基于纤维掺量的温拌SMA-13沥青混合料技术研究

2021-11-10徐敏贤叶正祥郑磊炜杜荣东

山西建筑 2021年22期

李仪，郭晗，徐敏贤，叶正祥，郑磊炜，杜荣东

(中亿丰建设集团股份有限公司,江苏苏州 215131)

1 概述

随着我国经济的快速发展，高速公路的交通量也迅速增加。由于沥青路面具有低噪声、高舒适性、易养护等优点，因此在路面工程中得到了广泛运用。但沥青路面也存在一些缺点，比如施工时温度过高以及排放有害气体等问题，这不仅造成了能源的大量消耗，还严重影响了施工人员的身体健康[1-2]。在上述问题的背景下，近年来温拌沥青混合料技术成为了学者研究的热门方向。与热拌技术相比，温拌技术不仅具有与热拌沥青混合料的优良的路用性能，还能降低沥青混合料拌合摊铺时的温度，这样可以大大降低施工时对环境的不利影响，也降低了对能源的消耗，同时也有利于施工人员的身体健康，具有极大的实用意义。因此本文研究开发出一种高性能且降温效果好的温拌SMA-13沥青混合料[3-6]。因此本实验研究的目的是：通过旋转压实的方法，研究三种温拌剂及三种纤维掺量对SMA-13沥青混合料降温效果的影响，然后对各类型沥青混合料进行了高温车辙实验、抗水毁能力实验、低温小梁弯曲实验，最后确定最佳的温拌方式。

2 原材料

2.1 集料

本实验选用的集料为玄武岩。粗、细集料各档粒径的范围为:10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，0 mm～3 mm，选用的矿粉由石灰石磨制而成，其各项技术指标见表1，表2。

表1 粗、细集料性能指标

表2 矿粉性质指标

2.2 SBS改性沥青

本文所采用的沥青是SBS改性沥青。本各项指标见表3。

表3 沥青性能指标

2.3 纤维

本实验所采用的添加剂为木质素纤维。其技术指标如表4所示。

表4 木质纤维技术指标

2.4 温拌剂

本文采用的温拌剂分别是Evotherm M1温拌剂(以下简称M1)，Sasobit温拌剂(以下简称Sa)，Redise LQ-1102C温拌剂(以下简称1102),其技术指标见表5，表6。

表5 温拌剂M1，1102性能指标

表6 温拌剂Sa性质指标

3 温拌SMA-13沥青混合料的体积性能

3.1 确定矿料级配

为了研究不同温拌剂和纤维掺量对SMA-13沥青混合料的影响，根据以前的实验结果，因此本实验采用旋转压实法对SMA-13沥青混合料最佳沥青含量的设计，本实验参考了一定量Superpave最基本的设计方法，根据设计累计当量轴载次数选择初始、设计与最大旋转次数。本实验参考表7的应用典型道路的要求，确定采用中等至重交通道路所要求的压实参数，即N初始=8次，N设计=100次，N最大=160次。

表7 Superpave旋转压实次数

本实验采用的级配为SMA-13，集料规格分别为10 mm～15 mm，5 mm～10 mm,0 mm～3 mm，其与矿粉的比例分别为29∶48∶12∶11,合成级配见表8。

表8 SMA-13合成级配

本实验以最佳级配为基础，选用4种沥青用量分别为5.37%，5.67%，5.97%，6.27%成型混合料试件，其中纤维掺量为沥青混合料质量的0.3%，在180 ℃的条件下拌合制得沥青混合料，然后在170 ℃的条件下进行旋转压实成型试件，压实次数设定为N设计=100。测试木质纤维成型试件的各项体积指标。

以空隙率为4.0%为控制指标，通过图1得到最佳沥青用量为5.77%，同时混合料的VFA和VMA均能满足要求。

3.2 最佳压实温度的确定

在最佳沥青含量基础下，为了确定三种温拌剂、三种木质纤维掺量的最佳压实温度，三种木质纤维掺量为沥青混合料质量的0.3%，0.15%，0%。首先制备温拌沥青，然后在三个拌合温度条件下制备各种沥青混合料，三种拌合温度分别为180 ℃，165 ℃,150 ℃，最后在拌合温度-10 ℃的条件下进行旋转压实成型试件，通过水中重法测定和计算体积参数。根据混合料的体积参数规范要求确定拌合温度，本实验以混合料空隙率为4.0%时所对应的压实温度作为最佳压实温度。三种纤维掺量空隙率和拌合温度线性关系见图2，空隙率和拌合温度的线性回归方程及最佳拌合温度见表9。

表9 空隙率和拌合温度的线性回归方程及最佳拌合温度

由图2和表9可以得出:

1)在0.3%木质纤维掺量的条件下，向SBS改性沥青中添加温拌剂Sa，1102，M1后，混合料试件空隙率与拌合温度的线性相关性都比较好。以4.0%作为目标空隙率，可以通过线性回归方程得出，1102-SBS的目标拌合温度为169 ℃，降温幅度为11 ℃；M1-SBS的目标拌合温度为166 ℃，降温幅度为14 ℃;Sa-SBS的目标拌合温度为171 ℃，降温幅度为9 ℃。

2)在木质纤维掺量降到0.15%后，向SBS改性沥青中添加温拌剂Sa，1102，M1后，混合料试件空隙率与拌合温度的线性相关性都比较好。以4.0%作为目标空隙率，可以通过线性回归方程得出，1102-SBS的目标拌合温度为153 ℃，降温幅度为27 ℃；M1-SBS后的目标拌合温度为149 ℃，降温幅度为31 ℃;Sa-SBS的目标拌合温度为159 ℃，降温幅度为21 ℃。

3)当混合料无纤维时，向SBS改性沥青中添加温拌剂Sa，1102，M1后，混合料试件空隙率与拌合温度的线性相关性都比较好。以4.0%作为目标空隙率，可以通过线性回归方程得出，1102-SBS的目标拌合温度为134 ℃，降温幅度为46 ℃；M1-SBS后的目标拌合温度为132 ℃，降温幅度为48 ℃;Sa-SBS的目标拌合温度为141 ℃，降温幅度为39 ℃。

谢伦堡沥青析漏试验：

在规范中，热拌SMA沥青混合料的试验温度为拌合温度+5 ℃进行，即185 ℃。由于本试验以温拌沥青SMA-13混合料为研究对象，因此混合料的试验温度应参照各沥青混合料的拌合、摊铺温度来执行，因此谢伦堡析漏损失率试验条件改为各拌合温度+5 ℃进行，试验结果见表10。

表10 析漏结果

由表10的数据可知:

4 温拌SMA-13沥青混合料的路用性能

4.1 车辙实验结果与分析

根据规范对在各温拌沥青混合料所对应压实温度条件下成型的车辙板进行车辙实验。各沥青混合料实验结果如表11所示。

表11 动稳定度数据

通过表11可以看出:

1)比较同一种纤维的各种阻燃沥青的动稳定度，动稳定度的大小依次为:Sa>SBS≈M1≈1102，温拌剂Sa可以显著提高混合料的高温抗车辙能力，这是因为温拌剂Sa可以均匀分布在沥青中，形成网状晶格结构，从而提高沥青混合料的抗车辙能力；

2)比较不同纤维掺量的各温拌阻燃沥青混合料的动稳定度，0.3%掺量的木质1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS的动稳定度比0.15%掺量木质混合料的分别高5.7%，7.4%，9.4%，0.15%掺量的木质1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS的动稳定度比0掺量木质混合料的分别高59.2%，50.5%，65.0%，说明了纤维掺量越高，沥青混合料的高温稳定性就越好。在沥青混合料中，纤维的加入减小了自由沥青膜的厚度，降低沥青混合料中沥青的流动性，因此纤维掺量越大，降低了沥青在沥青混合料中的流动性，混合料的抗车辙性能就越好。

4.2 温拌阻燃SMA-13沥青混合料抗水毁能力

根据规范对在各温拌阻燃沥青混合料所对应压实温度条件下成型的马歇尔试件进行冻融劈裂实验。各沥青混合料冻融劈裂强度比见表12。

表12 冻融劈裂数据

通过表12可以看出:

1)比较同一种纤维的各种阻燃沥青的冻融劈裂强度比，冻融劈裂强度比的大小依次为:M1>1102>Sa≈SBS，说明了温拌剂Sa对沥青混合料的抗水毁能力影响不大,这是因为沥青混合料中的沥青薄膜可以在温拌剂1102，M1的帮助下驱离并取代石料表面的残留水分，并且帮助沥青薄膜与石料表面形成牢固的化学作用力，提高沥青混合料的抗水毁能力。

2)0.3%掺量的木质1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的冻融劈裂强度比分别比0.15%掺量的木质混合料的要高5.0%，4.4%，3.9%，0.15%掺量的木质1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的冻融劈裂强度比分别比0掺量的木质混合料的要高6.7%，7.1%，5.9%。说明了纤维的掺量越多，混合料的冻融劈裂强度比就越大。这是因为木质纤维自身在沥青混合料中起到的加筋作用，可以与沥青之间形成网状结构，从而提升沥青混合料的抗水毁能力，同时纤维掺量越多，结构沥青含量也就越多，混合料中自由沥青的含量也就越少，从而增加混合料的沥青膜厚度，混合料中沥青膜厚度的增加对阻碍水分剥离混合料有积极作用。

4.3 温拌阻燃SMA-13沥青混合料低温性能

低温小梁弯曲试验是一种评价低温抗裂性能试验重要方法,根据规范对在各温拌沥青混合料所对应压实温度条件下成型的小梁试件进行低温性能实验。各种沥青混合料实验结果见表13。

由表13可知:

表13 低温性能数据

1)在同一种纤维及掺量条件下，比较热拌及三种温拌沥青混合料的抗拉强度，极限弯拉应变，其大小为:1102≈M1≈SBS>Sa，这是因为温拌剂Sa降低沥青混合料的低温性能，因为温拌剂Sa本质上是一种石蜡，沥青混合料长时间置于低温环境中，溶解在沥青中的蜡分子会与一小部分被它吸附的沥青一起析出，使得沥青变得又脆又硬，因此温拌剂Sa降低了沥青混合料的低温抗裂性能。

2)比较三种纤维掺量的温拌沥青混合料的抗拉强度，极限弯拉应变的大小，0.3%>0.15%>0%，其中，掺量0.3%的1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的极限弯拉应变比0.15%掺量的混合料分别高6.3%，6.9%，6.2%，掺量0.15%的1102-SBS，M1-SBS，Sa-SBS混合料的极限弯拉应变比无纤维的分别高1.7%，4.6%，6.0%；产生上述现象的原因为：纤维在沥青混合料中起着加筋与桥接的作用，纤维掺量越高，沥青与集料的黏附能力就越强，混合料的极限抗弯拉能力也就越强，沥青混合料的低温抗裂性能也就越好。