不同纤维对SBS/胶粉复合改性沥青混合料性能影响

（长沙理工大学公路工程试验检测中心，长沙 410000）

SBS 改性沥青赋予沥青优异的高温、低温性能及抗老化等性能，是目前道路工程中对沥青改性效果最普遍的一种改性剂[1-2]。但SBS 改性沥青仍存在一些缺点，如耐老化性较差，价格昂贵等[3-4]。因此，为了更好的发挥SBS 沥青的优势，可考虑采用一些材料代替部分SBS，以期能将SBS 改性沥青混合料更好地应用到道路工程当中。

由于工业快速发展，产生了大量的废旧轮胎及废弃的橡胶材料，对环境造成重大污染，需要进行有效处理[5-7]。国内外研究者采用橡胶对沥青进行处理，有效地提高了混合料的高温性能，降低路面噪音，且降低了改性沥青的成本，有望解决废旧橡胶对环境造成污染的问题，具有很好的研究应用前景[7-9]。将SBS 与胶粉进行复合对沥青进行改性，沥青同时具备橡胶和SBS 改性剂二者的优点，已有大量研究人员进行研究，但仍存在高低温性能较差的缺点[10-13]。

因此，本文采用纤维增强剂对SBS/胶粉改性沥青混合料性能进行改善。通过研究三种不同纤维对复合改性沥青混合料的性能改善效果，选出对SBS 改性剂与胶粉复合改性沥青混合料的改善效果最优的纤维种类及其最佳掺量。

1 原材料与方法

1.1 原材料

本文采用的沥青为SBS/胶粉复合改性沥青，改性沥青由SBS 改性剂、胶粉、稳定剂按照5%：18%：0.2%的比例添加到沥青中。粗集料选取玄武岩；细集料选机制砂；矿粉为石灰粉；纤维选取山东某材料公司所生产的木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维。改性沥青、集料与纤维的性质见表1～3。

1.2 试验方法

1.2.1 强度

强度测试方法根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）T 0709—2011中的试验方法进行评价：

取复合改性沥青混合料1 200 g 左右，在常温下装入试模中，并双面各击实75 次，待试件脱模后进行马歇尔强度试验。

表1 复合改性沥青技术指标

表2 集料技术指标

表3 纤维种类及技术指标

1.2.2 浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验测试方法按照试验规程中T 0709—2011 中的试验方法进行评价。

按照测试成型强度的方法制作试件，将试件分为两组：一组放入60 ℃水浴30 min，测试马歇尔强度MS1；另一组置入60 ℃水浴48 h，测试马歇尔强度值MS2；按公式1 计算残留稳定度MS0。

1.2.3 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验测试方法根据试验规程中T 0729—2000 中的试验方法进行评价。

（1）将成型马歇尔试件分为两组，第一组在常温下保存备用，将第二组试件进行真空饱水15 min，待气压恢复到正常后，将试件放置在水中保持30 min；

（2）将饱水后的试件放入塑料袋中，注入袋中约10 mL 的纯净水，并将试件放入-18 ℃的低温环境中冷冻16 h；试件取出后放入到60 ℃的恒温水槽中养生24 h；

（3）将两组试件全部放入在25 ℃的恒温水箱中保温2 h；然后对试件进行劈裂试验，得到试验的最大荷载。根据公式2、公式3、公式4对数据进行处理。

式中：RT1—未经冻融循环试件的劈裂抗拉强度，MPa；

RT2—经冻融循环后试件的劈裂抗拉强度，MPa；

PT1—未经冻融循环的试件破坏时荷载，N；

PT2—经冻融循环后的试件破坏时荷载，N；

h—试件的高度，mm；

TSR—冻融劈裂比，%。

1.2.4 车辙试验

高温车辙试验测试方法根据试验规程中T 0719—2011 中的试验方法进行评价。

（1）将复合改性沥青混合料按试验规程中T 0703—2011 的方法，用轮碾法将车辙试验试块成型；

（2）将未脱模的成型试件放置在室温环境下48 h；然后将试件连同试模放置60 ℃恒温条件下保温不小于5 h，然后开动车辙仪进行往返碾压1 h；

（3）读取45 min（t1）及60 min（t2）时的车辙变形d1及d2，根据公式5 计算动稳定度DS。

式中：C1—曲柄连杆驱动加载轮往返运行方式，取1.0；

C2—试件系数，取1.0；

N—试验轮往返碾压速度，取42 次/min。

1.2.5 小梁弯曲试验

改性沥青混合料的小梁弯曲试验测试方法根据试验规程中T 0715—2011 中的试验方法进行评价。

（1）按照车辙试验成型试件的方法制作车辙板，并用切割机将试件切割成棱柱体，试件尺寸应符合长250 mm、宽30 mm、高35 mm，误差不超过2 mm 的要求；

（2）将试件放置到试验温度的恒温水槽中进行养生，时间不少于45 min；

（3）启动压力机，以规定的速率对试件跨中施加荷载，直至试件破坏；按照式（6）计算试件破坏时的最大弯拉应变ε。

2 复合改性沥青混合料配合比设计

2.1 集料级配确定

本文选取AC-13 型级配进行设计，集料最大粒径13.2 mm。级配设计见表4和图1。

表4 AC-13 级配设计表

图1 级配曲线

采用贝雷法对AC-13 级配进行检验：计算CA比为0.5，FAC比为0.45，FAf比为0.52，均满足规范要求，表明AC-13 能形成密实骨架结构。

2.2 最佳油石比确定

图2 马歇尔试件测试结果

根据图2测试结果可知：毛体积密度最大值对应的油石比a1为5.0，与马歇尔稳定度最大值相对应的油石比a2为5.02，目标空隙率中值对应的油石比a3为5.14 和沥青饱和度中值对应的油石比a4为4.86。计算得到OAC1=5.01，OAC2=5.0，因此，冷补沥青混合料最佳油石比为OAC=（OAC1+OAC2）/2=5.0%。

2.2 增强纤维

本文选取木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维三种纤维，研究不同纤维对SBS/胶粉复合改性沥青混合料的影响，从而确定最佳纤维种类及纤维掺量。根据大量研究可知，纤维的掺量一般在0.2%～0.4%范围内时，混合料具有较好的路用性能[14-16]。因此，本文纤维选取0.2%、0.3%、0.4%三种比例掺量进行研究。

3 结果与分析

3.1 马歇尔稳定度

SBS/胶粉复合改性沥青混合料的强度反映了路面在交通荷载下抵抗永久变形的能力，一般要求沥青混合料的强度不小于8 kN。测试结果见图3。

图3 不同纤维下的SBS/胶粉复合改性混合料的马歇尔稳定度

根据图3试验结果可知：

（1）9 组试验中，马歇尔稳定度均大于规范要求值，表明具有很好的强度性能。

（2）随着纤维掺量的增加，SBS/胶粉复合改性沥青混合料的强度随之增加，但纤维掺量超过0.3%时，其强度值变化不大。

（3）工厂化设施渔业。全市工厂化养殖处于探索起步阶段，主要养殖对象为鲟、黄颡鱼、龟鳖、泥鳅和大鲵等品种。

（3）三种纤维当中，对于强度的改善效果强弱依次是玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维。

纤维加入到混合料当中，对混合料起到加筋作用，提高混合料的力学性能。而纤维对混合料性能的改善效果取决于其自身性质，由纤维的原材料性质可知：纤维的拉伸强度由大到小依次为玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维。故相较于聚酯纤维和木质素纤维，玄武岩纤维可为混合料提供更好的力学性能。

随着纤维掺量的增加，纤维逐渐均匀地分布到混合料当中，并对混合料进行加筋，混合料的性能得到进一步的改善；当纤维掺量过多时，纤维堆积在一块，阻碍纤维对混合料所承受荷载的传递作用，导致混合料性能改善效果并不明显，甚至会使混合料的性能有所降低。

3.2 浸水马歇尔稳定度

采用浸水马歇尔试验，测定混合料浸水前与浸水后的马歇尔稳定度，计算其残留稳定度，以此反映混合料的水稳定性能。试验结果见图4。

图4 浸水马歇尔试验指标

根据图4试验结果可知：

（1）随着纤维掺量的增加，SBS/胶粉复合改性沥青混合料的残留稳定度随之增加，但纤维掺量超过0.3%时，其残留稳定度值变化不大。

（2）三种纤维当中，对于水稳定性的改善效果依次是玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维。其中，当玄武岩纤维掺量为0.3%时，残留稳定度为89.2%，掺量为0.4%时，残留稳定度为90.8%，具有很好的水稳定性能。

3.3 冻融劈裂试验

采用冻融劈裂试验，测定混合料冻融前与冻融后的劈裂抗拉强度，计算其冻融劈裂比，以此反映混合料的水稳定性能，混合料的冻融劈裂比应不小于80%。试验结果见图5。

图5 冻融劈裂试验指标

由图5试验结果可知：

（1）每种试验的冻融劈裂比都超过规范要求值，表明SBS/胶粉复合改性沥青混合料具有很好的水稳定性能。

（2）随着纤维掺量的增加，SBS/胶粉复合改性沥青混合料的冻融劈裂比随之增加，但纤维掺量超过0.3%时，其冻融劈裂比变化不大。

（3）三种纤维当中，对于强度的改善效果依次是玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维。其中，当玄武岩纤维掺量为0.3%时，冻融劈裂比为88.7%，掺量为0.4%时，冻融劈裂比为89.8%，具有很好的水稳定性能。

3.4 高温车辙

对SBS/胶粉复合改性沥青混合料进行对车辙试验，测定混合料的动稳定度DS，以此评价其高温性能，动稳定度应大于3 500 次/mm。车辙试验结果见图6。

根据图6试验结果可知：

（1）SBS/胶粉复合改性沥青混合料的动稳定度均超过规范要求，随着纤维掺量的增加，木质素纤维和聚酯纤维的动稳定度均随着增加，纤维掺量超过0.3%后，动稳定度值变化不大；

（2）对于玄武岩纤维，随着纤维掺量的增加，混合料的动稳定度随着纤维的增加而呈先增加后减小的趋势，纤维掺量为0.3%时，动稳定度为9 981 次/mm，具有很好的高温性能。

图6 不同纤维下的SBS/胶粉复合改性混合料的动稳定度

3.5 小梁弯曲试验

低温小梁弯曲试验采用长250 mm，宽30 mm，高35 mm 的小梁，跨径为200 mm，在-10 ℃的温度下，以50 mm/min 的速度，在跨中单点加载，直至试件破坏，混合料的应变要求应大于2 500 με。试验结果见图7。

图7 不同纤维下的SBS/胶粉复合改性混合料的最大弯拉应变

由图7试验结果可知：

（1）每种纤维改善下，SBS/胶粉复合改性沥青混合料的最大弯拉应变都远超规范要求值，表明其具有很好的低温抗裂性能。

（2）对于木质素纤维和聚酯纤维来说，随着纤维掺量的增加，SBS/胶粉复合改性沥青混合料的最大弯拉应变随之增加，但纤维掺量超过0.3%时，其最大弯拉应变变化不大。

（3）对于玄武岩纤维，随着纤维掺量的增加，混合料的最大弯拉应变随着纤维的增加而呈先增加后减小的趋势，纤维掺量为0.3%时，最大弯拉应变为4 019 με，为9 组试验中最大弯拉应变最大，具有很好的低温抗裂性能。

4 结论

通过对SBS/胶粉改性沥青混合料进行强度、水稳定性、高温性能、低温性能进行评价，得出以下结论：

a）综合各试验结果来看，对SBS/胶粉复合改性沥青混合料改善效果最好的是玄武岩纤维，木质素纤维最差。

b）SBS/胶粉复合改性沥青混合料的高、低温性能，水稳定性等随着纤维掺量的增加而提高，纤维掺量超过0.3%后，其路用性能改善效果并不明显。

c）纤维对混合料的改善效果取决于其自身的性质，在选择纤维类型的时候，需考虑纤维的力学性能、高温性能等指标。

d）纤维主要是通过分散到混合料当中，对其加筋进行改善混合料的性能，当纤维掺量较多时，纤维堆积在混合料当中，影响纤维对混合料所承受荷载的传递作用，使混合料的性能有所降低。因此，在混合料性能的改善过程中，纤维的掺量不宜过多。

e）综合考虑，本文确定改善SBS/胶粉复合改性沥青混合料路用性能的纤维种类和掺量分别为玄武岩纤维和0.3%的掺量。