SMA-13复掺纤维沥青混合料路用性能研究

李文凯 邵景干

摘 要：SMA间断级配沥青混合料因其良好的路用性能而被广泛应用在高等级沥青路面施工中。玄武岩纤维（BF）和木质素纤维（CF）能够均匀地分散到沥青混合料当中，起到吸附、稳定沥青的效果，同时在骨料之间形成搭桥作用，能够进一步改善沥青路面的路用性能及使用年限。本研究将不同掺配比例的BF及CF两种纤维掺入SMA-13混合料当中并进行相关路用性能研究，得出：玄武岩纤维（BF）对SMA-13混合料的高温性能改善效果较优，而木质素纤维（CF）对SMA-13混合料的低温性能改善效果较优，从SMA-13混合料整体路用性能方面综合考虑，玄武岩纤维（BF）与木质素纤维（CF）的掺配比例为1∶1。

关键词：玄武岩纤维;木质素纤维;矿料级配;油石比;路用性能

中图分类号：U414     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）5-0064-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.014

Study on Pavement Performance of SMA-13 Composite Fiber Asphalt Mixture

LI Wenkai    SHAO Jinggan

（Henan Jiaoyuan Engineering Technology Group Co.Ltd.， Research and Development Center of Green High Performance Material Application Technology Transportation Industry， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： SMA discontinuous graded asphalt mixture is widely used in high-grade asphalt pavement because of its good road performance. Basalt fiber （BF） and lignin fiber （CF） can be evenly dispersed into the asphalt mixture to absorb and stabilize the asphalt. At the same time， it can form a bridge between the aggregates， which can further improve the road performance and service life of the asphalt pavement. In this study， BF and CF fibers with different mixing ratios are mixed into SMA-13 mixture， and relevant road performance research is carried out. It is concluded that basalt fiber （BF） has better effect on improving the high-temperature performance of SMA-13 mixture， while lignin fiber （CF） has better effect on improving the low-temperature performance of SMA-13 mixture. Considering the overall road performance of SMA-13 mixture， The mixing ratio of basalt fiber （BF） and lignin fiber （CF） is 1∶1.

Keywords： basalt fiber;cellulose fiber; aggregate gradation; oil stone ratio; road performance

0 引言

伴随我国经济的快速增长，地区之间的交流更加密切，车流量也呈现逐年递增的趋势，超载、过载的现象时有发生，导致新建道路在运营早期就出现车辙、裂缝及抗滑性能不足等路面病害[1-3]。常规沥青混合料已不能满足高品质、高质量沥青路面的需求，而将各种改性材料应用到沥青混合料中来改善沥青路面使用性能及使用年限被众多道路工作者所青睐。沥青路面表层结构层混合料类型有多种，主要包括密级配AC-10C、AC-13C、AC-16C型沥青混合料、开级配OGFC-13型沥青混合料、间断级配SMA-10、SMA-13、SMA-16型沥青混合料。其中，密级配AC型沥青混合料是现阶段工程中最常用的级配类型，施工工艺较为成熟，设计空隙率一般在4%～6%，但近年来随着交通量尤其重轴载车辆的逐年增加，AC型沥青路面也出现了高低温性能病害突出的弊端;开级配OGFC型沥青混合料多用于抗滑性能不足及年降雨量较大的地区，设计空隙率一般在18%～25%，路表积水能够很快通过混合料内部的大孔隙排出路表，由于内部孔隙较大，混合料内部的沥青容易老化，导致沥青胶浆黏附能力降低，松散病害较为突出;间断级配SMA型沥青混合料进入21世纪后被广泛推广，设计空隙率一般在3%～4%，具有良好的高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害等路用性能[4]。SMA具有粗集料、矿粉及沥青用量多，细集料用量少的特点，是一种由沥青胶浆及纤维稳定剂构成的沥青玛蹄脂填充粗骨料孔隙的间断级配混合料，因其良好的路用性能而被广泛应用。SMA混合料中的粗骨料能够相互嵌挤形成骨架结构，具有良好的高温抗车辙能力，而较大的沥青用量能够增加骨料之间的黏结能力，提高沥青路面的抗水损害能力，纤维稳定剂三维乱向分散在混合料当中，能够起到吸附、稳定沥青的作用，增强沥青路面的低温抗开裂能力[5-6]。玄武岩纤维（BF）是一种矿物纤维，由玄武岩碎石高温熔融并通过一定的工艺拉丝短切而成，其密度与骨料相當，且与沥青具有良好的相容性，能够均匀分散到混合料当中;木质素纤维（CF）是一种植物纤维，密度较小，具有较强的吸附沥青的效果。两种不同成分的纤维对SMA沥青混合料性能的改善效果存在差异，本研究将BF与CF两种纤维按照一定比例复掺到混合料当中并进行相关路用性能的研究，优选出最佳的复掺比例，为复掺纤维设计在SMA沥青路面中的应用提供理论支撑。

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

原材料质量对沥青路面的服务水平及使用年限有着重要影响，其中沥青种类的选取尤为关键[7]，本研究选用SBS Ⅰ-D聚合物改性沥青展开研究，其主要技术参数检测结果均满足现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的相关规定，试验结果见表1。

1.2 纤维

改性沥青与纤维对沥青路面的改性效果不同，性能优异的沥青夏季高温天气黏性较好，同时冬季低温环境下也能具有较好的韧性[8-10];而纤维三维乱向分散在混合料中能够起到吸附、稳定沥青的效果，同时也能够在骨料孔隙之间起到搭桥、加筋的作用。本研究選用的玄武岩纤维（BF）、木质素纤维（CF）分别由郑州登电集团及德国JRS公司生产，两种纤维主要技术参数检测结果均满足相关规范要求，试验结果见表2。

1.3 配合比设计及马歇尔试验结果

本研究选用SMA-13间断级配进行研究，玄武岩碎石粗骨料的粒径分别为3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm，机制砂细骨料粒径为0～3 mm，填料为石灰岩磨细的矿粉，SMA-13混合料矿料级配设计结果见表3，未掺纤维的SMA-13混合料马歇尔试验结果见表4。

2 路用性能

相关研究表明，纤维在SMA沥青混合料的掺量一般为0.3%～0.6%（占混合料质量）[11-13]，本研究选用掺量为0.4%的研究对象展开研究，其中玄武岩纤维（BF）及木质素纤维（CF）在SMA混合料中的掺配比例见表5。

2.1 高温稳定性

沥青路面是一种柔性结构层，对温度较为敏感。高温环境下沥青塑性增强、韧性降低，在高温重轴载作用下易出现永久性塑性变形。车辙、泛油、拥包等路面病害的出现是高温稳定性差的主要表现形式[14]。本研究在试验温度为60 ℃环境下，选用室内车辙试验对不同纤维掺配方案下的SMA-13混合料进行高温抗车辙性能研究，试验结果见图1。

由图1可以得出：两种纤维的掺入均能改善沥青路面的高温抗车辙能力，但随着BF掺量占比的减小，混合料动稳定度试验结果逐渐降低，表明两种纤维对沥青路面高温性能的改善能力存在差异，其中相同掺量下BF的改善效果优于CF。

2.2 低温抗裂性

低温环境下，沥青塑性降低、脆性增强，在车辆轴载作用下，当沥青路面结构层内部的容许拉应力小于温缩应力时，混合料就会发生细微开裂，这些细微开裂如不处理就会逐渐恶化成块状裂缝甚至龟裂等严重病害[15-16]。本研究在试验温度为-10℃的低温环境下，选用室内小梁弯曲试验对不同纤维掺配方案下的SMA-13混合料进行低温抗开裂性能研究，混合料抗弯拉强度及最大弯曲破坏应变试验结果分别见图2、图3。

由图2、图3可以得出：两种纤维的掺入均能改善沥青路面的低温抗开裂能力，但随着BF掺量占比的减小、CF掺量占比的增加，沥青路面低温抗开裂性能逐渐增强，表明两种纤维对沥青路面低温性能的改善能力存在差异，其中相同掺量下CF的改善效果优于BF。

2.3 水稳定性

沥青路面作为路表结构层，长期受到光照、雨水侵蚀、冻融循环及车辆轴载等外界因素的长期综合作用，沥青逐渐老化，骨料与沥青之间的黏附能力逐渐降低，沥青胶浆极易从骨料之间剥落、松散、坑槽等路面病害的出现是沥青路面水稳定性差的主要表现形式。本研究选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验对不同纤维掺配方案下的SMA-13混合料进行水稳定性能研究，混合料浸水马歇尔及冻融劈裂试验结果分别见图4、图5。

由图4、图5可以得出：两种纤维的掺入均能改善沥青路面的抗水损害能力，但随着BF掺量占比的减小、CF掺量占比的增加，沥青路面抗水损害能力呈现先升高后降低的趋势，且在BF及CF掺配比例为1∶1时水稳定性能最优，表明两种纤维按合理比例掺配才能保证沥青路面具有较好的抗水损害能力。

3 结语

两种纤维的掺入均能改善沥青路面高低温及水稳定性能，其中玄武岩纤维（BF）对SMA-13混合料的高温性能改善效果较优，而木质素纤维（CF）对低温性能改善效果较优，玄武岩纤维（BF）与木质素纤维（CF）掺配比例为1∶1时SMA-13混合料水稳定性能最优，从SMA-13混合料整体路用性能方面综合考虑，玄武岩纤维（BF）与木质素纤维（CF）的掺配比例为1∶1。

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