复掺纤维SMA-13沥青混合料性能研究

张 勇， 郭志坚， 李文凯

（1.河南交院工程技术集团有限公司，郑州 450000； 2.中国河南国际合作集团有限公司，郑州 450004）

随着经济的快速发展，客货流通的节奏逐渐加快，高等级公路车流量逐年增加，尤其重轴载车辆日益增多，重载、超载现象时有发生，导致新建道路在没有达到设计使用年限之前就会出现裂缝、松散、车辙等路面病害. 因此，现阶段对新建及养护工程沥青路面路用性能提出了更高的要求，新材料、新工艺以及先进的养护管理理念被广泛研究和应用. SMA是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉和少量的细集料组成的沥青马蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料，其中SMA沥青混合料因其“三多一少”（粗集料多、沥青多、矿粉多、细集料少）的间断级配具有较好的路用性能而被广泛应用［1-6］. SMA混合料中粗骨料较多，能够很好地改善沥青路面的高温抗车辙能力，而矿粉、沥青占比高及细骨料占比低组成的沥青玛蹄脂增强了混合料的黏结能力，可以提高沥青路面低温抗开裂及抗水损害能力，而纤维稳定剂掺入到SMA混合料中是改善其整体路用性能的有效方法. 研究表明，玄武岩纤维（BF）和木质素纤维（CF）对SMA沥青混合料路用性能的改善效果存在差异，BF对混合料高温性能改善效果较好，CF对混合料低温抗开裂性能改善效果较好［7-8］. 因此，本文对BF与CF两种纤维进行复合，按照一定比例进行复配，合理选择纤维掺配比例，利用各自的优点综合改善沥青路面的路用性能. 此外，纤维与沥青相结合，对沥青及沥青混合料性能的影响具有较好相关性［9-10］.因此，需要对纤维沥青尤其是复合纤维沥青性能展开研究，评价纤维掺配比例沥青性能的影响. 本文通过对SBS复合纤维沥青及SMA沥青混合料路用性能的研究，评价不同掺配比例的纤维对SMA沥青混合料性能的影响，对纤维复掺设计在SMA 沥青混合料中的应用提供理论基础.

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

SMA 沥青混合料中沥青用量较多，沥青对沥青路面的性能起着决定性作用，本文选用SBS I-D 改性沥青展开研究. SBS I-D 改性沥青能够改善混合料的高温车辙、低温开裂及矿料之间的黏结能力，其主要技术指标试验结果均满足JTG F40—2004 规定要求，试验结果见表1.

表1 SBS I-D 改性沥青主要技术指标试验结果Tab.1 Test results of main technical indexes of SBS I-D modified asphalt

1.2 纤维

SMA混合料中改性沥青与纤维的作用效果不同，改性沥青能够有效改善混合料飞散损失，而纤维可以减少沥青析漏，具有吸附、稳定沥青的作用. 本文选用的玄武岩纤维（BF）由郑州登电集团生产，木质素纤维（CF）由德国JRS 公司生产，两种纤维主要技术指标试验结果见表2.

表2 两种纤维主要技术指标试验结果Tab.2 Test results of main technical indexes of two kinds of fibers

1.3 配合比设计及马歇尔试验结果

本文选用SMA-13 级配类型展开研究，粗骨料3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm 均为玄武岩碎石，细骨料为0～3 mm机制砂，填料为石灰岩磨细的矿粉，矿料级配设计结果见表3，不掺纤维的SMA-13混合料最佳油石比及马歇尔试验结果见表4.

表3 矿料级配设计结果Tab.3 Results of aggregate gradation design

2 复掺纤维沥青性能研究

本文在SBS I-D 改性沥青中掺入纤维，纤维总掺量为2.4%（占沥青质量分数），沥青中BF、CF两种纤维的掺配方案见表5，对复掺纤维的沥青分别进行软化点、延度及吸油率试验. 将不同掺配比例的纤维投入到175 ℃的沥青中选用叶片式电动搅拌器低速搅拌15 min，保证纤维均匀分散到沥青当中制备成复掺纤维沥青.

表5 沥青中BF、CF两种纤维的掺配方案Tab.5 Blending scheme of BF and CF fibers in asphalt

2.1 软化点及延度试验

参照JTG E20—2011试验规程对复掺纤维的沥青进行软化点及延度试验，试验结果分别见图1、图2.

图1 软化点随纤维掺配比例变化图Fig.1 Variation of softening point with fiber blending ratio

图2 5 ℃延度随纤维掺配比例变化图Fig.2 Variation of ductility at 5 ℃with fiber blending ratio

由图1、图2可以得出：复掺纤维的掺入，沥青软化点试验结果均得到了改善，但随着CF 占比的增加，试验结果逐渐降低；BF的掺入能够改善沥青的延度，而随着CF占比的增加，沥青延度逐渐降低.

2.2 纤维吸持沥青试验

参照JTG E20—2011规范对复掺纤维沥青进行析漏试验，评价不同纤维掺配比例时纤维对沥青的吸附能力，试验结果见图3.

图3 吸油率试验结果Fig.3 Oil absorption test results

由图3 可以得出：随着CF 占比的增加，复掺纤维吸附沥青的能力逐渐增强，这主要因为BF的密度较CF大，导致相同质量的纤维，CF比表面积较大，吸附沥青的能力较强.

3 路用性能

SMA 混合料是一种高等级公路常用的结构层材料，具有较好的高温抗车辙、低温抗开裂以及抗水损害能力［11-14］.本文在沥青混合料中掺入0.4%（占混合料质量分数）的纤维，其中混合料中BF、CF两种纤维的掺配方案见表6.

表6 混合料中BF、CF两种纤维的掺配方案Tab.6 Blending scheme of BF and CF fibers in mixture

3.1 高温稳定性

本文选用车辙试验来评价不同纤维掺配方案时混合料的高温抗车辙能力. 在试验温度为60 ℃时，模拟沥青路面在车辆荷载作用下产生推移、剪切最终形成车辙，反映沥青路面抵抗塑性变形能力［15-17］. 不同纤维掺配比例时混合料动稳定度试验结果见图4.

由图4可以得出：纤维的掺入均能改善混合料的高温抗车辙能力，但随着CF占比的增加，动稳定度试验结果逐渐降低，表明BF对混合料高温抗车辙改善能力优于CF，这主要因为BF是一种矿质纤维，与矿料密度相当，能够均匀地分散到矿料中，与混合料相容性更好，同时由于力学性能优于CF，导致BF对混合料增韧、加筋效果更优.

图4 动稳定度试验结果Fig.4 Dynamic stability test results

3.2 低温抗裂性

季节性冰冻区，沥青路面长期处在冻融循环的环境下，结构层在温缩应力的作用下易形成裂缝，地表雨水通过缝隙渗入到路面结构中，会加剧裂缝的恶化. 因此，改善沥青路面低温抗开裂能力，对减少早期病害尤为关键. 本研究选用低温小梁弯曲试验评价不同纤维掺配方案时混合料低温抗开裂能力［18-19］. 不同纤维掺配方案时混合料抗弯拉强度及最大弯曲破坏应变试验结果分别见图5、图6.

图5 抗弯拉强度试验结果Fig.5 Test results of flexural tensile strength

图6 最大弯曲破坏应变试验结果Fig.6 Test results of maximum bending failure strain

由图5、图6可以得出：纤维的掺入，混合料抗弯拉强度及最大弯曲破坏应变试验结果均得到了改善，且随着CF占比的增加，试验结果均呈现升高的趋势，表明纤维的掺入能够增强混合料的低温抗开裂能力，这主要因为，纤维在混合料中能够很好地吸附稳定沥青，达到加筋、增韧的效果，且CF吸附沥青的能力更强，混合料低温抗开裂能力得到增强.

3.3 水稳定性

水稳定性是评价沥青路面抗水损害能力的重要指标，影响沥青路面水稳定性的因素主要包括：原材料性能、级配类型、施工工艺、结构组成等［20-22］. 本研究选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来评价不同纤维掺配方案时混合料抗水损害能力. 不同纤维掺配方案时混合料浸水马歇尔及冻融劈裂试验结果分别见图7、图8.

图7 浸水马歇尔残留稳定度试验结果Fig.7 Test results of Marshall residual stability in water immersion

由图7、图8 可以得出：纤维的掺入，混合料浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果均得到了改善，且随着CF占比的增加，试验结果均呈现先升高后降低的趋势，在BF∶CF比例为1∶1时（纤维掺量均为0.2%）达到峰值，表明纤维的掺入能够改善混合料的抗水损害能力.

图8 冻融劈裂残留强度比试验结果Fig.8 Test results of freeze-thaw splitting residual strength ratio

4 结论

本文通过对不同纤维复掺比例的SMA-13沥青混合料进行配合比设计及路用性能研究得出以下结论：

1）复掺纤维的掺入能够改善沥青软化点，随着CF 占比的增加，沥青软化点及延度试验结果逐渐降低而纤维吸附沥青的能力逐渐增强.

2）纤维的掺入均能改善混合料的高温抗车辙、低温抗开裂以及抗水损害能力；BF 对混合料高温抗车辙能力改善效果较好，CF对混合料低温抗开裂能力改善效果较好，BF与CF掺配比例为1∶1，纤维掺量均为0.2%时，对SMA-13沥青混合料抗水损害能力改善效果、整体路用性能最优.