納米改性瀝青混合料路用性能

孫 璐 辛憲濤 任皎龍

(1東南大學(xué)交通學(xué)院,南京 210096)(2美國(guó)天主教大學(xué)土木工程系,華盛頓 20064)

近年來(lái),我國(guó)公路交通事業(yè)迅速發(fā)展,為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn).但隨著交通量的增加、車(chē)輛軸載的增大以及渠化交通的形成,瀝青路面的病害問(wèn)題也越發(fā)突出,部分高等級(jí)公路甚至在開(kāi)放交通幾年內(nèi)即出現(xiàn)車(chē)轍、泛油、開(kāi)裂等損壞現(xiàn)象.車(chē)轍是這些病害中問(wèn)題最尖銳、危害最嚴(yán)重的一種.通過(guò)瀝青改性以提高瀝青混合料路用性能(尤其是抗車(chē)轍性能)已成為道路工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).聚合物改性瀝青可增強(qiáng)瀝青路面的抗病害能力,提高其服務(wù)水平,從而成為瀝青改性的主流,然而,研究中仍存在一些難以解決的問(wèn)題,如聚合物價(jià)格昂貴、加工難度大、與瀝青相容性差等.因此,有必要開(kāi)發(fā)一種高溫性能優(yōu)良、性價(jià)比高的新型改性瀝青混合料.

瀝青路面的宏觀路用性能是由路面材料組成的微結(jié)構(gòu)所決定的.將納米材料應(yīng)用于瀝青路面,具有極大的潛在價(jià)值和收益前景.納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100 nm)內(nèi)或以它們作為基本單元構(gòu)成的材料,其按維數(shù)可以分為:① 零維納米材料,如納米粒子;② 一維納米材料,如碳納米管;③ 二維納米材料,如納米層狀硅酸鹽;④ 三維納米材料,如智能金屬等納米塊體[1-2].已有研究[3-8]表明:基質(zhì)瀝青經(jīng)納米材料(零維納米SiO2與二維納米材料膨潤(rùn)土共混)改性后,其綜合路用性能(尤其是高溫性能)得到明顯提升.同時(shí),伴隨著納米材料工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn),這種材料較傳統(tǒng)改性劑具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì),從而為其廣泛應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)[1-2].

在前期研究的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步探討了納米改性瀝青應(yīng)用于瀝青混合料中的可行性與可靠性.試驗(yàn)采用6種瀝青結(jié)合料制備瀝青混合料,分別以車(chē)轍試驗(yàn)和SPT試驗(yàn)評(píng)價(jià)其高溫性能,以低溫彎曲破壞試驗(yàn)和低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其低溫性能,以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性.

1 原材料與礦料級(jí)配

本文試驗(yàn)中采用了以下6種不同類(lèi)型瀝青結(jié)合料:70#基質(zhì)瀝青(記為基質(zhì))、SBS改性瀝青(記為SBS)、70#基質(zhì)瀝青+1%納米SiO2(記為改性A)、70#基質(zhì)瀝青+5%膨潤(rùn)土(記為改性B)、70#基質(zhì)瀝青+1%納米SiO2+5%膨潤(rùn)土(記為改性C)、70#基質(zhì)瀝青+1%納米SiO2+5%膨潤(rùn)土+5% SBS(記為改性D),其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.這6種瀝青混合料均采用花崗巖制備,其礦料級(jí)配見(jiàn)表2[9].馬歇爾配合比設(shè)計(jì)的最佳油石比分別為4.8%,5.1%,5.4%,5.2%,5.5%,5.7%.

表1 各類(lèi)型瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 礦料級(jí)配 %

2 路用性能

2.1 高溫性能

2.1.1 車(chē)轍試驗(yàn)

不同類(lèi)型瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出,改性A、改性B、改性C、改性D的動(dòng)穩(wěn)定度分別為基質(zhì)的1.60,1.56,1.77,3.56倍,說(shuō)明納米材料能明顯提高基質(zhì)瀝青混合料的抗車(chē)轍性能,其中又以改性D的效果最為明顯.另一方面,改性A、改性B、改性C的動(dòng)穩(wěn)定度與SBS相差不大,但改性D卻優(yōu)勢(shì)明顯,說(shuō)明納米材料還具有提升SBS改性瀝青高溫改性效果的功能.

2.1.2 SPT試驗(yàn)

美國(guó)NCHRP 465報(bào)告[5]將SPT試驗(yàn)定義為:對(duì)于不同交通和氣候條件,一種能夠準(zhǔn)確、可靠地測(cè)定瀝青混合料所引起相關(guān)路面損壞(例如開(kāi)裂或車(chē)轍)的響應(yīng)特性或參數(shù)的試驗(yàn)方法.SPT試驗(yàn)主要包括動(dòng)態(tài)模量E*、流變時(shí)間Ft和流變次數(shù)Fn三個(gè)指標(biāo),分別通過(guò)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和重復(fù)加載永久變形試驗(yàn)獲得.

動(dòng)態(tài)模量E*和動(dòng)態(tài)模量指標(biāo)K(K=E*/sinΦ,Φ為相位角)主要受試驗(yàn)溫度和加載頻率的影響,與荷載大小無(wú)關(guān).研究發(fā)現(xiàn),加載頻率為5,10 Hz時(shí),E*和K能夠有效區(qū)分瀝青混合料抗車(chē)轍性能的優(yōu)劣,且E*和K越大,混合料抗車(chē)轍性能越好[10-12].同時(shí),為了模擬瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境,動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)采用的試驗(yàn)條件如下:加載頻率為5,10 Hz,圍壓為138 kPa,溫度為60 ℃.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

流變時(shí)間Ft是指試件加載過(guò)程中軸向應(yīng)變最小變化率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間.Ft越小,說(shuō)明混合料越容易在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生車(chē)轍,即抗車(chē)轍性能越差.靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)條件如下:軸向壓力為0.7 MPa,圍壓為138 kPa,溫度為60 ℃.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果 s

流變次數(shù)Fn是指試件加載過(guò)程中永久軸向應(yīng)變最小變化率所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù).Fn越大,所對(duì)應(yīng)的車(chē)轍深度越小,即抗車(chē)轍性能越優(yōu).重復(fù)加載永久變形試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)條件與靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)相同,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

由表4和表5可以看出,不同類(lèi)型瀝青混合料的參數(shù)E*從大到小順序?yàn)?改性D,SBS,改性C,改性A,改性B,基質(zhì).K,Ft,Fn也存在相同的規(guī)律.其中,改性A、改性B、改性C和SBS四者相差不大.由此表明,改性D的抗車(chē)轍性能最優(yōu);改性A、改性B、改性C的抗車(chē)轍性能和SBS之間相差不大,但均優(yōu)于基質(zhì)瀝瀝青混合料,這與2.1.1節(jié)分析結(jié)果相同.

2.2 低溫性能

通過(guò)-10 ℃條件下的瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn),評(píng)價(jià)不同類(lèi)型瀝青混合料的低溫特性.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出,與基質(zhì)瀝青相比,改性D的破壞應(yīng)變較大而勁度模量較小,改性A、改性B、改性C則相反.這說(shuō)明改性D的低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料.其他3種納米改性瀝青混合料的低溫性能均有下降,但仍能滿足瀝青路面規(guī)范對(duì)低溫抗裂性能的要求.

2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)不同類(lèi)型瀝青混合料的水穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表7和表8.

表7 浸水殘留穩(wěn)定度

表8 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7和表8可以看出,改性A、改性B、改性C、改性D四種納米改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度分別為基質(zhì)瀝青混合料的1.07,1.03,1.06,1.13倍,凍融劈裂強(qiáng)度比分別為基質(zhì)瀝青混合料的1.06,1.05,1.09,1.15倍.這說(shuō)明納米材料明顯提高了基質(zhì)瀝青混合料的抗水損害能力,其中又以改性D的效果最為明顯.改性A、改性B、改性C的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比與SBS相差不大,但改性D卻優(yōu)勢(shì)明顯,說(shuō)明納米材料還可優(yōu)化SBS瀝青改性效果.

3 結(jié)論

1) 6種不同類(lèi)型瀝青混合料的車(chē)轍、SPT試驗(yàn)、浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明,在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面,納米SiO2改性瀝青混合料、膨潤(rùn)土改性瀝青混合料、納米SiO2/膨潤(rùn)土復(fù)合改性瀝青混合料較基質(zhì)瀝青明顯提高,與SBS改性瀝青相比則差別不大.納米SiO2/膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料較任一種混合料均有明顯優(yōu)勢(shì).由此表明,納米材料不僅能顯著提升基質(zhì)瀝青的高溫性能和抗水損害能力,還可優(yōu)化SBS改性瀝青改性效果.

2) 低溫彎曲破壞和低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明,納米SiO2/膨潤(rùn)土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料.納米SiO2改性瀝青混合料、膨潤(rùn)土改性瀝青混合料和納米SiO2/膨潤(rùn)土復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能略有降低,但仍能夠滿足夠?yàn)r青路面規(guī)范對(duì)低溫性能的要求.

3) 納米SiO2改性瀝青混合料、膨潤(rùn)土改性瀝青混合料、納米SiO2/膨潤(rùn)土復(fù)合改性瀝青混合料和納米SiO2/膨潤(rùn)土/SB復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能與基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的對(duì)比結(jié)果表明,納米改性瀝青混合料具有優(yōu)良的綜合路用性能,納米材料適用于瀝青改性技術(shù)中.

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