按照ASTM D664801试验方法，在试验温度-12 ℃下，测试纤维沥青胶浆在60 s时的蠕变劲度S和蠕变速率m[4]，试验结果如表5所示。 从表5可以明显看出，加入纤维后，沥青的劲度模量S、蠕变速率m均增大，满足规范“劲度模量S不超过300 MPa，蠕变速率m不小于0.3”的要求。这表明纤维可明显提高沥青的低温性能，在低温环境下，保证沥青有较大弹性的同时，增强了其延伸性能。分析其原因为：低温环境下，沥青受拉应力作用，可沿着纤维的长度方向进行微小延伸，纤维在沥青中的加筋作用保证了这种延伸特性能够较好地得到维持。 3 SMA材料组成设计 为深入研究SMA材料组成对路用性能的影响，按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）进行SMA13配合比设计，以研究不同纤维类型及材料组成对沥青用量和路用性能的影响。 3.1 SMA配合比设计 采用两种木质纤维作为稳定剂制备SMA13，其中1#、2#、3#、4#矿料与矿粉的比例为13∶0∶38∶37∶12，纤维掺量为0.3%。SMA13混合料配合比见表6。 表6 SMA13级配设计 级配通过下列筛孔（mm）的质量百分率/% 16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075 SMA131009071.333.323.919.217.314.913.512.5 采用马歇尔试验方法进行SMA配合比设计，所得到掺加絮状纤维时SMA13的最佳沥青用量为5.7%，而掺加颗粒状纤维时SMA13的最佳沥青用量为54%。掺加两种纤维的SMA13沥青混合料体积指标见表7。 表7 SMA13沥青混合料体积指标 纤维类型空隙率/%粗集料骨架间隙率/%析漏/%飞散/%稳定度/kN 絮状3.7544.50.085.712.76 颗粒状3.4544.50.086.111.85 规范要求3～4≤0.1≤15≥6 《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》（SHC F4001—2002）中提出沥青用量多是SMA的显著特点。对于SMA沥青混合料的沥青用量，一些国家都提出了相关规定[5]，而中国在应用中多采用60%用量。本文组成设计中的沥青用量与相关指南中所提出的沥青用量偏差较大。为此，针对SMA沥青用量进行深入研究，在两种纤维沥青混合料的最佳沥青用量下研究沥青混合料的路用性能。 3.2 路用性能研究 在最佳沥青用量下，采用两种纤维进行SMA沥青混合料的高温车辙（60 ℃）、低温弯曲（-10 ℃）和水稳性能试验，进一步研究SMA的沥青用量对路用性能的影响[6]。试验结果如表8所示。 表8 SMA13沥青混合料路用性能 纤维类型高温性能/（次·mm-1）低温性能水稳性能 弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa浸水残留稳定度/%冻融劈裂强度比/% 絮状6 3209.982 2643 65092.185.3 颗粒状6 4109.022 6582 49890.786.0 规范要求≥3 000>85>80 从表8可以看出，掺加絮状纤维的混合料在沥青用量为5.7%与掺加颗粒状纤维的混合料在沥青用量为5.4%的混合料，均达到较好的路用性能，超出《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。这说明在不同级配、不同集料以及不同纤维的情况下，SMA沥青混合料的最佳沥青用量将明显超出以往经验推荐的最佳沥青用量范围。此外，加入相同质量颗粒状纤维的沥青混合料，其路用性能略小于加入絮状纤维的沥青混合料。主要原因是颗粒状纤维中含有10%的沥青基做粘结材料来保证纤维的聚集，这也是颗粒状纤维吸油少的根本原因。综合表4、5和表8的相关性能试验结果，两种纤维对沥青混合料性能的影响相差不大，可根据施工中纤维投送的便利性进行纤维形态选择。 4 SMA施工技术研究 SMA施工技术主要包括沥青混合料的拌和、摊铺和碾压[7]。在拌和过程中由于SMA需投入大量矿粉，如果矿粉投送不足会降低拌和效率，从而影响施工进度，一些施工单位根据施工经验，以回收的石屑及石粉替代部分矿粉，随细集料加入拌和锅，从而提高施工速度。在碾压过程中，考虑SMA为骨架密实型沥青混合料，单纯的钢轮压实次数太多会对集料造成破坏，使压实次数难以控制[89]。针对上述问题，本文从路用性能角度对SMA的拌和工艺和碾压工艺进行研究。 4.1 碾压次数对路用性能的影响 为验证压实次数对SMA路用性能的影响，在室内采用24次和36次压实次数成型车辙试件，测试试件的孔隙率、高温性能和抗滑性能，以定性评价碾压次数对SMA稳定性及功能性的影响，如表9所示。 增加压实次数后，SMA沥青混合料更加密实，结构更加稳定，荷载作用下的变形更小，而SMA的抗滑性能没有明显变化。通过断面切割观测，未发现有石料压碎现象。室内试验充分说明，在压实阶段，适当增加压实次数对SMA沥青混合料的孔隙率、高温性能、摩擦性能均有改善。 4.2 回收石屑粉对路用性能的影响研究 在拌和过程中增加送料斗，将回收石屑粉体替代2%的矿粉加入拌和锅进行沥青混合料拌和，并从现场运输车中取料，对比研究两种工况下的沥青混合料路用性能，测试结果如表10所示。 表10 回收石屑粉对沥青混合料路用性能影响 填料类型高温性能/（次·mm-1）低温性能水稳性能 弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa浸水残留稳定度/%冻融劈裂强度比/% 矿粉12%6 3209.022 6582 49890.786.0 矿粉10%+2%石粉4 9527.632 8302 47784.683.2 从表10可明显看出，采用回收石屑粉替代矿粉所拌和的SMA混合料，其高温性能、低温性能和水稳性能均有不同程度的下降，其中高温抗车辙性能和低温弯拉强度下降最为明显，分别为228%和154%。回收石屑粉替代矿粉导致SMA沥青混合料性能下降的主要原因是：石屑粉细度较粗，对沥青的吸附能力低，纤维沥青的连接作用下降；同时回收粉的含泥量较大，对沥青的粘结、流变性能均产生不良的影响。此外，回收石屑粉对沥青在集料中的均匀性会产生较大的影响，铺筑的SMA沥青混合料在碾压后，局部易出现油斑，如图3所示。 图3 石屑粉替代矿粉后SMA铺筑效果 5 结 语 本文深入研究了不同类型纤维对沥青胶浆流变性能、SMA沥青混合料高温性能、低温性能和水稳性能的影响，基于路用性能评价了相关指南推荐的SMA沥青混合料最佳沥青用量的适应性，确定了碾压次数和回收石屑粉对SMA沥青混合料路用性能的影响规律，主要结论如下。 （1） 添加絮状木质素纤维和颗粒状木质素纤维后，两种纤维沥青的流变性能和沥青混合料的路用性能相差不大，可根据施工机械投递便利性选择纤维类型。 （2） 中国SMA相关技术指南不适合推荐SMA的最佳沥青用量，应结合设计级配、集料、纤维等具体条件进行最佳沥青用量设计。 （3） 在施工过程中，适当提高碾压次数可有效地提高SMA的各项性能，但不可以通过回收石屑粉替代矿粉来提高拌和效率。 参考文献： [1] 郑志飞.SBS改性沥青SMA混合料的施工工艺[J].筑路机械与施工机械化，2005，22（10）：2426. 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