玄武岩纤维SMA的温度稳定性分析

文/广东能达高等级公路维护有限公司 黄伟 林利聪

为揭示玄武岩纤维对SMA沥青混合料温度稳定性的影响，试验首先确定级配优化后的SMA沥青混合料最佳纤维用量，设计三种对比试验：不掺加纤维，掺加木质素纤维，掺加玄武岩纤维，依托小梁弯曲试验及车辙试验，评价SMA沥青混合料的高低温稳定性。试验结果显示：掺加0.15%的纤维可以有效地改善SMA沥青混合料的高低温稳定性，其中：掺加0.15%的玄武岩纤维对SMA沥青混合料的低温抗裂性能及高温抗车辙性能提高更显著。

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，研究玄武岩纤维对级配优化后的SMA沥青混合料温度稳定性的影响程度。

SMA沥青混合料设计

原材料选择

依据《沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的性能指标要求，以及广东地区所在气候分区的气候特点与气候条件对路面的要求，综合考虑沥青选择为SBS改性沥青：PG76-22。

石料品质是SMA沥青路面品质的关键因素之一。石料选择品质优良的辉绿岩，其各方面性能指标均满足规范要求，具体性能指标如表1所示。

表1 辉绿岩性能指标

表2 纤维的技术指标

表3 改进的SMA-13级配

纤维是SMA原材料中重要的组成部分，本文以两种常用的纤维做对比，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。两种纤维的技术指标如表2所示。

SMA-13级配优化设计

良好的级配是SMA沥青混合料优良性能的前提，目前SMA混合料多推荐采用骨架密实型级配，一方面要兼顾级配的骨架，另一方面要满足密实型原理，最大程度发挥粗集料的嵌挤作用，发挥细集料及粘结料的密实作用。文本SMA级配优化设计方面通过间断2.36mm档的粗集料，增大4.75mm或9.75mm档粒料的含量，来实现SMA-13的骨架密实及路用耐久性能，优化设计后SMA-13级配如表3所示。

SMA沥青混合料配合比试验

研究采用使用最广泛的马歇尔法，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SMA-13沥青混合料的最佳油石比为5.5%，且其他各具体指标满足规范要求。

研究采用马歇尔稳定度的试验方法，来确定沥青混合料的最佳纤维量。根据试验经验，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加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%。通过不同纤维用量下的最佳油石比及稳定度，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%。

温度稳定性试验与分析

根据实验确定的最佳油石比及最佳纤维掺加量分别进行SMA-13沥青混合料的小梁弯曲试验、车辙试验，具体试验结果及分析如下。

低温稳定性

沥青混合料的低温稳定性主要表现为良好的抗裂性能，裂缝破坏是沥青混合料主要的低温破坏形式。通过小梁弯曲试验来评价玄武岩纤维对沥青混合料低温稳定性能的改善作用。试验选取不掺纤维、掺加等量的木质素纤维作为掺加最佳玄武岩纤维（0.15%）的对比试验。

小梁弯曲试验是在温度为-10℃±0.5℃、加载速率为50mm/min的情况下，对切割成的长250mm±2mm、宽30mm±2mm、高35mm±2mm的棱柱体小梁，在跨中央进行加载作用，根据记录的荷载-挠度曲线计算抗弯拉强度、最大弯拉应变等，最终评价出各纤维沥青混合料的低温抗裂性能。具体试验数据如表4所示。

由表4可知：相对于不掺加纤维的SMA，掺加0.15%的木质素纤维和玄武岩纤维对沥青混合料的抗弯拉强度均有所提升，提升约70%～80%，掺加纤维后，SMA沥青混合料的最大弯拉应变均有所提高，掺加玄武岩纤维的SMA沥青混合料最大弯拉应变提高约13.03%，掺加木质素纤维的SMA沥青混合料最大弯拉应变提高约14.76%。可见，掺加纤维后，SMA沥青混合料的低温抗裂性能有很大提高，其中掺加玄武岩纤维对SMA沥青混合料的低温抗裂性能提高更显著。这显示玄武岩纤维能更好、更充分地吸附集料表面包裹着的自由沥青，增大沥青油膜的厚度，并在沥青混合料中形成大量新的“结构沥青”的界面层，使得SMA沥青混合料的低温抗裂性能大大增强。

表5 车辙试验结果

高温稳定性

本研究选择使用最广泛的高温车辙试验，来评价纤维沥青混合料的高温稳定性，选取不掺纤维、掺加最佳玄武岩纤维（0.15%）、掺加等量的木质素纤维三组对比试验，并分别对SMA-13沥青混合料进行试验研究，最后根据试验结果评价玄武岩纤维对沥青混合料高温稳定性能的改善作用。车辙试验数据如表5所示。

由表5可知：相对于不掺加纤维的SMA，掺加0.15%的木质素纤维和玄武岩纤维对沥青混合料的永久变形量均有所降低，降低约30%～40%，掺加纤维后SMA沥青混合料的动稳定度均有所提高，掺加玄武岩纤维的SMA沥青混合料动稳定度提高约15.3%，掺加木质素纤维的SMA沥青混合料最大弯拉应变提高约14.5%。可见，掺加纤维后，SMA沥青混合料的高温抗车辙性能有所提高，其中掺加玄武岩纤维对SMA沥青混合料的高温抗车辙性能提高更大。同理，笔者认为玄武岩纤维能更好地吸附集料表面包裹着的自由沥青，增大沥青油膜的厚度，能够在沥青混合料中形成大量新的“结构沥青”的界面层，使SMA沥青混合料的高温抗车辙性能有所增强。