新型混掺纤维SMA沥青混合料的路用性能_张志斌.pdf

-62-张志斌：新型混掺纤维 SMA 沥青混合料的路用性能新型混掺纤维 SMA 沥青混合料的路用性能张志斌1，2（1.广州大学，广东 广州 510000；2.广东盛翔交通工程检测有限公司，广东 广州 510000）摘要：为研究组合纤维对 SMA-13 沥青混合料的影响，测定了几种纤维的基本性能，制备了不同掺配方案的 SMA-13 沥青混合料，通过高温车辙试验、低温抗裂试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及四点小梁弯曲疲劳试验评价了 SMA-13 沥青混合料的各项路用性能。结果表明：所有混掺纤维 SMA-13 沥青混合料的性能均满足公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）要求，混掺纤维方案具有一定的可行性，且玉米秸秆纤维可与玄武岩纤维混掺来改善沥青混合料性能；对于高温性能、水稳定性及疲劳性能，单掺玄武岩纤维优于混掺纤维；对于低温抗裂性能，木质素纤维、玉米秸秆纤维与玄武岩纤维的混掺制备的SMA-13 沥青混合料优于单掺玄武岩纤维。关键词：道路工程；沥青路面；混掺纤维；SMA 沥青混合料；路用性能中图分类号：U416.217 文献标识码：B Road performance of new blended fiber SMA asphalt mixtureZHANG Zhibin1,2（1.Guangzhou University,Guangdong Guangzhou 510000 China;2.Guangdong Shengxiang Traffic Engineering Testing Co.,Ltd.,Guangdong Guangzhou 510000 China）Abstract:In order to study the effect of combined fibers on SMA-13 asphalt mixture,the basic properties of several fibers used were determined,SMA-13 asphalt mixtures with different blending schemes were prepared,and the road performance of SMA-13 asphalt mixture was evaluated by high temperature rutting test,low temperature crack resistance test,water immersion Marshall test,freeze-thaw splitting test and four-point trabecular bending fatigue test.The results show that the performance of all blended fiber SMA-13 asphalt mixtures meets the specification requirements,the mixed fiber scheme has certain feasibility,and the corn straw fiber can be mixed with basalt fiber to improve the performance of the asphalt mixture.For high temperature performance,water stability and fatigue performance,single basalt fiber is better than mixed fiber.For low temperature crack resistance,SMA-13 asphalt mixture prepared by blending lignin fiber,corn straw fiber and basalt fiber is better than single basalt fiber.Key words:road engineering;asphalt pavement;blended fiber;SMA asphalt mixture;road performance引言近年来，公路重载、超载现象频繁发生，沥青路面车辙仍为主要问题1。SMA沥青混合料具有“三多一少”的特点，路用性能优良，尤其是抗车辙方面，在高速公路得到广泛应用。纤维作为 SMA 沥青混合料的稳定剂，是必不可少的。目前我国 SMA 沥青混合料较多使用木质素纤维，但木质素纤维往往导致沥青用量较大，而新型纤维如玄武岩纤维或玉米秸秆纤维可能具有更好的应用前景。玄武岩纤维作为“21 世纪的新材料”，具有非常优异的性能，已应用于路面工程，并且大量学者也一直致力于研究玄武岩纤维沥青混合料，彭广银等2对比了玄武岩纤维与聚酯纤维沥青混合料的路用性能。GAO 等3发现玄武岩纤维可有效改善沥青混合料的抗弯拉性能。程永春等4研究了寒区玄武岩纤维沥青路面的抗冻融性能，得出玄武岩纤维可改善沥青混合料对冻融损伤的抵抗能力。杨程程等5分析了玄武岩纤维增强沥青混合料弯拉性能多参数敏感性，评价了掺量、长径比及模量等因素对混合料弯拉性能的影响。张杰等6研究了玄武岩纤维对两种混合料路用性能的影响。玉米秸秆焚烧对空气污染较大，而其却是一种清洁可再生能源，急需开发利用。玉米秸秆中含有收稿日期：2022-05-06作者简介：张志斌（1989），男，广东广州人，研究方向为路桥工程。2022 年第 6 期山东交通科技-63-一定量的木质素，可将其制作成具有吸附沥青能力的纤维材料，以在沥青路面中应用，从而达到替代木质素和增强沥青路面性能的效果，同时也缓解玉米秸秆处理所带来的问题。目前已有一些学者进行秸秆纤维的加工处理及其在沥青路面的应用研究。ZHU 等7利用碱性溶液预处理秸秆，发现其表面湿润性提高，同时扩散系数和电导率也增加。李旺明8研究了玉米秸秆纤维对沥青混合料路用性能的改良作用。黄小夏9对比了木质素纤维与玉米秸秆纤维对沥青混合料的改性效果，并铺筑了试验路，结果发现，试验路通车 3 年内无明显车辙及裂缝产生。李振霞等10研究了玉米秸秆纤维沥青混合料的路用性能，分析了其机理，得到玉米秸秆纤维表面粗糙度、长径比、分散性均优于木质素纤维。各类纤维对沥青混合料性能均具有一定的改善作用，但目前较少研究混掺纤维 SMA 沥青混合料的路用性能，尤其是玉米秸秆等新型植物纤维与常用纤维的混掺。1 原材料与试验方法1.1 原材料试验所用矿粉为石灰岩，该矿粉干燥、无杂质且不成团。粗、细集料为玄武岩，抗压碎能力较好、棱角性较好、表面粗糙，同时针片状颗粒含量较少。依据公路工程集料试验规程（JTG E402005）11，得到了矿粉与各档集料的基本性能，均满足公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）12中SMA 沥青路面对矿粉与集料的技术要求。表 1 SBS 改性沥青的基本性能25 针入度（0.1 mm）5 延度/cm软化点/25 密度/（gcm-3）60.547751.01表 2 所用纤维的主要性能纤维类型项目规范要求结果玄武岩纤维断裂强度/MPa 1 2002 040断裂伸长率/%3.12.25吸油倍率/%-20含水率/%0.20.11木质素纤维灰分含量13 2318.9吸油倍率/%-30.01纤维长度/mm 60.9含水率/%53.7玉米秸秆纤维灰分含量-6.0吸油倍率/%-27.30纤维长度/mm-0.85含水率/%-3.6试验所用沥青为成品 SBS 改性沥青。依据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）13，测定了沥青的基本性能，见表 1。选用三种纤维，分别为玄武岩纤维、木质素纤维和玉米秸秆纤维，其基本性能见表 2。1.2 混合料制备制定了三种 SMA-13 沥青混合料掺配方案：仅添加玄武岩纤维（SMA-X），添加玄武岩与木质素纤维（SMA-XM），添加玄武岩与玉米秸秆纤维（SMA-XY）。掺配方案见表 3。表 3 SMA 混合料中纤维掺配方案混合料命名纤维种类及含量/%玄武岩纤维木质素纤维玉米秸秆纤维SMA-X0.4-SMA-XM0.20.2-SMA-XY0.2-0.2采用 SMA-13 混合料矿料级配见表 4。根据马歇尔试验、谢伦堡析漏试验与肯塔堡飞散试验，最终得三种沥青混合料的最佳油石比：SMA-X 为 6.0%，SMA-XM 为 6.20%，SMA-XY 为 6.15%。表 4 SMA-13 的设计级配筛孔尺寸/mm不同筛孔尺寸下的通过率/%1613.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.60.3 0.15 0.075规范上限 100 1007134262420161512规范下限 1009050201514121098设计级配 100 95.5 67.2 31.3 24.4 19.5 16.1 12.6 11.19.6路用纤维在混合料中的作用主要分为抗裂扩展的增强作用和吸附作用。根据所确定油石比可知，木质素纤维和玉米秸秆纤维以植物为原材料，在沥青混合料中主要起吸附沥青的作用。2 SMA 沥青混合料的路用性能研究2.1 高温性能研究为了评价制备的混掺纤维 SMA-13 沥青混合料的高温稳定性，根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）13，进行车辙试验。将成型 300 mm 300 mm50 mm 的车辙板，常温放置 48 h，开始测试前保温 4 h 以上，试验温度和轮压分别设定为 60 和 0.7 MPa。测试掺入纤维（吸附型+增强型）的两种 SMA-13 沥青混合料的动稳定度，并与玄武岩纤维 SMA-13 沥青混合料进行对比。结果见图 1。张志斌：新型混掺纤维 SMA 沥青混合料的路用性能-64-图1 不同混掺纤维SMA-13沥青混合料的动稳定度对比结果从 图 1 可 以 看 出，SMA-X 的 动 稳 定 度 大 于SMA-XM 和 SMA-XY，即单掺玄武岩纤维的 SMA-13沥青混合料的高温稳定性最好。木质素纤维与玉米秸秆纤维替代部分玄武岩纤维后，SMA-13 沥青混合料的动稳定度降低，表明木质素纤维和玉米秸秆纤维对混合料高温性能的改善作用弱于玄武岩纤维。混掺纤维比单掺玄武岩纤维更易发生泛油现象。2.2 低温性能研究为了评价含不同纤维的 SMA-13 沥青混合料的低温抗裂性能，进行低温弯曲试验：制备车辙板试件；将车辙板切割为 250 mm30 mm35 mm 的小梁；试件保温温度为-10 0.5，保温 5 h；加载速率为 50 mm/min。结果见图 2。（b）弯曲劲度模量（a）最大弯拉应变图2 不同混掺纤维SMA-13沥青混合料的低温弯曲结果对比从图 2 可以看出，SMA-XM 和 SMA-XY 的最大弯拉应变大于 SMA-X，这表明木质素纤维和玉米秸秆纤维比玄武岩纤维对低温性能的改善更明显。而SMA-XM 和 SMA-XY 的弯曲劲度模量小于 SMA-X。混合料低温开裂主要由于粗集料表面的集中应力造成剪切破坏，沥青胶浆作为粗集料间的中间相，其影响混合料的低温抗裂性能。木质素和玉米秸秆纤维替代部分玄武岩纤维，使得更多沥青被吸附，纤维沥青的黏度可能变大，劲度增强，沥青与集料具有更大的界面强度，从而提高了 SMA 沥青混合料所能承受的最大弯拉应变。玄武岩纤维主要起“加筋”作用，其抗拉伸强度较高，可抵抗裂缝的产生。玄武岩纤维被部分替代，其加筋作用减弱。玄武岩对抗裂性能的减弱作用小于木质素与玉米秸秆的增强作用。2.3 水稳定性研究根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）13成型标准马歇尔试件，一组试件放置于 60 恒温水槽中保温 30 min，另一组保温 48 h，然后进行马歇尔试验。采用残留稳定度评价不同掺配纤维的 SMA 沥青混合料水稳定性，结果见图 3。图 3 不同混掺纤维 SMA-13 沥青混合料的浸水残留稳定度对比由图 3 可知，SMA-XM 和 SMA-XY 的残留稳定度大于 SMA-X，表明等比例混掺纤维 SMA 沥青混合料的残留稳定度大于玄武岩纤维。与单掺纤维对比，混掺纤维对水稳定性具有一定的改善作用。采用冻融劈裂试验测定冻融前后的劈裂强度值，从而评价SMA 混合料的水稳定性，结果见图 4。由图 4 可知，所有 SMA-13 沥青混合料的试验结果均满足公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）要求。冻融劈裂试验与浸水马歇尔试验的结果相似。SMA-XM 和 SMA-XY 的冻融劈裂强度比均大于 SMA-X，表明木质素和玉米秸秆纤维的加入改善了玄武岩纤维 SMA-13 沥青混合料的水稳定性。主要是因为木质素和玉米秸秆的加入，提高了沥青混合料的沥青用量，增加了沥青膜厚度，增强2022 年第 6 期山东交通科技-65-了纤维沥青胶浆的流变性能，减少水分的侵入，从而减缓水损害的发生。图 4 不同混掺纤维 SMA-13 沥青混合料的冻融劈裂强度比2.4 疲劳性能研究采用四点弯曲疲劳试验评价 SMA 沥青混合料的疲劳性能。根据成型的车辙板，切割 400 mm 50 mm50 mm 的标准小梁试件。试验温度为 15，控制模式为应变控制，加载频率为 10 Hz。疲劳寿命结果见图 5。图 5 不同混掺纤维 SMA-13 沥青混合料的疲劳寿命对比由图 5 可知，随应变水平的增大，所有种类SMA-13 沥青混合料的疲劳寿命降低。在相同应变水平下，SMA-XM 和 SMA-XY 的疲劳寿命均小于SMA-X，表明木质素纤维和玉米秸秆纤维的掺入使得 SMA 沥青混合料的疲劳性能降低。原因可能是玄武岩纤维减少，其加筋效果减弱，从而降低了混合料的疲劳寿命。3 结语（1）不同掺配纤维的 SMA 混合料的性能均满足公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）要求，即混掺纤维方案制备 SMA 沥青混合料具有一定的可行性。（2）对于高温性能，木质素纤维和玉米秸秆纤维对玄武岩的部分替代，使 SMA-13沥青混合料的动稳定度有所减小。对于低温抗裂性能，木质素和玉米秸秆纤维增大了最大弯拉应变，混掺纤维 SMA 沥青混合料的低温性能明显好于单掺玄武岩纤维的 SMA 沥青混合料。（3）对于水稳定性，混掺纤维时浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均高于单掺玄武岩纤维时，表明单掺玄武岩纤维的 SMA沥青混合料耐久性稍好。对于疲劳性能，混掺纤维的 SMA 沥青混合料的疲劳寿命低于单掺玄武岩纤维的 SMA 沥青混合料。（4）玄武岩纤维具有加筋、增韧作用，可提高沥青混合料的力学特性；木质素和玉米秸秆纤维可集束成团，可改善低温抗裂性；将木质素、玉米秸秆纤维与玄武岩纤维混掺有望形成搭接作用，可构成吸附与增强型纤维 SMA 沥青混合料，从而提高 SMA 沥青混合料的整体性能。参考文献：1 裴建中,贾彦顺,张久鹏,等.沥青路面结构可靠度的研究进展及展望J.中国公路学报,2016,29（1）:1-15.2 彭广银,钱振东,傅栋梁.短切玄武岩纤维沥青混合料路用性能研究J.石油沥青,2009,23（1）:8-10.3 GAO C,DONG W.Tensional ability of basalt fiber enforced asphalt mixture J.Applied Mechanics and Materials,2011（97）:837-840.4 程永春,余地,谭国金,等.玄武岩纤维沥青混合料的冻融损伤演化规律J.哈尔滨工业大学学报,2019,40（3）:518-524.5 杨程程,刘朝晖,柳力,等.玄武岩纤维增强沥青混合料弯拉性能多参数敏感性分析J.公路交通科技,2020,37（12）:1-7.6 张杰,张玉柱,黄任文,等.玄武岩纤维对沥青混合料的路用性能影响研究J.西部交通科技,2021（8）:96-99,103.7 ZHU X,WANG F,LIU Y.Properties of wheat-straw boards with FRW based on interface treatment J.Physics Procedia,2012（32）:430-4438 李旺明.玉米秸秆纤维改良沥青混合料路用性能研 究J.西部交通科技,2020,（12）:77-79.9 黄小夏.秸秆纤维改性沥青混合料的试验及应用研 究J.西部交通科技,2019,（12）:22-25,115.10 李振霞,陈渊召,周建彬,等.玉米秸秆纤维沥青混合料路用性能及机理分析J.中国公路学报,2019,32（2）:47-58.11 中华人民共和国交通运输部.公路工程集料试验规程:JTG E402005S.北京:人民交通出版社,2005.12 中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面施工技术规范:JTG F402004S.北京:人民交通出版社,2004.13 中华人民共和国交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E202011S.北京:人民交通出版社,2011.