不同形态纤维对SMA-13 路用性能影响试验研究

陈闯闯CHEN Chuang-chuang；吴帮伟WU Bang-wei；刘永涛LIU Yong-tao；蒋承志JIANG Cheng-zhi；王鑫WANG Xin

（扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225000）

0 引言

随着我国交通运输业的飞速发展，交通量急剧增大，且重载和超载现象日益严重，沥青路面出现了大量的病害，如裂缝、车辙、坑槽等。为了改善沥青混合料的路用性能，延长沥青路面的使用寿命，国内外学者提出了不同的解决方案，匡民明[1]、吴俊婷[2]、WEN Y[3]、锁利军[4]等通过添加废橡胶粉、聚合物、天然橡胶和纳米材料等对沥青进行改性，来提高沥青的粘度，从而改善沥青混合料的性能，但改性剂与基质沥青间的相容性存在一定的限制，使其对沥青的改性效果存在上限；邓乃铭[5]等通过优化路面结构设计来延长沥青路面的使用寿命，但这种方法在推广前往往需要经过长时间的理论、试验和工程验证；丁皓[6]、Morea F[7]、Tapkin[8]、王玉林[9]等在沥青混合料中掺入纤维来提高其内部的粘结力，增强整体性能。以上方法对改善沥青路面性能，延长沥青路面使用寿命均有较好的效果，在沥青混合料中掺入纤维的方法较为突出，应用广泛，并且有多种纤维可供选择。现阶段对纤维的研究主要集中在纤维的种类、纤维的长度、某种纤维的掺量等，纤维的形态对沥青混合料的性能影响的研究较少。

基于此，本文选取木质素纤维（絮状和颗粒状）和玄武岩纤维（束状和絮状）加入SMA-13 沥青混合料中，通过车辙试验、低温小梁试验、IDEAL 开裂试验和冻融劈裂试验评价不同形态的纤维对SMA-13 沥青混合料路用性能的影响。

1 原材料

①本研究选用型号为PG76-22 的SBS 改性沥青，其主要技术性能指标见表1[10]。

表1 SBS 改性沥青主要技术性能

②选用的纤维有絮状木质素纤维（FLF，见图1a）、颗粒状木质素纤维（GLF，见图1b）、束状玄武岩纤维（BBF，见图1c）和絮状玄武岩纤维（FBF，见图1d），其技术指标均满足《沥青路面用纤维》（JT/T 533-2020）[11]。

图1 纤维的宏观图像

③集料采用玄武岩和石灰岩，矿粉采用石灰岩矿粉，其技术指标均满足《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）[12]。

2 试验方案设计

2.1 混合料类型

本文选用SMA-13 沥青混合料，通过掺加纤维获取4种纤维沥青混合料。试验方案见表2。

表2 试验方案

2.2 配合比设计

SMA-13 沥青混合料级配曲线见图2，马歇尔试验结果见表3。

图2 SMA-13 设计级配曲线

表3 马歇尔试验结果

2.3 试验方法

试验（1）、（2）和（4）参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），试验（4）参照ASTM D8225-2019 中的相关规范[13]。

①车辙试验（T 0719-2011）。

将长300mm×宽300mm×厚50mm 的车辙板至于60℃环境下保温5h 后，在0.7MPa 轴载的车辙试验机上进行车辙试验，见图3。

图3 车辙试验

②低温小梁弯曲试验（T 0715-2011）。

将车辙板切割成尺寸250mm×30mm×35mm 的试样，将试样置于UTM-25 试验机上进行加载试验，环境温度为-10℃，试验机的加载速率为50mm/min，见图4。

图4 低温小梁弯曲试验

③IDEAL 试验。

在25℃的试验环境下，将旋转压实成型的试件（直径150mm，高62mm）置于UTM-25 试验机上进行IDEEAL 开裂试验，加载速率为50mm/min，见图5。

图5 IDEAL 试验

④冻融劈裂试验（T 0729-2000）。

马歇尔试件双面击实50 次，第一组试件进行常规劈裂强度测试，第二组试件进行-18℃保温16h+60℃浸泡24h 的冻融处理后再测试劈裂强度，并计算冻融劈裂强度比，见图6。

图6 冻融劈裂试验

3 试验结果分析

3.1 车辙试验结果分析

如图7 所示，玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度普遍高于木质素纤维沥青混合料，说明玄武岩纤维沥青混合料的高温稳定性优于木质素纤维沥青混合料，这是因为玄武岩纤维相比木质素纤维有更好的物理性能、力学性能和抗拉性能。由于絮状木质素纤维吸油率高且拌合过程加筋效果好，絮状木质素纤维沥青混合料的动稳定度比颗粒状木质素纤维提高了8.8%，这表明不同形态的木质素纤维对沥青混合料的高温稳定性具有一定的影响。而玄武岩纤维的形态对沥青混合料高温稳定性的影响则不大。

图7 沥青混合料高温车辙试验测试结果

3.2 低温小梁试验结果分析

如表4 所示，从弯拉强度的角度来看，玄武岩纤维沥青沥青混合料的抗弯拉强度比木质素纤维沥青混合料提高了约5.7%~7.7%，原因是玄武岩纤维具有较好的抗拉伸能力，在沥青混合料中主要起“加筋”作用，可以更好的分散应力，从而提升沥青混合料的抗开裂能力；而木质素纤维主要起吸附稳定作用，抗拉能力低。FLF SMA-13 沥青混合料的最大弯拉应变比GLF SMA-13 沥青混合料提高了3.1%，絮状木质素纤维的吸油率大于颗粒状木质素，絮状木质素纤维沥青混合料的油石比相对较高，使得絮状木质素纤维沥青混合料中的油膜含量较大，对混合料的老化起到了一定的阻止作用，在很大程度上降低了混合料对温度的敏感性[14]。

表4 沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

3.3 IDEAL 试验结果分析

IDEAL 试验中，通常将开裂指标CTIndex作为评价沥青混合料的抗裂指标，如图8 所示，玄武岩纤维沥青混合料的开裂指标明显大于木质素纤维沥青混合料，说明玄武岩纤维的抗开裂性能更好，这是因为玄武岩纤维本身良好的抗拉能力能有效增强沥青混合料裂缝的发展，表现出较好的增韧阻裂效果。不同形态的木质素纤维沥青混合料的抗开裂指标差距较大，达到了17.9%，主要是因为絮状木质素纤维沥青混合料“拉丝”现象较为明显，其“加筋”效果好于颗粒状木质素纤维沥青混合料，由此抵抗裂缝的能力更好。而束状玄武岩纤维沥青混合料的开裂指标比絮状玄武岩纤维沥青混合料仅提升了4.6%，说明不同形态的玄武岩纤维对沥青混合料的抗开裂性能影响不大。

图8 沥青混合料开裂指标测试结果

3.4 冻融劈裂试验结果分析

冻融劈裂强度比是评价沥青混合料抵抗水损坏能力的关键指标，如图9 所示，不同纤维沥青混合料的劈裂强度比均大于规范要求的80%，整体来说，玄武岩纤维沥青混合料的水稳定性较好，但提升效果不明显，其劈裂强度比比木质素纤维沥青混合料仅提升了1.4%~3.4%。同样的不同形态的木质素纤维沥青混合料和不同形态的玄武岩纤维沥青混合料的劈裂强度比相差也不大，仅为0.9%和1.1%。这说明无论是纤维的种类还是纤维的形态对沥青混合料的水稳定性影响不大。

图9 沥青混合料冻融劈裂试验测试结果

4 结语

①玄武岩纤维对SMA-13 沥青混合料路用性能的改善效果优于木质素纤维沥青混合料，主要体现在高温稳定性、低温抗裂性、中温抗开裂性、水稳定性以及动态模量上。②在高温稳定性和中温抗开裂性方面，木质素纤维的形态对沥青混合料的影响较大，对低温抗裂性和水稳定性的影响不大。而玄武岩纤维的形态对沥青混合料的性能基本没有影响。③木质素纤维的形态对沥青混合料性能有一定的影响，玄武岩纤维的形态对沥青混合料的影响不大。