SMA瀝青混合料是由改性瀝青、素纖維穩定劑、礦粉及少量的細集料組成的瀝青瑪蹄脂填充間斷級配的粗集料骨架間隙而形成的嵌擠密實型瀝青混合料,具有抗車轍、抗裂、抗滑、不透水及耐久性等優點。

在瀝青混合料中摻入木質素纖維具有多重作用。首先,纖維分散于混合料中,能增強材料的整體性,起加筋作用;其次,纖維能避免瀝青和礦粉大量結合形成不均勻膠團,起分散膠團作用;再者,纖維具有吸油效果,不僅能夠防止瀝青析漏,而且能夠因增加瀝青用量而提高混合料的耐久性。在夏季,纖維還能吸收流動瀝青,起到防止泛油和提高混合料高溫穩定性能的作用。

以往工程中通常采用普通木質素纖維,但它在實際使用中存在一些不足:(1)普通木質素纖維的松密度約為10~40g/L,極易受擠壓和堆放的影響,浮動范圍最大可達300%以上,因而會影響到纖維分散的均勻性;(2)纖維體積大,吸水性較強,長時間存放則容易受潮,造成纖維失效;(3)部分瀝青被木質素纖維的中空管道吸收,成為無效瀝青,影響其經濟性。同時,由于重載交通的影響,以往鋪筑的SMA路面可能在夏季出現高溫車轍病害,這說明SMA的高溫性能僅僅滿足規范是不夠的,需要達到更高的要求。

為了改善普通木質素纖維SMA存在的不足,本研究采用了一種新型木質素纖維。這種纖維為圓柱狀顆粒,松密度大,且密度浮動不超過10%,顆粒進入拌缸后能在混合料中有效、快速、均勻地分散,形成三維立體網絡。該纖維經過預先加工處理,使得瀝青能更多地吸附于纖維表面,從而增加有效瀝青含量,減少用油量。作為對比,為了改善SMA的高溫性能,本研究采用SMA-13級配,分別在混合料中摻加普通木質素纖維、新型木質素纖維以及普通木質素纖維+抗車轍劑。通過車轍試驗、水穩定性試驗和小梁彎曲試驗來評價新材料對SMA的性能影響。

主要材料性能指標

本研究采用I-C型SBS改性瀝青。集料選用石灰巖,礦粉為磨細的憎水性石灰巖。SMA摻加材料包括:普通木質素纖維、新型木質素纖維和抗車轍劑。

SMA-13配合比設計

礦料級配設計

根據《公路瀝青路面施工技術規范》的SMA-13級配上限以及下限,調整各檔礦料比例,進行配合比設計。以4.75mm為關鍵性篩孔,將4.75mm篩孔通過率控制在23%、27%、31%等3個水平,將0.075mm篩孔通過率控制在10%,由此設計A、B、C等3種配合比。

纖維摻加方案確定

結合工程實際中SMA的纖維摻量,本研究確定了以瀝青混合料質量百分率為指標的3種材料摻加方案:0.3%普通木質素纖維、0.3%新型木質素纖維、以及0.3%普通木質素纖維+0.4%抗車轍劑。

級配與油石比確定

根據以往瀝青混合料配合比設計經驗,確定初試油石比,控制試驗成型溫度為(165±5)℃,雙面各擊實50次制作馬歇爾試件,對設計級配進行性能檢驗。經過試驗驗證,確定了最佳級配方案為B。同時,得到了3種材料摻加方案的最佳油石比。

可以看出,3種方案下的混合料馬歇爾性能均滿足設計要求。相比普通木質素纖維SMA瀝青混合料,采用新型木質素纖維的SMA最佳油石比有所降低。同時,試驗結果發現,普通木質素纖維+抗車轍劑SMA混合料的最佳油石比有所提高。從穩定度來看,相比普通木質素纖維SMA,采用新型木質素纖維、普通木質素纖維+抗車轍劑的SMA穩定度值分別提高了30%和40%,表明這兩種新方案均可以對普通SMA的強度起到改善作用。

路用性能對比

按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》所規定的要求制做相應試件,通過高溫車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及低溫小梁彎曲試驗進行路用性能測試,并對相關試驗數據進行分析評價。

高溫性能試驗

按照SMA-13設計配合比拌制瀝青混合料,將拌和好的瀝青混合料倒入300mm×300mm×50mm的試模中,在輪碾機上進行碾壓,先在一個方向上碾壓4次,然后將試件調轉方向,施加相同的荷載直至達到規定密實度。將碾壓完畢的試件在常溫下養生,而后在60℃的環境下放置不少于5h,最后啟動車轍試驗儀進行試驗。

可以看出,普通木質素纖維SMA的動穩定度為4205次/mm,高溫性能滿足規范的要求但并不突出。新型木質素纖維SMA的動穩定度為11035次/mm,相比普通木質素纖維SMA高溫性能提高了162%,而普通木質素纖維+抗車轍劑SMA的動穩定度為12404次/mm,相比普通木質素纖維SMA高溫性能提高了195%。

試驗研究發現,普通木質素纖維SMA瀝青混合料的動穩定度最低,采用新型木質素纖維和普通木質素纖維+抗車轍劑均能大幅提高SMA瀝青混合料高溫性能,它們對性能的改善效果相近,且普通木質素纖維+抗車轍劑略優。

水穩定性能試驗

根據《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》的規定,通過雙面各擊實50次成型馬歇爾試件進行試驗。采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價SMA-13瀝青混合料的水穩定性,得到馬歇爾殘留穩定度和劈裂強度作為水穩定性的評價指標。

可以看出,摻加3種不同材料的SMA瀝青混合料浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗均能滿足規范的要求。對比殘留穩定度,普通木質素纖維SMA為85.3%,新型木質素纖維與普通木質素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質素纖維SMA相比提高幅度分別為1%和6.9%。對比劈裂強度比,普通木質素纖維SMA為82.1%,新型木質素纖維與普通木質素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質素纖維相比提高幅度分別為0.4%和5.1%。

通過對比發現,新型木質素纖維SMA瀝青混合料在殘留穩定度和劈裂強度方面與普通木質素纖維瀝青混合料差別不大,說明這種新型木質素纖維材料對SMA的水穩定性影響不顯著。當混合料中摻入普通木質素纖維+抗車轍劑時,其殘留穩定度和劈裂強度較普通木質素纖維瀝青混合料都有一定提高,說明抗車轍劑能使常規SMA路面材料的水穩定性得到改善。

低溫性能試驗

試件采用切割車轍板制成(250±2.0)mm×(30±2.0)mm×(35±2.0)mm的棱柱體梁式試件,跨徑為(200±0.5)mm。試驗環境箱為-10℃的UTm伺服機,試件在試驗前保溫4h,對小梁采用50mm/min的加載速率直至破壞。在試驗中可以記錄小梁發生破壞時所能承受的最大荷載以及此時的跨中撓度變形。并通過公式求得抗彎拉強度RB(MPa)、最大彎拉應變εB(με)以及彎曲破壞勁度模量SB(MPa)。

可知,對比幾種不同的材料摻加方式:從抗拉強度來看,普通木質素纖維SMA為6.59MPa,新型木質素纖維與普通木質素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質素纖維SMA相比提高幅度分別為36%和30%。從最大彎拉應變來看,普通木質素纖維SMA為3092με,新型木質素纖維與普通木質素纖維+抗車轍劑的SMA與普通木質素纖維SMA相比提高幅度分別為22%和25%。

總體來看,相比普通木質素纖維SMA瀝青混合料,其他兩種方案都具有更高的抗彎拉強度,在低溫條件下能承受更大的應力。同時最大彎拉應變也明顯提高,能夠抵抗更大的材料溫縮變形。但相對而言,新型木質素纖維SMA能在低溫下承受更大的彎拉應力,而普通木質素纖維+抗車轍劑SMA能夠承受更大的低溫應變。由于目前研究普遍認為,路面材料的低溫破壞主要是其無法承受較大的溫縮變形而被拉斷,因此,普通木質素纖維+抗車轍劑SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能更優。

結語

通過研究,對比了不同的材料摻加方案下SMA-13瀝青混合料的路用性能,可以得到以下結論。

(1)本研究所研究的3種SMA瀝青混合料馬歇爾性能均滿足設計要求,與普通木質素纖維SMA相比,新型木質素纖維SMA的最佳油石比降低。普通木質素纖維+抗車轍劑SMA的最佳油石比升高。

(2)普通木質素纖維SMA瀝青混合料動穩定度最低,與之相比,新型木質素纖維SMA的動穩定度提高了162%,普通木質素纖維+抗車轍劑SMA的動穩定度提高了195%,表明兩種新材料均能大幅提高SMA的高溫穩定性。

(3)新型木質素纖維對SMA瀝青混合料水穩定性影響不顯著。當采用普通木質素纖維+抗車轍劑的摻加方式時,路面材料的殘留穩定度和劈裂強度較普通木質素纖維SMA分別提高5.9%和6.1%,表明抗車轍劑能改善路面材料的水穩定性。

(4)與普通木質素纖維SMA瀝青混合料相比,其他兩種方案都具有更好的低溫性能,在最大彎拉應變方面,新型木質素纖維與普通木質素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質素纖維SMA相比提高幅度分別為22%和25%,表明兩種新材料都能改善SMA的低溫抗裂性能。

(5)普通木質素纖維+抗車轍劑能夠全面提高SMA的路用性能,新型木質素纖維除水穩定性外,對SMA高溫、低溫性能的提高效果與普通木質素纖維+抗車轍劑基本相當。