木质颗粒纤维在SMA中的分散性评价与影响因素

张晨晨 钱振东 牛 岩 王旭东

(1东南大学智能运输系统研究中心, 南京 210096)(2交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

SMA是由沥青、矿粉和纤维等组成的沥青玛蹄脂来填充粗集料骨架间隙的一种典型骨架密实沥青混合料，具有良好的高温抗车辙能力、低温抗裂能力、耐疲劳性、水稳性及抗滑性能，自1960年代问世以来在国内外高等级路面中得到广泛应用[1-3].木质颗粒纤维相比于木质絮状纤维具有不易潮湿、运输方便、投放精度高及不成团等优点，在SMA路面工程中常被采用[4-5].木质颗粒纤维在室内配合比设计中，通常以人工分散后掺入的方式开展相关试验，并假定木质颗粒纤维在厂拌过程中也能够完全分散[6].然而在SMA路面工程中，由于纤维品质不佳或拌和时间不足等原因而导致的纤维分散性不佳或不均匀现象较为常见，易引起SMA路面出现泛油、车辙及路表构造衰减过快等病害；为保证颗粒纤维的分散性而盲目提高纤维指标要求或延长拌和时间又必将影响工程的生产效率与经济性[7].国内外关于木质颗粒纤维的分散性定量评价方面的相关研究较少，封基良[8]采用水悬浮分离、大比重液体悬浮分离、燃烧炉分离、电子显微镜观察及三氯乙烯溶解等多种手段，但均未取得较好的定量评价效果.目前在工程实践中仍主要凭借技术人员的相关经验来主观定性评价木质颗粒纤维的分散性，因此急需一种科学、有效的木质颗粒纤维分散性检测方法，从而为木质颗粒纤维甄选、拌和工艺优化及施工质量控制提供科学依据.

本文根据纤维在沥青混合料的作用机理，提出了有效纤维含量的概念，并基于有效纤维含量与析漏损失两者的相关性，设计并验证了一种木质颗粒状纤维在沥青混合料中分散性的检测方法，研究分析纤维制粒剂、木浆来源、干拌时间、湿拌时间及拌和温度等影响因素对木质颗粒纤维分散性的影响.

1 木质纤维有效含量与分散性检测

1.1 木质颗粒纤维有效含量与分散率

SMA混合料在拌和生产过程中，所添加的木质颗粒纤维通过与矿料的撞击、剪切及摩擦逐步从颗粒变成纤维单丝，并均匀分布于沥青混合料中与沥青、矿粉形成玛蹄脂，其具体分散过程见图1.每克未分散的木质颗粒纤维其表面积仅为数平方厘米，难以发挥吸附沥青作用；而其分散后纤维单丝数量可达数十万根，表面积增长千倍，达0.1 m2以上[9].木质颗粒纤维充分发挥“吸附、稳定、提黏、增强、阻裂”作用，其前提是颗粒纤维能分散为纤维单丝并均布于沥青混合料中，依靠其巨大的比表面积吸附与稳定沥青，增大沥青混合料中结构沥青的比例，保证沥青混合料施工和易性.为了量化表征木质颗粒纤维在沥青混合料中的分散特性，本文将纤维有效含量Ce定义为颗粒纤维经拌和分散后，均布于SMA混合料中充分发挥纤维吸油作用的纤维单丝含量.木质颗粒纤维分散率P定义为木质颗粒纤维有效含量Ce与木质颗粒纤维实际掺量C的百分比，即P=Ce/C×100%.

图1 木质颗粒纤维分散过程示意图

1.2 木质颗粒纤维分散性评价方法设计

析漏损失是用以检验SMA混合料在存贮、运输和铺筑过程中自由沥青析出量的一个重要检测指标，其数值大小与SMA混合料级配、油石比及纤维有效含量等因素有关.根据复合材料细观力学原理，沥青-纤维胶浆的黏度可由爱因斯坦混合率[10]表达：

η=ηm(1+KEφf)

(1)

式中，η为沥青-纤维复合材料的黏度；ηm为沥青的黏度；KE为纤维的爱因斯坦系数；φf为纤维的体积分数.由于纤维的爱因斯坦系数KE远大于矿粉的爱因斯坦系数，因此掺加少量纤维即可大幅增加沥青玛蹄脂黏度，从而达到增大沥青用量和降低析漏损失的目的.

大量相关研究也表明木质纤维的掺量与SMA混合料析漏损失成反比，且两者可用数学模型表征[11].因此若能排除级配与油石比等其他因素对析漏损失的影响，即可通过测定厂拌SMA混合料的析漏损失Δm，根据室内Δm-Ce模型间接计算混合料中的有效纤维含量Ce.

本文设计的基于Δm-Ce模型的木质颗粒纤维分散率间接测试法，其核心设计思路为：① 依照拌和楼当日生产的沥青混合料的实测级配与油石比备样以消除级配与油石比波动的影响，按不同的有效纤维含量进行室内析漏试验，并建立析漏损失Δm与有效纤维含量Ce的数学模型.② 测定厂拌SMA混合料的析漏损失Δm,并将其代入Δm-Ce的数学模型反算有效纤维含量Ce，最终得到木质颗粒纤维分散率P.

2 原材料与试验方案

2.1 沥青与矿料级配

本试验沥青选用SBS改性沥青，粗集料为辉绿岩，细集料与矿粉为石灰岩.试验沥青混合料为SMA-13，设计最佳油石比为5.7%，试验当日实测油石比为5.6%.SMA-13设计级配与当日实测级配见表1.

表1 SMA-13沥青混合料设计与实测级配

注：r为筛孔尺寸.

2.2 木质颗粒纤维

木质颗粒纤维为木质絮状纤维通过造粒工艺而形成的纤维成品.目前常见的造粒工艺主要分为2类[12]：① 以沥青等热熔性材料为制粒剂，主要通过制粒剂的裹覆黏结作用造粒成型，其制粒剂含量一般在10%以上；② 制粒剂为非沥青类材料，通过添加少量无机填料、高熔点合成蜡或其他类似合成物，主要依靠物理挤压的方式造粒成型，纤维颗粒质地相对密实坚硬.木质颗粒纤维按木浆材质来源又可分为原生木浆颗粒纤维与废纸回收木桨颗粒纤维.本试验采用的木质颗粒纤维共4种，分别为德国品牌A，B与国产品牌C，D，其中进口纤维材质均为原生木浆，国产纤维材质为回收木浆；纤维A，D的制粒剂为沥青，B，C的制粒剂为非沥青.4种木质颗粒纤维设计掺量均为0.4%，其具体技术指标见表2.

表2 木质颗粒纤维技术指标

2.3 试验方案设计

结合依托工程的特点，分析制粒剂、木浆来源、干拌时间、湿拌时间与拌和温度5种影响因素对木质颗粒纤维分散特性的影响.其中木质颗粒纤维为4种；干拌时间为0, 5, 10, 15 s；湿拌时间为40, 50, 60, 70 s；拌和温度为170, 180, 190 ℃.具体试验方案见表3.

表3 木质颗粒纤维分散特性试验方案

3 试验结果与分析

3.1 有限纤维含量与析漏损失的关系

依照表1的实测级配和油石比进行室内备样，其中木质颗粒纤维经人工分散后掺入，先同矿料干拌60 s后湿拌120 s，以保证所掺加的纤维在室内拌和中均匀分散成为有效纤维.纤维添加量分别为0, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%.按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0732—2011)进行析漏试验，试验温度为185 ℃，试验结果见图2.

图2 有效纤维含量与析漏损失的关系

由图2可见，4种掺加不同纤维的SMA沥青混合料的析漏损失Δm，均随着有效纤维含量Ce的增加而快速衰减，且两者可用指数衰减模型表征，其决定系数R2在0.971之上.Δm-Ce模型具体表达式为

Δm=a+becCe

(2)

式中,a，b，c为回归系数.4种掺加不同纤维的SMA沥青混合料，其析漏损失排序由小到大为B，A，C，D，与木质颗粒纤维自身吸油率相对应.木质颗粒纤维的吸油特性主要与纤维材质及制粒剂有关，原生木浆对沥青的吸附和稳固能力要高于回收废纸木浆，而沥青制粒在一定程度上会削弱纤维的整体吸油能力.

3.2 木质颗粒纤维分散性结果分析

试验采用西筑-4000型间歇拌和楼，每盘混合料设定质量为3 000 kg，木质纤维通过外部自动投放设备掺加，依照表3的试验方案依次逐盘拌和生产.对生产的每盘沥青混合料在不同位置取样进行4组平行试验测定析漏损失Δm，并根据对应的Δm-Ce模型计算纤维有效含量与分散率，试验结果见表4.

表4 木质颗粒纤维分散率试验结果

由表4可见，不同组沥青混合料的木质颗粒纤维有效含量与分散率存在较为明显的差异，每组的标准偏差较小且变异系数在2.1%～11.4%之间.这说明基于Δm-Ce模型的木质颗粒纤维分散率间接测试方法不仅能够有效区分不同的拌和工艺和纤维材料，还具有良好的试验精度和可靠性.

湿拌是指矿料与沥青共同拌和的过程，其目的是保证沥青充分、均匀地裹附于矿料表面，提高沥青混合料的均匀性.图3为不设置干拌环节，在不同湿拌时间下的木质颗粒纤维分散率结果.40 s为该拌和楼保证沥青混合料拌和充分、无花白料的湿拌时间下限，当湿拌时间逐步增至70 s时，木质颗粒纤维分散率从48.6%增至81.5%.湿拌时间从40 s每增加10 s，木质颗粒纤维分散率分别增长12.6%，11.4%与8.9%，其增长幅度呈减缓趋势.在拌和过程中木质颗粒纤维随着矿料颗粒的剪切摩擦，其分散率逐步提高.同时，矿料颗粒的棱角不断磨损钝化，其发挥的剪切摩擦作用逐渐减弱，因此木质颗粒纤维分散率增幅趋缓.

图3 不同湿拌时间的木质颗粒纤维分散率

SMA沥青混合料生产过程中一般设置10 s以上的干拌工艺，其目的是加速矿料的混合与纤维的分散[13].图4为湿拌时间40 s时，在不同干拌时间下的木质颗粒纤维分散率结果.当干拌时间从0 s增至15 s，SMA混合料中的木质颗粒纤维的分散率从48.6%快速提升至95.6%；干拌时间每增加5 s，木质颗粒纤维分散率分别增长18.7%，16.1%与12.2%.相比于图3的湿拌结果，显然干拌对提高纤维分散率更加有效.分析其原因，是由于湿拌时沥青裹覆在矿料颗粒表面起到润滑作用，削弱了矿料对纤维颗粒的剪切与撞击，从而影响木质颗粒纤维在混合料中的分散性.

图4 不同干拌时间的木质颗粒纤维分散率

拌和温度是影响沥青混合料和易性及单位能耗的重要因素之一[14]，主要根据沥青特性、气候条件、运输距离及摊铺厚度等因素综合确定，一般改性沥青SMA混合料拌和楼出料温度在170～190 ℃之间.图5为干拌15 s+湿拌40 s时，在不同拌和温度下木质颗粒纤维分散率结果.由图5可见，随着拌和温度的增加，分散率结果并未呈现出明显的变化趋势.这说明刻意提高拌和温度除了增加能耗与排放，并不能提高木质纤维分散率.

图5 不同拌和温度的木质颗粒纤维分散率

图6为干拌15 s+湿拌40 s时4种不同纤维的分散率结果.其中，A和D为沥青制粒剂，B和C为非沥青制粒剂; A和B为原生木浆，C和D为回收木浆.由图6可见，4种纤维分散率排序为C

图6 不同品牌木质颗粒纤维的分散率

3.3 影响因素方差分析

为了进一步分析木浆材质、制粒剂、干拌时间、湿拌时间及拌和温度对木质颗粒纤维分散率影响的显著性，本文不考虑各因素间的交互作用，采用SPSS软件进行了方差分析，显著性水平为0.05，结果如表5所示.

表5 各影响因素方差分析表

由表5可见，所用分析模型的F值为743.862，P值为0.029，因此该分析模型具有统计学意义.所分析的5个影响因素按显著性排序为：制粒剂、干拌时间、湿拌时间、木浆材质、拌和温度；其中制粒剂、干拌时间和湿拌时间的P值小于0.05，说明三者对木质颗粒纤维的分散率有显著影响；而木浆材质与拌和时间的P值大于0.05，表明无统计学显著相关性.

4 结论

1) SMA沥青混合料析漏损失随着有效纤维含量的增加而指数衰减；所设计的基于Δm-Ce模型的木质颗粒纤维分散率测试方法，能够有效准确地评价不同纤维与拌和工艺条件下SMA混合料中的木质颗粒纤维分散特性.

2) 制粒剂是影响木质颗粒纤维分散率的首要影响因素，以沥青为制粒剂的木质颗粒纤维的分散率比非沥青制粒的木质颗粒纤维高20%以上.

3) 延长干拌与湿拌时间均能提高木质颗粒纤维分散率，其中干拌相比湿拌对提高纤维分散率更加有效；在满足沥青混合料拌和均匀、无花白料的前提时，延长干拌时间是提升木质颗粒纤维分散率的最有效拌和工艺.

4) 拌和温度与木浆材质对木质颗粒纤维分散率无显著影响；采用原生木浆不能显著提升颗粒纤维的分散率，但可大幅降低SMA混合料的析漏损失，在不考虑工程经济的前提下应优选原生木浆颗粒纤维.