有机改性矿物在SMA沥青混合料中路用性能分析

丁 彬，蒋龙松

(苏交科集团有限公司,南京 211112)

工业废旧资源中的磷酸盐矿物在生产过程中，每年都会产生大量的副产品废矿，造成严重的资源浪费。而将这种工业副产品改性形成的有机改性矿物(简称AMBS)应用于断级配SMA沥青混合料后，通过合适的混合料设计，可以提高沥青混合料高温抗车辙、抗水损害、抗疲劳开裂等性能，技术上具有良好的优势；同时可替代10%～15%沥青用量掺入沥青胶结料中，节约工程初期造价投入，具有经济优势和应用价值[1]。

本文依托某沿海高等级公路，对有机改性活性矿物SMA型沥青混合料的路用性能进行研究，分析其在断级配SMA沥青混合料中的适应性。基于AMBS现场添加情况，对比掺加木质素纤维的SMA沥青混合料，选择10%和15%的AMBS掺入沥青混合料中，对比三组不同沥青混合料路用性能，验证其在断级配沥青混合料中的可行性。其中AMBS掺量比例为占总沥青用量的比重，类型A和B分别掺加占沥青用量15%和10%的有机改性活性矿物，类型C为掺加0.3%的木质素纤维改性沥青SMA13[2-4]。

1 抗水损害性能试验分析

为了检验掺加AMBS后沥青混合料受水损害时抗剥落的能力，本文将按标准击实法成型的马歇尔试件放入60℃的恒温水槽中，分别保温0.5小时和48小时后，用马歇尔自动稳定度仪测试浸水后的马歇尔稳定度和流值[5]，试验结果如表1所示。

从表1中可知，三种混合料残留稳定度均满足规范要求(≥85%)，且掺加了有机改性活性矿物的混合料比常规SMA混合料具有更高的稳定度和流值，后者尤为突出。在残留稳定度中，类型A的SMA混合料(掺量15%)性能最优，因为其稳定度和流值在条件和非条件环境下均优于类型B的SMA(掺量10%)和常规SMA。

表1 三种混合料浸水马歇尔试验

2 冻融劈裂试验性能分析

三种沥青混合料的冻融劈裂试验结果如表2所示，试验结果表明掺加有机改性活性矿物的SMA冻融劈裂结果有所降低，但仍满足规范要求。随着AMBS掺量的增加，沥青混合料的冻融劈裂值逐渐增加，类型A(掺量15%)冻融劈裂值比类型B(掺量10%)增加了6.69%。

表2 三种混合料冻融劈裂试验结果

对于断级配SMA沥青混合料而言，有机改性活性矿物的掺入一定程度上影响其冻融劈裂性能。原因是断级配SMA沥青混合料采用SBS改性沥青，与SBS改性剂充分反应再掺入AMBS后，其作用效果有所下降。断级配SMA的设计级配中矿粉掺量较大，随着有机改性活性矿粉的掺加，沥青混合料中的矿粉含量增大，会对冻融破裂结果产生影响。因此，对于断级配SMA，需选择恰当的有机改性活性矿粉掺量，并进行相关的验证试验，使沥青混合料的冻融劈裂结果满足相关规范的技术要求。

3 低温抗开裂性能试验分析

为进一步验证AMBS对断级配SMA型沥青混合料的低温性能的影响，本文对AMBS不同掺量的三种类型混合料进行了低温小梁试验(如表3所示)，分析其对混合料低温性能的作用。

表3 三种混合料低温小梁弯曲试验结果

在低温小梁弯曲试验中，掺有有机改性活性矿物的SMA破坏应变高于常规SMA，且类型A(掺量15%)的低温开裂性能比类型B(掺量10%)高3.5%。随着有机改性活性矿物掺量的增加，沥青混合料的低温性能提高[6]。

4 高温性能试验分析

通常情况下，采用车辙试验对沥青混合料的高温性能进行检测验证，本文对三种类型的混合料进行车辙试验，试验结果如图1所示。

图1 三种混合料车辙试验结果

从车辙试验结果可知，三种混合料稳定度均满足规范要求(≥3 000次)，且掺加有机改性活性矿物的SMA沥青混合料与常规SMA性能相似，类型A比常规SMA动稳定度约低10%，类型B比常规SMA动稳定度约高10%。

因此，掺加有机改性活性矿物对间断级配SMA混合料有一定的影响，随着掺量的增加，混合料的稳定度先增加后降低，选择恰当的有机改性活性矿物掺量对提高混合料高温性能至关重要[7]。

5 抗疲劳性能试验分析

疲劳性能试验温度为15 ℃，加载频率为 10 Hz，加载波形采用正弦波。疲劳试验控制应变从波峰到波谷为1 200 με至600 με。当试件模量降低到初始模量的50%时则停止试验；如果单个试件初始模量与平均值的据对差超过平均值的20%，则舍弃该试件。如图2所示，为抗疲劳性能试验[8]。

图2 600 με时的试验结果

当疲劳应变为600 με时，掺10%的有机改性活性矿物的SMA疲劳寿命比其他两种大8～9倍；但是，掺15%有机改性活性矿物的SMA与常规SMA疲劳寿命相近。试验结果说明了掺纤维SMA混合料中的部分沥青胶结料被纤维吸收，对混合料的疲劳性能没有作用，掺15% SMA混合料与普通纤维SMA疲劳寿命相似但减少木质素纤维的利用。

掺加有机改性活性矿物能替代木质素纤维降低生产成本，节约工程造价，且由于路用性能的提高，节约后期养护成本[9-10]。

6 结论

本文通过室内试验分析有机改性矿物对SMA沥青胶结料的改性作用，并进行断级配沥青混合料路用性能验证，主要结论如下。

(1) 掺加了有机改性活性矿物的混合料比常规SMA混合料具有更高的稳定度和流值，在流值上表现尤为突出；随着AMBS掺量的增加，沥青混合料的冻融劈裂值逐渐增加，沥青混合料的低温性能提高；随着掺量的增加，混合料的稳定度先增加后降低，因此应选择合适的有机改性活性矿物掺量对提高混合料高温性能至关重要；

(2) 在低应变条件下，掺10%有机改性活性矿物 SMA比其他两种类型混合料表现出更加优异的抗疲劳性能。掺10%有机改性活性矿物沥青混合料在相同沥青用量下比普通纤维SMA疲劳寿命高出约9倍。掺15%有机改性活性矿物 SMA混合料与普通纤维SMA疲劳寿命相似但减少了木质素纤维的利用，从而降低了成本；

(3) 在相同油石比的条件下，通过采用有机改性活性矿物代替木质素纤维减少沥青用量，SMA混合料能提高抗车辙性能，同时不减弱疲劳寿命，节约了工程造价和养护成本。