硅—改瀝青應(yīng)用于沙漠地區(qū)公路的可行性研究

岳通

【摘 要】針對我國大部分沙漠地區(qū)特殊的氣候環(huán)境和實際條件，通過大量的室內(nèi)試驗，對硅藻土改性瀝青性能及其混合料路用性能進(jìn)行較全面深入研究，并探討硅—改瀝青在沙漠公路上的適用性。并得出硅-改瀝青具有較好的路用性能，且經(jīng)濟(jì)、實用，在沙漠地區(qū)公路中的應(yīng)用具有廣闊的前景。

【關(guān)鍵詞】硅—改瀝青；路用性能；沙漠公路

我國沙漠主要分布在北緯35°～50°之間，綿亙新疆、甘肅、青海、寧夏、陜西、內(nèi)蒙等省自治區(qū)，沙漠氣候條件十分惡劣，干燥、蒸發(fā)量大、氣溫變化大，夏季炎熱，地表最高溫度在70℃左右，冬季嚴(yán)寒，地表最低溫度能達(dá)到-30℃以下，所以沙漠公路對瀝青混凝土路面的穩(wěn)定性要求更高。目前，瀝青混凝土路面穩(wěn)定性問題主要是從瀝青膠結(jié)料本身著手解決，使用較多的是聚合物改性，然而聚合物改性劑成本高，聚合物的瀝青改性技術(shù)、工藝也比較復(fù)雜，所以制約著我國改性瀝青技術(shù)的發(fā)展。

國內(nèi)外對硅-改瀝青已經(jīng)有了一定的研究，但國內(nèi)還沒有專門的行業(yè)硅-改瀝青技術(shù)規(guī)范。針對沙漠地區(qū)公路的特殊性，探討硅-改瀝青能否應(yīng)用于沙漠地區(qū)公路，這對沙漠公路路面材料的選型，進(jìn)而減少公路建設(shè)投資具有重要的意義。

1.硅藻土基本性質(zhì)和技術(shù)參數(shù)

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要由硅藻（一種單細(xì)胞的水生藻類）遺骸和軟泥固結(jié)而成。硅藻土具有體輕、質(zhì)軟、多孔、耐酸、比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性和吸附能力強(qiáng)等特征。

2.硅-改瀝青試驗

本文參照《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ036-98）對改性瀝青的技術(shù)要求，進(jìn)行硅藻土改性瀝青的試驗。瀝青采用標(biāo)號選用適合寒區(qū)的AH-110（克拉瑪依），硅藻土摻量采用9%～15%（占瀝青質(zhì)量的百分比，間隔2%）四個摻配比例。

試驗中，取4個硅藻土摻量：9%、11%、13%、15%（外摻質(zhì)量比）。先根據(jù)瀝青試樣準(zhǔn)備方法（T0602-1993）制備好基質(zhì)瀝青，再用盛樣皿稱取一定量基質(zhì)瀝青，根據(jù)摻配比例稱取規(guī)定重量的硅藻土，緩緩倒入基質(zhì)瀝青中，用玻璃輕輕攪拌使其均勻地分散在基質(zhì)瀝青中，防止硅藻土深入底部，直至硅藻土中的少量水分脫水至無泡沫為止，硅藻土便會棋盤式均勻的分布在基質(zhì)瀝青中。摻配過程保持140℃左右，拌合溫度過高會使原瀝青加速老化，溫度過低會使si2-均勻移動受到影響，此過程大約需要5～10min。然后將此硅-改瀝青按相應(yīng)指標(biāo)規(guī)定的試驗規(guī)程進(jìn)行試驗。

目前，評價改性瀝青性能最常用的方法是用瀝青性能指標(biāo)變化程度來衡量，如針入度、軟化點、延度等指標(biāo)的變化程度，變化值越大，改性效果越好。當(dāng)然，變化的趨勢是向著性能改善和提高的方向，還要重視改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性問題。

從大量試驗可以得知：

（1）克拉瑪依AH-110經(jīng)硅藻土改性后，針入度隨硅藻土摻量的增加而降低，軟化點隨硅藻土摻量的增加而升高，表明基質(zhì)瀝青中加入了硅藻土，瀝青的高溫穩(wěn)定性得到了改善。

（2）克拉瑪依AH-110經(jīng)硅藻土改性后，當(dāng)量軟化點升高，當(dāng)量脆點降低，說明基質(zhì)瀝青經(jīng)改性后高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能均得到了改善。

（3）克拉瑪依AH-110經(jīng)硅藻土改性后，延度降低，其主要原因由于硅藻土本身是粉狀顆粒，當(dāng)拌入瀝青后，由于尖端效應(yīng)使延度下降。

（4）克拉瑪依AH-110經(jīng)硅藻土改性后，針入度指數(shù)IP降低，說明基質(zhì)瀝青經(jīng)改性后溫度敏感性降低了。

（5）薄膜加熱試驗試驗可以看出：克拉瑪依AH-110瀝青經(jīng)硅藻土改性后，其質(zhì)量損失減少，針入度比增大，說明抗老化性能得到了改善。

這里還存在一個如何選取硅藻土的最佳摻量問題，一般選取改性效果明顯的硅藻土用量，本試驗中15%摻量硅藻土改性瀝青效果最好，但最終還須相關(guān)的混合料試驗來確定。

3.硅-改瀝青混合料試驗及分析

試驗所用礦料為砂巖，與基質(zhì)瀝青黏附性較差，但與硅-改瀝青黏附性等級達(dá)到了4級，所以試驗中沒有加入抗剝落劑。礦粉親水系數(shù)﹤1。為了增加可比性，礦料級配都采用AC-16C統(tǒng)一級配。

3.1力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果及分析

力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果可以看出：硅藻土改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料相比，最佳瀝青用量增大，最佳瀝青用量時孔隙率減小、混合料密度增大，動穩(wěn)定度有較大的提高，而流值幾乎不變，15%摻量硅藻土改性瀝青混合料穩(wěn)定度提高了將近2倍。（見表1）

3.2瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗

在沙漠地區(qū)盡管雨水相對較少，但畢竟在降雨季節(jié)也有較多雨水，如毛烏素、科爾沁沙地年降水量400～500mm，況且在有些沙漠地區(qū)地下水位較高，使混合料受水分侵蝕。瀝青路面在水與車輛同時作用下，易引起瀝青和石料界面黏附性降低，并導(dǎo)致剝離、掉粒、松散、坑洞等破壞，這是瀝青路面主要破壞形式之一。還有冰雪、霜的入浸更是加劇了路面病害，低溫病害常常與水的損害作用相互交織。

3.3瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗

沙漠地區(qū)的氣候特點往往是夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，夏季地表最高溫度可以達(dá)到60℃～70℃，所以在沙漠地區(qū)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性要倍受重視。瀝青混合料在高溫下為彈塑性體，勁度較小，在渠化交通下，容易形成車轍變形，從而影響瀝青路面的使用功能。這也是高速公路瀝青路面最常見的病害。我國現(xiàn)行國標(biāo)（GBJ92-93）規(guī)定，采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗（包括穩(wěn)定度、流值、馬歇爾模數(shù)）來評價高溫穩(wěn)定性，對于高速公路還要通過車轍試驗來檢驗路面的抗車轍性能。瀝青混合料車轍試驗見表2。

從表2可以看出：15%摻量的硅-改瀝青混合料高溫抗車轍性能比基質(zhì)瀝青混合料大約提高了80%，說明了瀝青經(jīng)硅藻土改性后高溫性能提高很明顯。但由于硅藻土改性瀝青機(jī)理與聚合物改性不同，所以不能用聚合物改性瀝青的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。

3.4瀝青混合料低溫抗裂性能試驗

瀝青路面低溫開裂是沙漠路面破壞的主要形式之一。如渾善達(dá)克沙地大部地區(qū)年平均氣混部分地區(qū)日最低-30℃以下，局部地區(qū)-40℃以下，瀝青路面發(fā)生低溫開裂后，在車輛荷載和水的共同作用下，會加劇裂縫的發(fā)展和擴(kuò)大，從而形成大面積網(wǎng)裂和龜裂，嚴(yán)重危及道路的使用壽命。材料組成設(shè)計必須考慮路面實際使用性能要求，對混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行研究。《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了混合料低溫抗裂性能指標(biāo)，但硅藻土改性瀝青與一般改性瀝青有本質(zhì)不同，本試驗采用MTS810進(jìn)行彎曲破壞試驗，用以評價瀝青混合料的低溫抗裂性。大量試驗證明，AH-110基質(zhì)瀝青經(jīng)硅藻土改性后，混合料極限最大應(yīng)變變化不大，但臨界應(yīng)變能密度有較大增大，說明混合料低溫性能有了明顯改善。

3.5瀝青混合料抗疲勞性能分析

瀝青路面在車輛荷載的不斷重復(fù)作用下，雖然路面初期具有足夠抵抗車輪荷載的強(qiáng)度，但在經(jīng)過長期的重復(fù)荷載作用后，強(qiáng)度會逐漸衰減，以至不足以抵抗車輪荷載而引起開裂破壞，即疲勞開裂。為了使瀝青混合料在鋪筑路面后，能達(dá)到要求的疲勞壽命，在混合料組成設(shè)計時，應(yīng)對混合料的疲勞性能加以比較評價。

混合料的疲勞性能通過疲勞方程用兩個參數(shù)n、k來反映。N值可以稱為坡度系數(shù)，其值越大，疲勞壽命隨應(yīng)力變化越敏感，疲勞次數(shù)隨著應(yīng)力水平的增加衰減的速度趕快；k值可以稱為疲勞擴(kuò)大系數(shù)，k值越大，說明疲勞壽命越長。很顯然，硅-改瀝青混合料的抗疲勞性能比基質(zhì)瀝青混合料要好。

4.試驗結(jié)果總結(jié)和分析

從室內(nèi)試驗結(jié)果可能看出：克拉瑪依AH-110瀝青經(jīng)改性后，針入度增大，軟化點升高，IP值增大，溫度敏感性能明顯改善，與集料黏附性增強(qiáng)，老化性能得到提高等等，這說明改性后瀝青性質(zhì)變好。克拉瑪依AH-110瀝青經(jīng)改性后，混合料水穩(wěn)性能、高溫抗車轍性能、低溫抗裂性、抗疲勞性能等路用性能得到改善。

硅-改瀝青性能最可貴的是其高低溫性能都有不同程度的提高，這對于沙漠地區(qū)這個特定的環(huán)境具有十分重要的意義；其次由于硅藻土極強(qiáng)的吸附能力，致使結(jié)構(gòu)料黏度增大，路面質(zhì)量提高；還有是由于硅藻土的摻入使混合料的熱阻提高，延長路面壽命。

如果按四車道路面寬度15m，改性瀝青混合料上面層為4cm計算，那么SBS混合料面層每公里原材料增加費用為16.58萬，而硅-改瀝青混合料面層每公里原材料增加費用僅為3.26萬。很顯然，僅原材料費用一項硅-改瀝青路面就表現(xiàn)出了明顯的經(jīng)濟(jì)性，大大節(jié)約了建設(shè)投資。

可以得出：硅-改瀝青具有較好的路用性能，且經(jīng)濟(jì)、實用，在沙漠地區(qū)公路中的應(yīng)用具有廣闊的前景。

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