SMA沥青混合料均匀性和路用性能研究

张 翠 梅

(北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100053)

·建筑材料及应用·

SMA沥青混合料均匀性和路用性能研究

张 翠 梅

(北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100053)

选用木质素纤维、矿物棉纤维和短切矿物纤维，通过室内试验,对比分析了掺加以上三种不同纤维的SMA沥青混合料的均匀性及路用性能，对比试验结果表明：掺加矿物棉纤维和木质素纤维后，SMA混合料表现出良好的均匀性；掺加短切矿物纤维的SMA混合料的高温稳定性能较好，水稳性能较差；纤维沥青混合料的均匀性在一定程度上影响其路用性能。

SMA，纤维，均匀性，路用性能

0 引言

沥青混合料的均匀性是保证沥青路面性能和使用寿命的重要因素之一，许多早期路面破坏现象,如水损害、车辙、泛油等,都与均匀程度有很大关系[1，2]。截至目前，相关学者对沥青混合料的均匀性展开了很多方面的研究，如通过数字图像技术分析沥青混合料中集料的分布状态，通过研究沥青混合料中空隙的分布来研究路面的离析状况等，均取得较好的成果[3-5]。

本文选取SMA沥青混合料为研究对象，分别对其掺加短切矿物纤维、矿物棉纤维和木质素纤维，对以上三种沥青混合料的均匀性分别进行性能分析，并且测试其相应纤维沥青混合料的各项路用性能指标，探讨SMA沥青混合料的均匀性以及路用性能。

1 材料性能

1.1 原材料性能

试验采用90号重交道路石油沥青，通过室内剪切乳化机制备掺加5%SBS的改性沥青，其技术指标见表1。三种纤维分别为玄武岩矿物棉纤维，短切玄武岩矿物纤维和道路用木质素纤维，三种纤维的技术指标见表2。集料选用当地产石灰岩，填料为石灰石矿粉。

表1 沥青的技术指标

表2 纤维的技术性质

1.2 配合比设计

SMA混合料的配合比设计根据规范[6]中的相关规定进行，同时确定木质素纤维的掺量比为0.3%，矿物纤维和矿物棉纤维的掺量比同为0.4%。在各项设计指标满足要求的前提下，得到SMA的级配见表3。按照试验规程[7]规定，采用马歇尔试验法确定沥青混合料的最佳油石比，并通过肯塔堡飞散实验和谢伦堡析漏实验进行检验，其结果见表4。

表3 SMA-16级配设计

表4 最佳油石比和马歇尔试验结果

2 混合料均匀性实验结果

2.1 空隙率

沥青混合料的均匀程度直接关系到其力学性能和使用寿命，对纤维沥青混合料亦是如此[8-10]。国内学者研究指出，沥青混合料均匀性与空隙率变异性之间存在较好的线性关系，均匀性越好，马歇尔试件空隙率的变异程度越小；反之变异程度越大[11]。本实验室对掺加不同纤维的SMA沥青混合料分别制备马歇尔试件，并测试空隙率，统计结果如表5所示。

表5 空隙率统计结果

从沥青混合料的空隙率变异系数看，掺加木质素纤维的SMA沥青混合料最好，掺加矿物棉纤维的SMA次之，掺加短切矿物纤维的SMA较差。

2.2 截面颗粒分布

每种纤维沥青混合料随机选取三个试件，并沿中截面切割，观察混合料内部情况。数码相机拍摄试件的截面照片,选取典型截面如图1所示。

若混合料分布是均匀的，则各档粒径的集料在截面上各区域内的位置分布及分布数量应该是均匀的，彭勇等学者选取截面上沥青混合料的均匀性指标D来评价[12]。D=dH+dV，其中，dV为沥青混合料水平方向的均匀性；dH为沥青混合料垂直方向的均匀性。d=η×∑ki×(ri+ti),其中，ti为截面上第i档集料在不同区域里的数量分布状况参数；η为与级配相关的系数；ri为截面上第i档集料的重心与几何中心的距离偏差率；ki为截面上第i档集料的面积比，ki=ai/a，a为截面上各档集料的总面积,ai为截面上第i档集料的面积。D数值越小，则其对应的沥青混合料均匀性越好。本研究中，选取同一种级配形式，按集料颗粒截面面积大小选取四档粗集料(16 mm,13.2 mm,9.5 mm,4.75 mm)，并分析其分布的均匀性，建立坐标系，以试件几何中心为原点，将试件截面平均分成四个象限，计算三种混合料的截面信息，如表6所示。

表6 SMA混合料均匀性指标

由表6所示的均匀性指标D可以看出，掺加矿物棉纤维的SMA混合料的均匀性为最好，掺加木质素纤维的SMA次之，掺加短切矿物纤维的SMA较差。

综上所述，结合沥青混合料的空隙率变异系数和截面颗粒分布均匀性指标可知，掺加矿物棉纤维及掺加木质素纤维的SMA混合料的均匀性相当，均优于掺加短切矿物纤维的SMA。这与成型后沥青混合料的表观状态相一致。由于短切纤维直径较大，呈束状分布，室内搅拌工艺很难将其分散，从而导致试件内部纤维分散不均，试件表面甚至有少量纤维抱团现象，很大程度上影响了短切矿物纤维SMA混合料的均匀性。

3 混合料路用性能实验结果

沥青混合料路用性能实验根据相关试验规程规定的方法，分别进行SMA混合料的高温稳定性实验和水稳定性实验。试验结果见表7。水稳定性检验的方法采用浸水马歇尔实验和冻融劈裂实验，浸水马歇尔的实验结果用残留稳定度(MS0)表示；冻融劈裂的实验结果用劈裂强度比(TSR)表示。高温稳定性检验方法采用马歇尔试验及车辙试验，马歇尔试验试验结果用马歇尔稳定度MS表示，车辙试验试验结果用动稳定度DS表示。

表7 SMA的路用性能试验结果

从表7的试验结果得出，掺加木质素纤维和矿物棉纤维的SMA混合料呈现出良好的水稳定性，掺加短切矿物纤维的SMA混合料的水稳定性不佳，但高温稳定性最好。短切纤维的吸湿性较大，亲水性表现的较为明显，在水稳定性能的试验中，沥青混合料需长时间浸泡在水中，甚至于冰冻的环境下，使得水分子沿着短切纤维的界面，形成类似管道的通道，将水分子导向混合料内部，导致沥青与集料的粘结力下降，最终降低了残留稳定度(MS0)；沥青混合料真空饱水并辅以冻融作用后，进入混合料空隙中的水分发生冻结，产生的冻胀应力对空隙壁有破坏作用，从而导致冻融劈裂强度比(TSR)降低。

4 结语

本文通过对掺加矿物棉纤维，短切矿物纤维及木质素纤维的SMA混合料的均匀性及路用性能试验分析，得到了如下结论：

1)掺加矿物棉纤维及木质素纤维的SMA混合料的均匀性良好，均优于掺加短切矿物纤维的SMA混合料；

2)掺加矿物棉纤维及掺加木质素纤维的SMA混合料的水稳定性较好，掺加短切矿物纤维则表现出不良的水稳定性；高温稳定性的结果显示，掺加短切矿物纤维的SMA最好，掺加矿物棉纤维的SMA次之，掺加木质素纤维的SMA略低；

3)SMA混合料的均匀性指标并不是影响混合料的路用性能的决定因素，同时，均匀性差的SMA混合料的路用性能也不一定差，反之亦成立。

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面的早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社，2001.

[2] 张 雷.基于细观分析的沥青混合料组成结构研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士论文,2008.

[3] 刘 丹,付其林.沥青混合料均匀性评价研究[J].交通科技，2007(4):77-79.

[4] 林 辉.基于数字图像处理技术的粗集料形状特征量化研究[D].长沙：湖南大学硕士论文,2007:11-14.

[5] E. Masad, V.K. Jandhyala. Characterization of Air Void Distribution in Asphalt Mixes Using X-Ray Computed Tomography[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2002(3):122-129.

[6] JTG F40—2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[7] JTJ 052—2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[8] 徐 刚,赵丽华,赵 晶.玄武岩矿物纤维改善沥青混合料性能研究[J].公路,2011(6):167-171.

[9] 吴少鹏,叶群山,刘志飞.矿物纤维改善沥青混合料高温稳定性研究[J].公路交通科技,2008(11)：84-85.

[10] 封基良.纤维沥青混合料增强机理及其性能研究[D].南京:东南大学,2006.

[11] 彭 勇,孙立军,董瑞琨.沥青混合料均匀性评价新方法的探讨[J].同济大学学报(自然科学版),2005,33(2)：106-107.

[12] 彭 勇.基于数字图像处理技术沥青混合料均匀性指标研究[D].上海:同济大学交通运输工程学院,2005.

Research of uniformity and road performance of SMA mixture

Zhang Cuimei

(BeijingGuodaotongHighwayDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100053,China)

This article selected the lignin fiber, short cut mineral fiber and mineral cotton fiber, through the indoor test analyzed the uniformity and road performance of SMA mixture that added above three kinds of different fibers. Contrast test results show that: after adding mineral cotton fiber and lignin fiber, the uniformity of SMA mixture showed good, adding chopped mineral fiber, SMA mixture has better high temperature stability and poor water stability performance, the uniformity of the fiber asphalt mixture had a certain extent affect to the road performance.

SMA， fiber, uniformity, road performance

2014-12-13

张翠梅(1981- ),女，工程师

1009-6825(2015)06-0107-03

U214.75

A