玄武岩纤维掺量对SMA-8沥青混合料高温稳定性影响研究

王 敏，刘晓聪

(1.山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司) 太原市 030006； 2.山西路桥第一工程有限公司 太原市 030006)

0 引言

SMA路面始建于德国，后在欧洲瑞典、丹麦和英国等国家得到广泛应用，我国根据国情、材料状况、机械情况以及气候、交通等条件，在北方地区先行推广使用，用于路面结构表面层为SMA-16和SMA-13[1]。1997年虎门大桥在国内第一次采用SMA作为钢桥面铺装，正式拉开我国SMA钢桥面铺装的序幕，钢桥面铺装表面层多采用SMA-13和SMA-10[2]。国内部分学者对SMA研究也向着细粒式的方式发展，但实际工程SMA-8应用较少[3]。

SMA-8沥青混合料上面层可减轻桥面荷载及减小对隧道净空的影响，达到提升路面性能、节约优质集料以及实现桥梁轻量化的目的。通过车辙试验、单轴贯入试验对不同纤维掺量的SMA-8沥青混合料的高温稳定性开展研究，为工程应用和配合比设计提供参考依据。

1 原材料

1.1 高粘改性沥青

采用高粘改性沥青作为胶结料，基质沥青为壳牌A级70#沥青，技术指标如表1所示。

表1 高粘改性沥青技术指标

1.2 集料

1.2.1粗集料

SMA-8沥青混合料为间断级配骨架密实型沥青混合料，粗集料采用广西贵港李因头石场的5～10mm规格的碎石，岩性为辉绿岩，洁净、干燥、表面粗糙，硬度和强度高，耐磨性好。因标准筛4.75～9.5mm跨度区间较大，为使粗集料能更好地形成骨架结构，引入了8mm非标准筛对5～10mm档集料的级配进行限制，同时为了保证SMA-8沥青混合料的密水性，合成级配中需有少量的3～5mm的集料，要求5～10mm档集料4.75mm通过率为4%～10%。粗集料技术指标见表2。

表2 粗集料技术指标

1.2.2细集料

采用广东郁南封开龙鑫石场的机制砂，岩性为变质砂岩，机制砂洁净、干燥、无风化、无杂质，与沥青有良好的粘结能力。细集料技术指标见表3。

表3 细集料技术指标

1.3 矿粉和纤维

沥青混合料的填料宜采用石灰岩等憎水性石料经磨细得到的矿粉，矿粉要求干燥、洁净，其技术指标见表4所示。纤维采用玄武岩纤维，纤维长度3mm。

表4 矿粉技术指标

2 SMA-8沥青混合料配合比设计

2.1 级配选定

在进行SMA-8沥青混合料目标配合比设计时，重点考虑沥青混合料的抗高温性能、抗水损害的能力，并结合广东省内已有的经验，采用最优方案。工程设计级配范围参照《高性能经济型薄层处治技术设计施工技术指南(SMA-8)》的矿料级配范围。根据规范在级配范围内适配3组不同的矿料级配A、B、C作为初选级配。级配A的掺配比例为：5～10mm∶0～3mm∶矿粉=69.5%∶20.5%∶10%；级配B的掺配比例为：5～10mm∶0～3mm∶矿粉=72%∶18%∶10%；级配C的掺配比例为：5～10mm∶0～3mm∶矿粉=74.5%∶15.5%∶10%。见表5、图1。

图1 SMA-8沥青混合料矿料级配曲线

表5 SMA-8 的A、B、C 三组合成矿料级配

选择6.3%作为初试油石比，进行马歇尔试验。3组级配成型温度为170～180℃，玄武岩纤维的掺量为沥青混合料的0.3%；对3 组级配的粗集料骨架(以2.36mm 为界)的松装间隙率进行测定，结果见表6和表7。根据混合料空隙率、矿料间隙率与沥青饱和度试验结果，选择C级配进行试验。

表6 不同设计级配及计算油石比的马歇尔试验结果

表7 三组合成矿料级配的VCAmix～VCADRC

2.2 最佳油石比

根据选定C级配，以 6.4%、6.4%±0.3%进行马歇尔击实试验，成型温度为170～180℃。试验结果详见表8。根据沥青混合料空隙率试验结果分析，则选取沥青油石比6.4%进行谢伦堡析漏损失、肯塔堡飞散损失试验。选取沥青油石比6.4%所测马歇尔指标、析漏损失、飞散损失试验指标均满足《高性能经济型薄层处治技术设计施工技术指南(SMA-8)》沥青混合料技术要求。

表8 SMA-8沥青混合料试验结果

3 SMA-8沥青混合料高温稳定性研究

3.1 车辙试验

考虑到广东省夏季炎热，且本路段属于特重交通等级，以级配C、6.4%为最佳油石比对SMA-8沥青混合料进行60℃、70℃和80℃的车辙试验，玄武岩纤维掺量分别为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，试验结果如表9、图10。

表9 不同纤维掺量车辙试验结果

图2 不同纤维掺量SMA-8沥青混合料车辙试验结果

通过对比三个不同试验温度的动稳定度可知，SMA-8沥青混合料在60℃、70℃和80℃下的动稳定度均大于2500次/mm，表现出良好的抵抗车辙能力；虽减小了集料最大公称粒径，粗集料之间仍可形成良好的嵌挤作用，高温抗车辙能力强；试验温度升高至70℃和80℃，动稳定度有所衰减，尤其试验温度从70℃升温至80℃，SMA-8沥青混合料高温抗变形能力随着温度升高而逐渐降低，且降幅较大。

在不同试验温度下，当纤维掺量为0.3%时，动稳定度值最大。随着纤维掺量增加，动稳定度随之减小。在60℃时，0.4%纤维掺量SMA-8沥青混合料动稳定度较0.3%纤维掺量动稳定度降低16.8%，0.5%纤维掺量动稳定度较0.3%纤维掺量动稳定度降低29.4%。纤维掺量越大，SMA-8沥青混合料动稳定度越小，高温稳定性越差，抵抗车辙能力越差。降低纤维掺量时，60℃试验时0.2%纤维掺量的动稳定度较0.3%纤维掺量动稳定度降低14.0%。70℃和80℃试验结果同60℃试验结果变化规律相同，均随着纤维掺量的增加，动稳定度先增大后减小，纤维掺量为0.3%时，动稳定度值最大。

3.2 单轴贯入试验

单轴贯入试验的原理是在圆柱体试件上利用小直径钢压头进行加压，通过施压过程中周边材料对受压部分形成侧向约束，来模拟实际路面上围压对沥青混合料的影响。设定试验温度为60℃，加载速率为1mm/min[4-5]，试验结果如表10、图3所示。

表10 单轴贯入试验结果

图3 不同纤维掺量SMA-8沥青混合料单轴贯入试验结果

由表10和图3可知，SMA-8沥青混合料贯入强度大小结果为：0.3%纤维掺量>0.4%纤维掺量>0.2%纤维掺量>0.5%纤维掺量，两种高温性能试验结果存在相同之处，即纤维掺量超过一定量时容易引发团聚效应，致使沥青混合料高温稳定性能下降。

适量掺加纤维可以显著提高SMA-8沥青混合料的高温稳定性能，掺量高于或低于最佳掺量，高温性能均会降低。掺入过量纤维容易结团，不易分散开，影响混合料均匀性。掺入少量纤维，使得SMA-8沥青混合料中沥青增多，易发生析漏，有效玛蹄脂数量不足，空隙率增大，降低混合料性能。

4 结论

(1)SMA-8沥青混合料在60℃、70℃和80℃下的动稳定度随试验温度升高而降低，尤其试验温度从70℃升温至80℃，SMA-8沥青混合料高温抗变形能力随着温度升高而逐渐降低，且降幅较大。

(2)70℃和80℃试验结果同60℃试验结果变化规律相同，均随着纤维掺量的增加，动稳定度先增大后减小，纤维掺量为0.3%时，动稳定度值最大。

(3)SMA-8沥青混合料单轴贯入强度大小结果为：0.3%纤维掺量>0.4%纤维掺量>0.2%纤维掺量>0.5%纤维掺量，两种高温性能试验结果存在相同之处，适量掺加纤维可以显著提高SMA-8沥青混合料的高温稳定性能，掺量高于或低于最佳掺量，高温性能均会降低。