玄武岩纤维SMA的动水冲刷试验分析

2018-08-02

中国公路 2018年13期

近年来，随着交通荷载和渠化交通的急剧加重，SMA沥青混合料路面破坏程度越来越严重。本文依托2017年湛徐高速公路路面病害处置工程项目，通过两种不同纤维的SMA-13的沥青混合料试验，研究玄武岩纤维对优化级配后的SMA沥青混合料经过动水冲刷的影响程度。

SMA沥青混合料原材料与级配设计

沥青

沥青是SMA沥青混合料的重要组成部分，其质量的优劣直接影响混合料的使用耐久性。SMA沥青混合料对沥青的质量要求较高，原材料沥青应具有较高的黏度，一般使用PG分级的改性沥青，以保证SMA沥青混合料具有较好的高温稳定性、低温抗裂及抗水损害的性能。在沥青选择方面，主要依据《沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的性能指标要求，以及地区所在气候分区的气候特点与气候条件对路面的要求为依据，本文沥青选择为PG76-22的SBS改性沥青。

石料选择

石料品质是SMA沥青路面品质的关键因素之一。本试验在石料选择上，要求石料压碎值小于15%，相比规范要求降低了5%；石料磨光值不小于44PSV，相对规范提高了2PSV；加工特性方面，为了减少针片状，采用反击破工艺，并混合料针片状不大于12%。

纤维

试验中采用的纤维是长度为6mm的短切丝玄武岩矿物纤维和路用木质素纤维。玄武岩矿物纤维是经高温从玄武岩中抽取的纤维短切而成的，而玄武岩本身又是一种高性能的火山岩，具有良好的物理化学性能（比表面积大、表面浸润性好、工作温度范围大、水稳定性好等）和力学性能（抗拉强度大、弹性模量高、抗老化与疲劳性能好等）。

SMA级配优化设计

为了获得良好的骨架级配，同时又能拥有优异的密实结构，确保所设计的SMA材料能够获得更理想的综合路用性能特别是骨架稳定性能的优化设计。采用CAVF级配设计法，通过计算，最大程度地发挥粗集料的嵌挤密实作用，优化设计后的级配，如表1所示。

SMA沥青混合料配合比试验

未添加纤维时最佳油石比的确定

该实验采用了最广泛的马歇尔法，对沥青混合料的两面各击实75次，制作成尺寸为Φ（106.5mm±2.0mm）×(63.5mm±1.3mm)的标准马歇尔试件，最后根据浸泡60℃恒温水浴后的马歇尔稳定度，来确定SMA-13混合料的初始最佳油石比，试验数据分析显示本文的SMA-13沥青混合料的最佳油石比为5.5%，且其他各具体指标均满足要求。

添加玄武岩纤维后最佳油石比的确定及最佳纤维量的确定

该试验采用马歇尔稳定度的试验方法确定沥青混合料的最佳纤维量。根据以往的试验经验，SMA中纤维的最佳掺量范围一般为集料重量的0.1%～0.3%。设计不同油石比通过改变纤维掺入量来确定最佳油石比与最佳纤维用量。玄武岩纤维设计用量范围为0%～0.5%。本节最终确定添加木质素纤维与玄武岩纤维的SMA-13沥青混合料的最佳油石比均为5.5%，两种纤维掺入量均取0.15%。

表1 改进的SMA级配

SMA沥青混合料动水冲刷试验与分析

水损害是沥青路面的主要破坏原因之一，尽管SMA沥青混合料具有优良的综合路用性能，但仍然避免不了早中期的水损害，因此，设计SMA沥青混合料有必要研究其抗冲刷性能。为探究玄武岩纤维SMA沥青混合料的抗水损害能力，本文设计3种对比试验：不掺加纤维、掺加0.15%木质素纤维、掺加0.15%玄武岩纤维。根据上节确定的最佳油石比及最佳纤维掺入量，分别进行SMA-13沥青混合料的动水冲刷试验，具体试验结果及分析如下。

动水冲刷试验原理及试验过程

通常模拟沥青混合料水损害试验设备都是封闭的，导致水不能完全进入沥青混合料内部，大多数静水压力试验，并不能有效地表征实际沥青路面在行车荷载作用下产生的冲刷效果。因此，本文采用动水冲刷设备，模拟高速行车通过沥青路面时产生的交替动水压力以及真空吸力，此过程是一种更接近实际路面水损害过程的模拟试验，试验原理如图1所示。切割上节设计的SMA沥青混合料试件并进行动水冲刷试验，如图2所示。采用双面锯切割冲刷2小时后的试件，取直径为φ100mm±2mm，高为40mm±5mm的圆柱体试件进行劈裂强度试验，以劈裂强度表征SMA沥青混合料冲刷后的强度，分别监测掺加不同纤维的SMA沥青混合料动水冲刷前后的劈裂强度。

图1 动水冲刷试验原理

图2 动水冲刷试验

图3 劈裂强度与空隙率改变率

数据分析

如图3所示，掺加纤维可以提高SMA沥青混合料动水冲刷前的劈裂强度，其中添加玄武岩纤维的SMA沥青混合料动水冲刷前劈裂强度最大，动水冲刷后仍是掺加玄武岩纤维的SMA沥青混合料劈裂强度最大。动水冲刷前后不掺加纤维的SMA沥青混合料劈裂强度降低28.3%，掺加木质素纤维的SMA沥青混合料劈裂强度降低32.3%，掺加玄武岩纤维的SMA沥青混合料劈裂强度降低21.9%。动水冲刷前后三种SMA沥青混合料的空隙率均有所提高，其中不掺加纤维的SMA沥青混合料空隙率提高28.2%，掺加木质素纤维的SMA沥青混合料空隙率提高25.5%，掺加玄武岩纤维的SMA沥青混合料空隙率提高22.5%。综合以上分析可见，掺加玄武岩纤维可以有效且显著地提高SMA沥青混合料的抗冲刷性能。