摘要：本文主要从原材料技术要求、木质素纤维优选、配合比设计、现场施工工艺几方面阐述两种木质素纤维在SMA-13沥青路面应用对比分析。
关键词：絮状；颗粒状木质素纤维；SMA-13配合比设计；沥青混合料路用性能
1 概述
SMA是一种由沥青、纤维稳定剂、少量的细集料和大量矿粉组成的沥青混合料。它的特点是：较多的粗集料互相嵌锁形成高稳定抗变形能力的结构骨架；细集料、矿粉、沥青和纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂将骨架胶结在一起，并填充骨架空隙，使混合料具有较好的柔韧性和耐久性。SMA以其优良的抗车辙性能和抗滑性能而闻名于世。第一条SMA路面始建于60年代中期的德国。随着我国经济的不断发展，SMA已经成为经济发达省份高速公路典型沥青路面材料。沥青玛蹄脂碎石混合料尤其对高温抗车辙能力、低温抗裂性能、耐疲劳性能、水稳定性等各种路用性能大幅度提高。
配合比设计是路面施工质量的关键环节，优质原材料的选用决定了路用性能的耐久性。本文依托四川仁沐新高速公路LM3标，设计沥青上面层结构类型：4cm改性沥青马蹄脂碎石SMA-13。针对优质原材料选用、配合比设计、絮状和颗粒状纤维在SMA沥青玛蹄脂碎石路面应用进行阐述。
2 沥青玛蹄脂碎石SMA-13原材料选用
2.1 粗集料
SMA高温稳定性是基于粗集料之间的嵌挤作用，在很大程度上取决于集料石质的坚固性、颗粒形状和表面粗糙度。因此集料的高温压碎值和粒形及粗糙度很关键，由粗集料形成的骨架在受到外力作用时具有较高的稳定性和抵抗外部破坏的能力。粗集料选用沐川恒安矿业有限公司生产的10~15mm、5~10mm玄武岩碎石，集料与沥青的黏附性达到5级。
表1 粗集料主要技术指标检测结果
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2.2细集料
细集料选用玄武岩碎石加工而成的0~3mm机制砂，具有嵌挤性好，颗粒饱满，且小于0.075mm的颗粒粉含量低的要求。
表2 细集料主要技术指标检测结果
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2.3 填料
矿粉在SMA沥青混合料中占比达10%，其作用至关重要，矿粉本身要有棱角和粗糙性，沥青只有吸附在矿粉表面形成薄膜，才能对其它粗、细集料产生粘附作用。矿粉选用沙湾区新盛矿产品生产的石灰岩磨细的矿粉。
表3 矿粉主要技术指标检测结果
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2.4 沥青
SBS改性沥青采用昆仑牌70号A级石油沥青，掺加5%湖南岳阳YH-791H（SBS1301-1）热塑性丁苯橡胶加工而成，SBS改性沥青中路用性能等级满足PG76-22技术要求。
表4 沥青主要技术指标检测结果
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2.5木质素纤维在SMA中的作用
木质素纤维是由天然针叶木浆纸经过化学处理得到的有机纤维。纤维微观结构是带状弯曲扁平的，表面不平多孔，具有良好的韧性、分散性和化学稳定性，吸油能力强，有非常好的抗裂性能。沥青路面混合料中加入木质素纤维后，可有效地提高混合料的高温稳定性并降低轮胎的磨耗。
2.5.1 吸附作用
纤维能增加沥青与矿粉的粘附性，大大提高沥青玛蹄脂的粘度，加强集料间的粘结能力，起到增强沥青混合料的作用
2.5.2 加筋作用
纤维在沥青混合料中形成三维网筋。在低温情况下，有一定程度的抗开裂作用。
2.5.3稳定作用
纤维能稳定沥青膜。在高温时，纤维内部空间吸持了部分受热膨胀的沥青，不致成为自由沥青，从而防止泛油，提高了高温稳定性。
2.5.4分散作用
颗粒状木质素纤维具有良好的分散性，它能使沥青、矿粉等组份在混合料中均匀分散。防止形成胶团状物质而导致的路面油斑。
2.5.5 增稠作用
颗粒状木质素在沥青混合料中通过纤维表面对沥青的吸附作用，吸持住更多的沥青。使得集料表面形成更厚的沥青结构膜，提高混合料的耐久性。
2.6木质素纤维稳定剂选用
试验室通过对多家颗粒状纤维与䋈状纤维检测比选，以下为两种不同纤维主要技术指标检测结果。
表5 两种木质素纤维主要技术指标检测结果
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3 配合比设计
沥青混合料的配合比设计是路面施工过程中最重要的工作之一，配合比的适用性直接影响整个沥青路面质量的好坏。依据设计文件及《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求，项目沥青及沥青混合料气候分区属于I-4-I区（夏炎热冬温潮湿区）。考虑到当地气候条件、山区爬坡弯道路段多等特点，首先设计级配降低4.75mm的通过率，加强粗集料在沥青混合料中的骨架嵌挤作用；其次设计合理油石比，努力实现通过增大压实功来减小路面空隙率，提高路面抗车辙能力；最后通过试铺，根据现场各种指标检测验证生产配合比的准确性和合理性。
3.1 选定设计级配
初选三种级配（上、中、下），4.75mm筛孔通过率分别为24.6%、27.0%、30.2%，三种级配组成见表6。
表6 三种级配的设计组成结果
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分别测定三种级配的VCADRC，按沥青用量6.0%制作试件，测定VCAMIX及VMA等指标，在满足VCAMIX<VCADRC及VMA>16.5%的基础上确定级配，测试结果见表7
表7 马歇尔试验物理-力学指标试验结果
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根据VCAMIX<VCADRC及矿料间隙率VMA>16.5%的要求，粗集料骨架分界（4.75mm）集料通过率大且VMA较大，综合选择2#矿料级配作为设计级配。
3.2 确定最佳沥青用量
根据所选初试级配和初试油石比试验的空隙率结果，使用絮状和颗粒状纤维分别进行马歇尔试验，以0.3%为间隔，调整3个不同的油石比分别做马歇尔试验，测定试件密度并计算空隙率，沥青饱和度、矿料间隙率物理指标进行体积分析，测定马歇尔稳定度等物理力学性质。确定最佳油石比为6.0%，絮状纤维掺量为沥青混合料0.3%，颗粒状纤维掺量为沥青混合料0.4%。
表8 两种不同纤维马歇尔试验物理-力学指标试验结果
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3.3 沥青混合料路用性能验证
按最佳油石比为6.0%对两种木质素纤维分别进行沥青混合料高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性能检验、密水性能等路用性能指标检验。
表9 两种不同纤维沥青混合料路用性能指标
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4 絮状、颗粒状木质素纤维优劣对比
4.1投放、拌和工艺方面
拌和SMA混合料时必须采用计量准确的专用的纤维稳定剂投料装置，纤维必须在混合料中充分分散，拌合均匀。沥青混合料拌和时间应以混合料拌和均匀、纤维分布均匀、所有矿料颗粒全部裹覆沥青结合料为度。
絮状纤维采用吹送计流量进行添加，因易受潮分散性差吹送计量误差比较大，容易造成一车沥青混合料中有缺纤维油量大，也有纤维过多混合料干涩发乌情况。并且絮状纤维经吹送容易粘附在搅拌缸壁上，在搅拌过程中会悬浮在混合料上方，实际用于沥青混合料的纤维减少；絮状纤维吹送至纤维完全加入拌缸中需要干拌时间15s，喷入沥青湿拌时间较一般沥青混合料增加不少于5s，总的拌时间不少于65s。
颗粒状纤维在加工时使纤维表面涂覆上沥青层的同时纤维本身并未被沥青所浸透，可减少粒料损伤，工厂加工的颗粒状纤维密度均匀，使用机械自动称重计量准确，可直接投入拌缸与矿料同时加入干拌10s，湿拌时间不用增加。颗粒状木质素纤维在造粒时充分保护每根纤维，在拌和时通过与矿料充分接触，相当于已经预先分散，生产出来的沥青混合料均匀无结团和易性好，在提高拌合楼产能的同时也能保证路面均匀美观。
4.2施工工艺方面
由于含有沥青层的颗粒状纤维不易受潮、吸油率稳定，沥青混合料在摊铺过程中基本上没有出现油斑，减少了施工难度。摊铺碾压成型后的路面基本上呈黑亮色，而且整个过程路面颜色保持一致，表面均匀构造清析，增强沥青混合料的耐久性，也保证了路面整体均匀性和平整度。
絮状纤维由于易吸潮且投放预分散效果差，在拌和过程中会出现结团和缺纤维情况，摊铺过程中经常会出现片状及带状油斑，摊铺面和碾压区一直要安排工人对油斑进行铲除修补工作，增加了施工难度。且成型路面颜色不均、表面有油斑粘连现象，也有比较干涩发乌现象。
4.3环保及储存
絮状纤维投放时需要工人拆包预打散，粉尘大易扬尘，对工人造成建康隐患。絮状纤维容易受潮，在南方雨季施工时不易储存，受潮结团的纤维搅拌不均给沥青混合料质量带来了一定风险，且絮状纤维易燃，在储存上有安全隐患；颗粒纤维配料更合理，纤维表面的沥青涂层可以有效地保护其中的纤维不受外界潮气影响，从而避免了纤维受潮结团现象，且颗粒纤维不易燃，更利于大量储存保证施工需求。
4.4 现场检测性能指标
仁沐新LM3标在铺筑上面层试验段时使用絮状纤维和颗粒状纤维各铺了500m，从现场铺筑外观及检测指标来看，掺配颗粒纤维的SMA沥青混合料性能更稳定，路面黑亮、高温稳定性及路面抗滑性优于絮状纤维，检测结果如下表：
表11 两种不同纤维SMA路面检测指标
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5 结语
（1）通过试验检测，颗粒状木质素纤维沥青混合料与絮状木质素纤维沥青混合料水稳定性接近，其高温性能和低温性能优于絮状纤维沥青混合料；
（2）颗粒纤维在吸油率上略低于絮状纤维，施工中沥青用量可略低于絮状纤维0.2%，虽然颗粒纤维油石比较小，但由于颗粒状木质素纤维中所含有的沥青或造粒剂使得路面相对絮状木质素纤维SMA路面光泽度更明显，路面构造清析抗滑性能好；
（3）综合进行经济性能指标分析，颗粒状木质素纤维价格虽然偏高，考虑到其施工质量的稳定性、路面耐久性，运营期降低路面维修费用，在SMA沥青玛蹄脂施工中使用优质的颗粒状木质素纤维做为稳定剂更利于保证工程质量。
参考文献：
[1]黄彭 木质素纤维在沥青混合料中的应用研究[J].石油沥青.1998（12）
[2]孙雅珍 新型木质素纤维增强沥青路面的研究.华东公路，2002
论文作者:张丽敏
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30
标签：沥青论文; 纤维论文; 颗粒状论文; 木质素论文; 絮状论文; 路面论文; 性能论文; 《基层建设》2020年第2期论文;