SMA瀝青混合料是由改性瀝青、素纖維穩(wěn)定劑、礦粉及少量的細(xì)集料組成的瀝青瑪蹄脂填充間斷級(jí)配的粗集料骨架間隙而形成的嵌擠密實(shí)型瀝青混合料，具有抗車轍、抗裂、抗滑、不透水及耐久性等優(yōu)點(diǎn)。
在瀝青混合料中摻入木質(zhì)素纖維具有多重作用。首先，纖維分散于混合料中，能增強(qiáng)材料的整體性，起加筋作用；其次，纖維能避免瀝青和礦粉大量結(jié)合形成不均勻膠團(tuán)，起分散膠團(tuán)作用；再者，纖維具有吸油效果，不僅能夠防止瀝青析漏，而且能夠因增加瀝青用量而提高混合料的耐久性。在夏季，纖維還能吸收流動(dòng)瀝青，起到防止泛油和提高混合料高溫穩(wěn)定性能的作用。
以往工程中通常采用普通木質(zhì)素纖維，但它在實(shí)際使用中存在一些不足：(1)普通木質(zhì)素纖維的松密度約為10~40g/L，極易受擠壓和堆放的影響，浮動(dòng)范圍最大可達(dá)300%以上，因而會(huì)影響到纖維分散的均勻性；(2)纖維體積大，吸水性較強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間存放則容易受潮，造成纖維失效；(3)部分瀝青被木質(zhì)素纖維的中空管道吸收，成為無(wú)效瀝青，影響其經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，由于重載交通的影響，以往鋪筑的SMA路面可能在夏季出現(xiàn)高溫車轍病害，這說(shuō)明SMA的高溫性能僅僅滿足規(guī)范是不夠的，需要達(dá)到更高的要求。
為了改善普通木質(zhì)素纖維SMA存在的不足，本研究采用了一種新型木質(zhì)素纖維。這種纖維為圓柱狀顆粒，松密度大，且密度浮動(dòng)不超過(guò)10%，顆粒進(jìn)入拌缸后能在混合料中有效、快速、均勻地分散，形成三維立體網(wǎng)絡(luò)。該纖維經(jīng)過(guò)預(yù)先加工處理，使得瀝青能更多地吸附于纖維表面，從而增加有效瀝青含量，減少用油量。作為對(duì)比，為了改善SMA的高溫性能，本研究采用SMA-13級(jí)配，分別在混合料中摻加普通木質(zhì)素纖維、新型木質(zhì)素纖維以及普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑。通過(guò)車轍試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)新材料對(duì)SMA的性能影響。
主要材料性能指標(biāo)
本研究采用I-C型SBS改性瀝青。集料選用石灰?guī)r，礦粉為磨細(xì)的憎水性石灰?guī)r。SMA摻加材料包括：普通木質(zhì)素纖維、新型木質(zhì)素纖維和抗車轍劑。
SMA-13配合比設(shè)計(jì)
礦料級(jí)配設(shè)計(jì)
根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的SMA-13級(jí)配上限以及下限，調(diào)整各檔礦料比例，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。以4.75mm為關(guān)鍵性篩孔，將4.75mm篩孔通過(guò)率控制在23%、27%、31%等3個(gè)水平，將0.075mm篩孔通過(guò)率控制在10%，由此設(shè)計(jì)A、B、C等3種配合比。
纖維摻加方案確定
結(jié)合工程實(shí)際中SMA的纖維摻量，本研究確定了以瀝青混合料質(zhì)量百分率為指標(biāo)的3種材料摻加方案：0.3%普通木質(zhì)素纖維、0.3%新型木質(zhì)素纖維、以及0.3%普通木質(zhì)素纖維+0.4%抗車轍劑。
級(jí)配與油石比確定
根據(jù)以往瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定初試油石比，控制試驗(yàn)成型溫度為(165±5)℃，雙面各擊實(shí)50次制作馬歇爾試件，對(duì)設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行性能檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了最佳級(jí)配方案為B。同時(shí)，得到了3種材料摻加方案的最佳油石比。
可以看出，3種方案下的混合料馬歇爾性能均滿足設(shè)計(jì)要求。相比普通木質(zhì)素纖維SMA瀝青混合料，采用新型木質(zhì)素纖維的SMA最佳油石比有所降低。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑SMA混合料的最佳油石比有所提高。從穩(wěn)定度來(lái)看，相比普通木質(zhì)素纖維SMA，采用新型木質(zhì)素纖維、普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑的SMA穩(wěn)定度值分別提高了30%和40%，表明這兩種新方案均可以對(duì)普通SMA的強(qiáng)度起到改善作用。
路用性能對(duì)比
按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》所規(guī)定的要求制做相應(yīng)試件，通過(guò)高溫車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及低溫小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行路用性能測(cè)試，并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。
高溫性能試驗(yàn)
按照SMA-13設(shè)計(jì)配合比拌制瀝青混合料，將拌和好的瀝青混合料倒入300mm×300mm×50mm的試模中，在輪碾機(jī)上進(jìn)行碾壓，先在一個(gè)方向上碾壓4次，然后將試件調(diào)轉(zhuǎn)方向，施加相同的荷載直至達(dá)到規(guī)定密實(shí)度。將碾壓完畢的試件在常溫下養(yǎng)生，而后在60℃的環(huán)境下放置不少于5h，最后啟動(dòng)車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)。
可以看出，普通木質(zhì)素纖維SMA的動(dòng)穩(wěn)定度為4205次/mm，高溫性能滿足規(guī)范的要求但并不突出。新型木質(zhì)素纖維SMA的動(dòng)穩(wěn)定度為11035次/mm，相比普通木質(zhì)素纖維SMA高溫性能提高了162%，而普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑SMA的動(dòng)穩(wěn)定度為12404次/mm，相比普通木質(zhì)素纖維SMA高溫性能提高了195%。
試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，普通木質(zhì)素纖維SMA瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最低，采用新型木質(zhì)素纖維和普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑均能大幅提高SMA瀝青混合料高溫性能，它們對(duì)性能的改善效果相近，且普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑略優(yōu)。
水穩(wěn)定性能試驗(yàn)
根據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，通過(guò)雙面各擊實(shí)50次成型馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)。采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性，得到馬歇爾殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度作為水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
可以看出，摻加3種不同材料的SMA瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)均能滿足規(guī)范的要求。對(duì)比殘留穩(wěn)定度，普通木質(zhì)素纖維SMA為85.3%，新型木質(zhì)素纖維與普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質(zhì)素纖維SMA相比提高幅度分別為1%和6.9%。對(duì)比劈裂強(qiáng)度比，普通木質(zhì)素纖維SMA為82.1%，新型木質(zhì)素纖維與普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質(zhì)素纖維相比提高幅度分別為0.4%和5.1%。
通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新型木質(zhì)素纖維SMA瀝青混合料在殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度方面與普通木質(zhì)素纖維瀝青混合料差別不大，說(shuō)明這種新型木質(zhì)素纖維材料對(duì)SMA的水穩(wěn)定性影響不顯著。當(dāng)混合料中摻入普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑時(shí)，其殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度較普通木質(zhì)素纖維瀝青混合料都有一定提高，說(shuō)明抗車轍劑能使常規(guī)SMA路面材料的水穩(wěn)定性得到改善。
低溫性能試驗(yàn)
試件采用切割車轍板制成(250±2.0)mm×(30±2.0)mm×(35±2.0)mm的棱柱體梁式試件，跨徑為(200±0.5)mm。試驗(yàn)環(huán)境箱為-10℃的UTm伺服機(jī)，試件在試驗(yàn)前保溫4h，對(duì)小梁采用50mm/min的加載速率直至破壞。在試驗(yàn)中可以記錄小梁發(fā)生破壞時(shí)所能承受的最大荷載以及此時(shí)的跨中撓度變形。并通過(guò)公式求得抗彎拉強(qiáng)度RB(MPa)、最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖(με)以及彎曲破壞勁度模量SB(MPa)。
可知，對(duì)比幾種不同的材料摻加方式：從抗拉強(qiáng)度來(lái)看，普通木質(zhì)素纖維SMA為6.59MPa，新型木質(zhì)素纖維與普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質(zhì)素纖維SMA相比提高幅度分別為36%和30%。從最大彎拉應(yīng)變來(lái)看，普通木質(zhì)素纖維SMA為3092με，新型木質(zhì)素纖維與普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑的SMA與普通木質(zhì)素纖維SMA相比提高幅度分別為22%和25%。
總體來(lái)看，相比普通木質(zhì)素纖維SMA瀝青混合料，其他兩種方案都具有更高的抗彎拉強(qiáng)度，在低溫條件下能承受更大的應(yīng)力。同時(shí)最大彎拉應(yīng)變也明顯提高，能夠抵抗更大的材料溫縮變形。但相對(duì)而言，新型木質(zhì)素纖維SMA能在低溫下承受更大的彎拉應(yīng)力，而普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑SMA能夠承受更大的低溫應(yīng)變。由于目前研究普遍認(rèn)為，路面材料的低溫破壞主要是其無(wú)法承受較大的溫縮變形而被拉斷，因此，普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能更優(yōu)。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)研究，對(duì)比了不同的材料摻加方案下SMA-13瀝青混合料的路用性能，可以得到以下結(jié)論。
(1)本研究所研究的3種SMA瀝青混合料馬歇爾性能均滿足設(shè)計(jì)要求，與普通木質(zhì)素纖維SMA相比，新型木質(zhì)素纖維SMA的最佳油石比降低。普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑SMA的最佳油石比升高。
(2)普通木質(zhì)素纖維SMA瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最低，與之相比，新型木質(zhì)素纖維SMA的動(dòng)穩(wěn)定度提高了162%，普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑SMA的動(dòng)穩(wěn)定度提高了195%，表明兩種新材料均能大幅提高SMA的高溫穩(wěn)定性。
(3)新型木質(zhì)素纖維對(duì)SMA瀝青混合料水穩(wěn)定性影響不顯著。當(dāng)采用普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑的摻加方式時(shí)，路面材料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度較普通木質(zhì)素纖維SMA分別提高5.9%和6.1%，表明抗車轍劑能改善路面材料的水穩(wěn)定性。
(4)與普通木質(zhì)素纖維SMA瀝青混合料相比，其他兩種方案都具有更好的低溫性能，在最大彎拉應(yīng)變方面，新型木質(zhì)素纖維與普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑的SMA和普通木質(zhì)素纖維SMA相比提高幅度分別為22%和25%，表明兩種新材料都能改善SMA的低溫抗裂性能。
(5)普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑能夠全面提高SMA的路用性能，新型木質(zhì)素纖維除水穩(wěn)定性外，對(duì)SMA高溫、低溫性能的提高效果與普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑基本相當(dāng)。
