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新型木质素纤维及抗车辙剂对SMA沥青混合料的性能影响评价 SMA沥青混合料是由改性沥青、素纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而形成的嵌挤密实型沥青混合料，具有抗车辙、抗裂、抗滑、不透水及耐久性等优点。 在沥青混合料中掺入木质素纤维具有多重作用。首先，纤维分散于混合料中，能增强材料的整体性，起加筋作用；其次，纤维能避免沥青和矿粉大量结合形成不均匀胶团，起分散胶团作用；再者，纤维具有吸油效果，不仅能够防止沥青析漏，而且能够因增加沥青用量而提高混合料的耐久性。在夏季，纤维还能吸收流动沥青，起到防止泛油和提高混合料高温稳定性能的作用。 以往工程中通常采用普通木质素纤维，但它在实际使用中存在一些不足：（１）普通木质素纤维的松密度约为10～40g/L，极易受挤压和堆放的影响，浮动范围最大可达300％以上，因而会影响到纤维分散的均匀性；（２）纤维体积大，吸水性较强，长时间存放则容易受潮，造成纤维失效；（３）部分沥青被木质素纤维的中空管道吸收，成为无效沥青，影响其经济性。同时，由于重载交通的影响，以往铺筑的SMA路面可能在夏季出现高温车辙病害，这说明SMA的高温性能仅仅满足规范是不够的，需要达到更高的要求。 为了改善普通木质素纤维SMA存在的不足，本研究采用了一种新型木质素纤维。这种纤维为圆柱状颗粒，松密度大，且密度浮动不超过10％，颗粒进入拌缸后能在混合料中有效、快速、均匀地分散，形成三维立体网络。该纤维经过预先加工处理，使得沥青能更多地吸附于纤维表面，从而增加有效沥青含量，减少用油量。作为对比，为了改善SMA的高温性能，本研究采用SMA-13级配，分别在混合料中掺加普通木质素纤维、新型木质素纤维以及普通木质素纤维＋抗车辙剂。通过车辙试验、水稳定性试验和小梁弯曲试验来评价新材料对SMA的性能影响。 1 主要材料性能指标 本研究采用Ｉ-C型SBS改性沥青。集料选用石灰岩，矿粉为磨细的憎水性石灰岩。SMA掺加材料包括：普通木质素纤维、新型木质素纤维和抗车辙剂。以上各种材料的主要性能检测结果见表１～表４。 表１ SBS改性沥青检测结果 表２ 集料性能检测结果 表3 纤维主要性能检测结果 表4 抗车辙剂主要性能检测结果 表５ SMA-13级配设计 2 SMA-13配合比设计 2.1 矿料级配设计 根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的SMA-13级配上限以及下限，调整各档矿料比例，进行配合比设计。以4.75mm为关键性筛孔，将4.75mm筛孔通过率控制在23％、27％、31％等3个水平，将0.075mm筛孔通过率控制在10％，由此设计Ａ、Ｂ、Ｃ等3种配合比。矿料级配组成见表５，合成级配曲线见图１。 2.2 纤维掺加方案确定 结合工程实际中SMA 的纤维掺量，本研究确定了以沥青混合料质量百分率为指标的3种材料掺加方案：0.3％普通木质素纤维、0.3％新型木质素纤维、以及0.3％普通木质素纤维＋0.4％抗车辙剂。 2.3 级配与油石比确定 根据以往沥青混合料配合比设计经验，确定初试油石比，控制试验成型温度为（165±５）℃，双面各击实50次制作马歇尔试件，对设计级配进行性能检验。经过试验验证，确定了最佳级配方案为B。同时，得到了3种材料掺加方案的最佳油石比，相关试验结果见表6。 由表6可以看出，3种方案下的混合料马歇尔性能均满足设计要求。相比普通木质素纤维SMA沥青混合料，采用新型木质素纤维的SMA最佳油石比有所降低。同时，试验结果发现，普通木质素纤维＋抗车辙剂SMA混合料的最佳油石比 有所提高。从稳定度来看，相比普通木质素纤维SMA，采用新型木质素纤维、普通木质素纤维＋抗车辙剂的SMA稳定度值分别提高了30％和40％，表明这两种新方案均可以对普通SMA的强度起到改善作用。 图１ SMA-13合成级配曲线 表６ SMA-13沥青混合料最佳油石比 3 路用性能对比 按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）所规定的要求制做相应试件，通过高温车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及低温小梁弯曲试验进行路用性能测试，并对相关试验数据进行分析评价。 3.1 高温性能试验 按照SMA-13设计配合比拌制沥青混合料，将拌和好的沥青混合料倒入300ｍｍ×300ｍｍ×50ｍｍ的试模中，在轮碾机上进行碾压，先在一个方向上碾压４次，然后将试件调转方向，施加相同的荷载直至达到规定密实度。将碾压完毕的试件在常温下养生，而后在60℃的环境下放置不少于5h，最后启动车辙试验仪进行试验。记录动稳定度结果如表7所示。 表７ SMA-13沥青混合料高温车辙试验结果 从表7可以看出，普通木质素纤维SMA的动稳定度为4205次/ｍｍ，高温性能满足规范的要求但并不突出。新型木质素纤维SMA的动稳定度为11035次/ｍｍ，相比普通木质素纤维SMA高温性能提高了162％，而普通木质素纤维＋抗车辙剂SMA的动稳定度为12404次/ｍｍ，相比普通木质素纤维SMA高温性能提高了195％。 试验研究发现，普通木质素纤维SMA沥青混合料的动稳定度最低，采用新型木质素纤维和普通木质素纤维＋抗车辙剂均能大幅提高SMA沥青混合料高温性能，它们对性能的改善效果相近，且普通木质素纤维＋抗车辙剂略优。 3.2 水稳定性能试验 根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的规定，通过双面各击实50次成型马歇尔试件进行试验。采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价SMA-13沥青混合料的水稳定性，得到马歇尔残留稳定度和劈裂强度作为水稳定性的评价指标，试验结果如表8所示。 表8 SMA-13沥青混合料水稳性能试验结果 从表8可以看出，掺加3种不同材料的SMA沥青混合料浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验均能满足规范的要求。对比残留稳定度，普通木质素纤维SMA为85.3％，新型木质素纤维与普通木质素纤维＋抗车辙剂的SMA和普通木质素纤维SMA相比提高幅度分别为1％和6.9％。对比劈裂强度比，普通木质素纤维SMA为82.1％，新型木质素纤维与普通木质素纤维＋抗车辙剂的SMA和普通木质素纤维相比提高幅度分别为0.4％和5.1％。 通过对比发现，新型木质素纤维SMA沥青混合料在残留稳定度和劈裂强度方面与普通木质素纤维沥青混合料差别不大，说明这种新型木质素纤维材料对SMA的水稳定性影响不显著。当混合料中掺入普通木质素纤维＋抗车辙剂时，其残留稳定度和劈裂强度较普通木质素纤维沥青混合料都有一定提高，说明抗车辙剂能使常规SMA路面材料的水稳定性得到改善。 3.3 低温性能试验 试件采用切割车辙板制成 （250±2.0）ｍｍ×（30±2.0）ｍｍ×（35±2.0）ｍｍ的棱柱体梁式试件，跨径为（200±0.5）ｍｍ。 试验环境箱为-10℃的UTM伺服机，试件在试验前保温4h，对小梁采用50ｍｍ/ｍin的加载速率直至破坏。在试验中可以记录小梁发生破坏时所能承受的最大荷载以及此时的跨中挠度变形。并通过公式求得抗弯拉强度RB（MPa）、最大弯拉应变 表９ SMA-13沥青混合料低温小梁弯曲试验结果
由表9可，对比几种不同的材料掺加方式：从抗拉强度来看，普通木质素纤维SMA为6.59MPa，新型木质素纤维与普通木质素纤维＋抗车辙剂的SMA和普通木质素纤维SMA相比提高幅度分别为36％和30％。从最大弯拉应变来看，普通木质素纤维SMA为3092με，新型木质素纤维与普通木质素纤维＋抗车辙剂的SMA与普通木质素纤维SMA相比提高幅度分别为22％和25％。 总体来看，相比普通木质素纤维SMA沥青混合料，其他两种方案都具有更高的抗弯拉强度，在低温条件下能承受更大的应力。同时最大弯拉应变也明显提高，能够抵抗更大的材料温缩变形。但相对而言，新型木质素纤维SMA能在低温下承受更大的弯拉应力，而普通木质素纤维＋抗车辙剂SMA能够承受更大的低温应变。由于目前研究普遍认为，路面材料的低温破坏主要是其无法承受较大的温缩变形而被拉断，因此，普通木质素纤维＋抗车辙剂SMA沥青混合料的低温抗裂性能更优。 4 结语 通过研究，对比了不同的材料掺加方案下SMA-13沥青混合料的路用性能，可以得到以下结论。 （１）本研究所研究的3种SMA沥青混合料马歇尔性能均满足设计要求，与普通木质素纤维SMA相比，新型木质素纤维SMA的最佳油石比降低。普通木质素纤维＋抗车辙剂SMA的最佳油石比升高。 （２）普通木质素纤维SMA沥青混合料动稳定度最低，与之相比，新型木质素纤维SMA的动稳定度提高了162％，普通木质素纤维＋抗车辙剂SMA的动稳定度提高了195％，表明两种新材料均能大幅提高SMA的高温稳定性。 （３）新型木质素纤维对SMA沥青混合料水稳定性影响不显著。当采用普通木质素纤维＋抗车辙剂的掺加方式时，路面材料的残留稳定度和劈裂强度较普通木质素纤维SMA分别提高5.9％和6.1％，表明抗车辙剂能改善路面材料的水稳定性。 （４）与普通木质素纤维SMA沥青混合料相比，其他两种方案都具有更好的低温性能，在最大弯拉应变方面，新型木质素纤维与普通木质素纤维＋抗车辙剂的SMA和普通木质素纤维SMA相比提高幅度分别为22％和25％，表明两种新材料都能改善SMA的低温抗裂性能。 （５）普通木质素纤维＋抗车辙剂能够全面提高SMA的路用性能，新型木质素纤维除水稳定性外，对SMA高温、低温性能的提高效果与普通木质素纤维＋抗车辙剂基本相当。 |
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