纤维密度对SMA混合料体积指标的影响研究

游小浩

（上海市市政规划设计研究院，上海市 200031）

纤维密度对SMA混合料体积指标的影响研究

游小浩

（上海市市政规划设计研究院，上海市 200031）

采用通常用于测定非泡沫塑料密度的气体比重瓶法测定了不同种类纤维的相对密度。通过试验研究了掺纤维的SMA沥青混合料的理论最大相对密度和体积指标计算问题。结果表明，纤维参与计算后，沥青混合料的理论最大相对密度和空隙率计算结果减小，有效沥青饱和度计算结果增大。且纤维相对密度越小，对体积指标计算结果的影响差别越大。对掺纤维的沥青混合料，在配合比设计体积指标计算时，应测定纤维相对密度，且纤维这一组分应参与计算，不应忽略不计。

纤维相对密度；SMA沥青混合料；配合比设计；体积指标

0 引言

纤维是SMA沥青混合料的必要组成材料。目前，广泛应用于沥青混合料的纤维主要有木质素纤维、聚合物纤维和矿物纤维[1-3]。由于SMA沥青混合料通常采用改性沥青，且纤维的掺入会使沥青混合料变得更黏稠，不易分散。因此，其理论最大相对密度宜采用计算法，不宜采用真空法实测[4-5]。由SMA沥青混合料的理论最大相对密度（γt）的计算公式[4-5]可知，它是由合成矿料的有效相对密度（γse）、沥青相对密度（γb）、纤维相对密度（γx）和相应的质量分数计算确定的。现行施工技术规范[4]和试验规程[5]仅指出纤维部分的比例不得忽略，纤维相对密度由供应商提供或实测得到，但未规定纤维相对密度的试验方法。交通运输行业产品标准[1-3]亦无纤维相对密度试验方法的规定。而用于沥青混合料的木质素纤维为絮状或颗粒状，聚合物纤维通常为长度6 mm左右的束状切断丝，矿物纤维为切断短纤维，故不能完全适用纺织行业标准[6]进行测定。

对木质素纤维，目前尚无相对密度值和有关试验方法的报道。由于不同厂家生产木质素纤维的原材料本身差别较大，因此实际工作中使用的木质素纤维从颜色到性状等差别都较大。对聚酯纤维（涤纶）、聚丙烯腈纤维（腈纶）等聚合物纤维，纺织行业不同文献对其密度有不同的报道值[7-9]。但是，一方面，由于沥青混合料用聚合物纤维与纺织行业用聚合物纤维的技术要求不同[2]，采用的合成原材料和生产工艺存在差别；另一方面，纤维生产企业为降低成本，生产过程中可能会复合一些其他廉价材料，导致纤维密度有所改变，而颜色改变却细微，不易目测分辨[10]。因此，不宜仅根据纤维供应商提供的纤维名称直接引用纺织行业文献的纤维密度报道值进行计算。笔者认为，即便纤维供应商能提供纤维的品名和密度，从科学严谨的角度出发，公路工程试验检测单位也应对纤维相对密度进行实测。

文献[10]采用改进的测定沥青密度用毛细管比重瓶法测定了纤维相对密度，并探讨了忽略和考虑纤维参与沥青混合料的理论最大相对密度计算两种情况下体积指标计算结果的差异性，表明了测定纤维相对密度的重要性。文献[10]限于篇幅，未阐述测定纤维相对密度的具体步骤。

在美国，气体比重瓶法（gas pycnometer method）是一种测定粉末状或颗粒状固体材料真密度的新技术[11]。利用气体比重瓶法原理制造的设备通常称为全自动真密度仪。我国制定的气体比重瓶法标准[12]对试验原理做了规定，但目前主要是采用全进口设备，价格较为高昂。

本文基于气体比重瓶法测定获得的纤维相对密度，比较了纤维这一组分的相对密度及是否参与计算对沥青混合料的理论最大相对密度及体积指标计算结果的影响，以期与同行探讨纤维对沥青混合料体积指标计算结果影响的重要性。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 矿料

玄武岩碎石，9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm，江苏亚邦矿业有限公司生产；石灰岩石屑，0～2.36 mm，湖北赤壁市润天矿业有限公司生产；填料，浙江湖州广华矿业有限公司生产。

各规格矿料的表观相对密度（γ'n）、毛体积相对密度（γn）及吸水率试验按集料试验规程[13]执行，试验结果见表1。

表1 各规格矿料的相对密度及吸水率试验结果

其中，对细集料（0～2.36 mm）的相对密度，因T 0330试验方法（坍落筒法）本身存在局限性，饱和面干状态难以界定，试验重复性和再现性差[13]，因此，本试验采用细集料（0～2.36 mm）中筛取的大于2.36 mm部分按T 0304试验方法（网篮法）测定的相对密度代替[5]。

1.1.2 沥青

改性沥青：SBS（Ⅰ-D），上海浦东路桥沥青材料有限公司生产。沥青相对密度（25℃）按试验规程[5]执行，沥青相对密度试验结果记为：γb=1.030，无量纲。

1.1.3 纤维

为体现不同种类纤维对沥青混合料体积指标的不同影响，本试验选用了4种代表性的纤维，这些纤维均已应用于上海地区。

纤维1：絮状木质素纤维，北京天成垦特莱科技有限公司生产。

纤维2：颗粒状木质素纤维，德国CFF集团公司生产。

纤维3：聚酯纤维（涤纶），加拿大宝路特集团有限公司生产。

纤维4：聚丙烯腈纤维（腈纶），上海渭丰新材料有限公司生产。

气体比重瓶法的基本原理[11-12]为：试样密封在已知体积的样品仓内，向样品仓通入高纯度的氦气或氮气，然后打开连通样品仓和扩展仓的阀门，高压气体从样品仓内扩展到已知体积的扩展仓内，样品仓和扩展仓达到气压平衡，根据样品仓和扩展仓气压的变化，利用理想气体状态方程，获得试样的体积。根据试样的质量和获得的体积计算试样密度。

本试验采用美国麦克默瑞提克仪器公司（Micromeritics Instrument Corporation） 的AccuPyc 1330型全自动真密度仪，测定自然状态下（未经烘干）的纤维相对密度，每种纤维平行试验4次，以4次的平均值作为试验结果。

上述4种纤维相对密度试验结果依次记录为γx1、γx2、γx3、γx4，无量纲，试验结果见表2。

表2 不同纤维相对密度试验结果

纺织行业部分文献中聚合物纤维密度报道值见表3。

表3 纺织行业文献聚合物纤维密度报道值 g/cm3

通过比较表2和表3可见，聚酯纤维、聚丙烯腈纤维采用气体比重瓶法获得的相对密度试验结果与纺织行业文献的报道值相接近。

1.2 配合比

1.2.1 矿料比例

按各规格矿料的颗粒级配（篇幅有限，不赘述），根据SMA-13沥青混合料的合成矿料级配范围要求[4]，以级配范围的中值为目标进行调配，确定各规格矿料的质量比例，结果见表4。

表4 各规格矿料占矿料总质量的比例

1.2.2 沥青用量

沥青用量（Pb），记为Pb=5.7%，换算成油石比（Pa），记为Pa=6.04%。

1.2.3 纤维掺量

纤维掺量按纤维质量占矿料总质量的质量分数计，记为Px=0.35%。

1.3 矿料的合成相对密度计算结果

根据表1中各规格矿料的相对密度和表4中相应的质量比例，按规范[4-5]计算矿料的合成表观相对密度（γsa）、合成毛体积相对密度（γsb）、合成矿料的吸水率（ωx）、合成矿料的沥青吸收系数（C）及合成矿料的有效相对密度（γse），计算结果见表5。

表5 矿料的合成相对密度计算结果

1.4 沥青混合料试件成型与试验

击实成型各纤维的马歇尔试件，并测定混合料试件毛体积相对密度（γf）。

2 结果与讨论

2.1 沥青混合料的理论最大相对密度计算结果

当忽略纤维参与计算时，沥青混合料的理论最大相对密度（γti）的计算公式为

当考虑纤维参与计算时，沥青混合料的理论最大相对密度（γti）的计算公式为[4-5]

根据表2所列的纤维相对密度（γxi）、表5所列的合成矿料的有效相对密度（γse）、沥青相对密度（γb）、油石比（Pa）及纤维掺量（Px），按式（1）、式（2），分别计算忽略和考虑纤维参与计算两种情况下4种掺纤维的沥青混合料的理论最大相对密度（γti），依次记录为γt1、γt2、γt3、γt4，计算结果见表6。

表6 沥青混合料的理论最大相对密度计算结果

由表6可见，考虑纤维参与计算后，沥青混合料的理论最大相对密度（γti）计算结果较忽略纤维参与计算时的要小。由表2和表6可见，纤维相对密度（γxi）越小，相应的沥青混合料的理论最大相对密度（γti）计算结果也越小。

2.2 沥青混合料试件的体积指标计算结果

沥青混合料试件的体积指标空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、有效沥青饱和度（VFA）的计算公式为[4-5]

其中，对各矿料质量占沥青混合料总质量的百分率之和（Ps），计算公式为[4-5]

根据矿料质量占沥青混合料质量的质量分数（Ps）、表5所列的矿料的合成毛体积相对密度（γsb）、表6所列的沥青混合料的理论最大相对密度（γt）i以及试验测得的混合料试件毛体积相对密度（γ）f，根据式（3）～式（6），分别计算忽略和考虑纤维参与计算两种情况下沥青混合料试件的体积指标，计算结果见表7。

由表6和表7可见，考虑纤维参与计算后，沥青混合料的理论最大相对密度（γt）i计算结果较忽略纤维参与计算时的要小。因此，按式（3），VV计算结果减小；VV计算结果减小，VMA不变，再按式（5），VFA计算结果增大。

将表7中的忽略和考虑纤维参与计算两种情况下沥青混合料试件的体积指标计算结果进行比较，变化情况见表8。

表7 沥青混合料试件体积指标计算结果

表8 考虑纤维参与计算后体积指标计算结果变化

由表8可见，考虑纤维参与计算后，纤维相对密度（γx）i越小，沥青混合料的理论最大相对密度（γt）i、VV和VFA计算结果改变幅度越大。例如，γx1= 1.598，VV降低了0.2%，VFA增加了1.2%；而γx4=1.197，VV降低了0.4%，VFA增加了2.4%。这是因为，由式（2）可知，纤维相对密度（γx）i越小，沥青混合料的理论最大相对密度（γt）i计算结果越小，导致与按式（1）忽略纤维参与计算时的计算结果的差值越大，再按式（3）和式（5），进一步影响了VV和VFA计算结果。显然，纤维是否考虑参与计算，纤维相对密度的大小，均会导致体积指标计算结果的不同差异。

另外，对纤维4，实际上，当考虑纤维参与计算时，VV为3.8%，是符合规范[4]要求的。实际工作中，配合比设计人员考虑到纤维掺量低（通常为沥青混合料或矿料质量的0.3%～0.5%），且无法获得纤维相对密度，往往在计算沥青混合料的理论最大相对密度（γ）t时，对纤维这一组分予以了忽略。由表7可见，忽略纤维参与计算时，VV改变为4.2%，变为不符合3.0%～4.0%的规范要求[4]。这种假象导致了配合比设计人员认为VV不符合要求，往往会通过被动增加沥青用量等途径来降低VV，以满足规范要求。这显然会影响沥青混合料配合比设计。由此可见，在某些情况下，尤其当掺加的纤维相对密度较小时，若忽略纤维参与计算，体积指标（如VV）计算结果的显著改变会影响配合比是否满足规范要求的评定。

在配合比设计中，沥青混合料的理论最大相对密度（γ）t会影响体积指标VV和VFA计算结果，VV和VFA计算结果会影响最佳沥青用量的确定，这些体积指标计算结果也是沥青混合料配合比是否符合要求的评定依据。因此，对掺纤维的沥青混合料，在计算沥青混合料的理论最大相对密度和体积指标时，应先测定纤维相对密度，且纤维这一组分应参与计算，虽然纤维掺量低，但不应忽略不计。

3 结论

（1）对掺纤维的沥青混合料，纤维参与计算后，沥青混合料的理论最大相对密度和体积指标VV计算结果减小，VFA计算结果增大。纤维相对密度越小，对体积指标计算结果的影响改变越大。

（2）在某些情况下，纤维相对密度及是否参与计算对体积指标计算结果的显著改变会影响沥青混合料配合比是否满足规范要求的评定。

（3）对掺纤维的沥青混合料，在计算沥青混合料的理论最大相对密度和体积指标时，纤维这一组分应参与计算，不应忽略不计。

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U414

A

1009-7716（2016）05-0219-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.061

2016-02-01

游小浩（1985-），男，广东东源人，从事沥青混合料试验和研究工作。