摻硅微粉瀝青混凝土的路用性能研究

34

(1.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏銀川750021；2.中交基礎設施養(yǎng)護集團有限公司， 北京100000；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心， 寧夏銀川750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心， 寧夏銀川750021)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2017年我國公路新增里程6 000多km，2018年公路新增里程將達到5 000 km，尤其對正處于建設中的西北地區(qū)，公路網(wǎng)尚未完善，高速公路仍處于大規(guī)模的建設狀態(tài)。西北地區(qū)由于其特殊的氣候環(huán)境對公路性能有更高要求，西北地區(qū)冬季氣溫低，對瀝青路面的低溫性能有更高要求，由于夏季日照強度較高對瀝青路面的高溫性能以及抗老化性能又有較高要求，因此為滿足西北地區(qū)公路建設要求并考慮經(jīng)濟性，需探究一種合適本地區(qū)的外加劑來提高其路用性能。

我國瀝青混凝土研究的學者對不同外加劑進行了很多研究：馬士賓等[1]通過試驗研究，在瀝青混凝土中摻加0.4 %的鑄造廢砂等質量的替代0～5 mm集料，可保證瀝青混凝土的路用性能；李祉頡等[2]將礦粉用Cv/Cs相對濃度等于或者接近臨界濃度1.0的纖維素灰代替礦粉，通過試驗對比驗證了其可以提高瀝青混凝土45.3 %～48.6 %的抗老化性；為解決城市垃圾問題，譚巍等[3]通過分析城市生活垃圾焚燒飛灰的物理性能以及對瀝青混凝土的影響，飛灰摻量(質量分數(shù))為2 %的瀝青混凝土其路用性能滿足規(guī)范要求；韓民等[4-6]分別從玄武巖纖維、消石灰和玻璃纖維三個方面研究了對提高瀝青混凝土耐久性的影響因素，主要有摻量、長度和種類；CELAURO等[7]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維改性瀝青混合料的抗永久變形性能比傳統(tǒng)混合物好。SOCRATES等[8]通過研究不同含量粉煤灰微硅纖維對微硅水泥的性能、微觀結構和水化性能的影響得出：在低含量(15 %)時，各項性能均滿足規(guī)范要求，含量超過30 %時，其堿度和水化性能明顯下降，所以含量為15 %～30 %時堿度和水化性能較好；JIA等[9]利用XRD和SEM技術，對摻加微硅和未加微硅的白炭黑結合鋁土礦—紅柱石基澆注料進行了抗熱強度和抗震性能的比較，結果表明高溫時摻加微硅的澆注料容易形成莫來石；陳偉等[10]通過摻加不同量的硅微粉取代水泥，分析了其對復合漿體流變性能的影響，在摻量為10 %時復合漿體的屈服應力、塑性粘度最小和流變性最好；杜中燕等[11]用硅微粉部分代替鈦白粉，施工工藝為70 kN噴涂電壓、180 ℃固化溫度和20 min固化時間，發(fā)現(xiàn)硅微粉的添加提高了漆膜的硬度、沖擊力和耐磨性，降低了生產(chǎn)成本；為研究硅微粉對黃土和鹽漬土的影響，李宏波等[12-13]將2 %的水泥和10 %的硅微粉摻加到黃土和鹽漬土中，通過三軸試驗和凍融三軸試驗最終得出：相較于素土，黃土和鹽漬土的抗剪強度均有提高。

硅微粉因其耐溫性、耐腐蝕性、高導熱系數(shù)、化學性能穩(wěn)定和硬度大等優(yōu)良性能被廣泛應用于工業(yè)建筑、電子工業(yè)和耐火材料等領域，目前國內外有很多研究表明硅微粉對建筑材料的性能有明顯提高，并且在西北地區(qū)硅微粉產(chǎn)量較高，但目前國內外對摻硅微粉瀝青混凝土的研究比較少，因此需要探究硅微粉對瀝青混合料性能的影響，以0、0.3 %、0.5 %、0.7 %和0.9 %摻量的中性硅微粉作為外加劑，探究硅微粉對瀝青混合料性能的影響，為硅微粉作為瀝青混凝土外加劑的設計提供依據(jù)和參考。

1 原材料性能及配合比設計

1.1 原材料性能

試驗采用90#基質石油瀝青，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)[14]的相關技術要求，嚴格按照試驗規(guī)范流程對瀝青的延度、軟化點、針入度、60 ℃動力粘度和針入度指數(shù)各項指標進行測定，測定結果見表1。

表1 瀝青技術指標Tab.1 Asphalt technical indicators

試驗所用集料經(jīng)檢測各項指標均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。硅微粉是一種比表面積大，活性高的火山灰物質，因其優(yōu)良的性能，被廣泛用于化工、電子、電器、塑料、油漆、橡膠和國防等領域中。硅微粉的種類可分為普通、電工級、電子級、超細和“球形”硅微粉。試驗采用200目的普通硅微粉，其比表面積大質地輕，同時價格低廉，在工程應用中具有良好的經(jīng)濟性。物理指標見表2，硅微粉的主要化學成分為SiO2，結構為非結晶相無定形的圓球狀顆粒。

表2 硅微粉物理指標Tab.2 Physical indicators of silicon powder

1.2 配合比和最佳瀝青用量的確定

本試驗采用AC-13瀝青混凝土，配合比設計依據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)中配合比設計的中值法進行調整確定，礦料級配見表3，礦料級配曲線如圖1所示。

表3 礦料級配Tab.3 Mineral grading

圖1 AC-13礦料級配曲線Fig.1 AC-13 mineral grading curve

根據(jù)經(jīng)驗以0.5 %間隔增長，在3.5 %～5.5 %范圍內確定該級配的油石比，共采用5個不同的油石比制作馬歇爾試件。試驗方法嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[15]執(zhí)行，采用165 ℃的拌和溫度，150 ℃的壓實溫度，瀝青混合料雙面擊實各75次，成型試件冷卻至室溫(不少于12 h)，脫模后測定毛體積相對密度并采用真空法測出瀝青混合料的最大理論密度，計算空隙率、礦料骨架間隙率和有效瀝青飽和度等指標。在60 ℃恒溫水浴中浸泡0.5 h后測定試件的馬歇爾穩(wěn)定度及流值，根據(jù)結果繪制油石比與各技術指標的關系曲線，如圖2所示。根據(jù)油石比與技術指標間的關系確定出最佳瀝青用量。

(a) 毛體積相對密度與油石比關系

(b) 空隙率與油石比關系

(c) 有效瀝青飽和度與油石比關系

(d) 穩(wěn)定度與油石比關系

(f) 礦料間隙率與油石比關系

根據(jù)試驗結果確定最佳瀝青用量的初始值為5.00 %，最佳瀝青用量中值為4.89 %，由此確定出最佳瀝清用量為4.95 %。為分析硅微粉對瀝青混凝土的影響，分別摻加占礦料質量0、0.3 %、0.5 %、0.7 %、0.9 %的硅微粉，通過試驗研究不同摻量硅微粉瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)確定的級配及最佳瀝青用量，采用輪碾法成型試件并對其進行車轍試驗，通過車轍試驗分析不同摻量的硅微粉對AC-13瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的影響，郭瑞等[16]通過試驗研究認為溫度對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響較大，在試驗操作中對溫度要進行嚴格的控制，在車轍作用下避免溫度過高造成瀝青混合料的破壞影響試驗結果，試驗結果見表4。

表4 不同摻量下的動穩(wěn)定度Tab.4 Dynamic stability under different dosages

圖3 硅微粉不同摻量下的動穩(wěn)定度趨勢Fig.3 Trend of dynamic stability of silicon powder under different dosages

由表4試驗結果和圖3的趨勢圖可以看出，隨著硅微粉摻量的增加，AC-13瀝青混凝土在45 min時的變形量呈逐漸減小趨勢，60 min最終累積變形量與45 min變形量之差幾乎為零；動穩(wěn)定度(DS)隨著硅微粉摻量增加呈逐漸增大的趨勢，由于硅微粉莫氏硬度為7，比表面積較大，能夠在瀝青混凝土中均勻填充集料間的空隙，有效提高了瀝青混合料的硬度，在反復碾壓后的抗車轍效果良好，與未摻加硅微粉的瀝青混凝土相比較，硅微粉瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性得到了增強。

2.2 低溫抗裂性

在我國北方地區(qū)，瀝青路面在寒冷季節(jié)開裂現(xiàn)象處處可見，為研究硅微粉對瀝青混凝土低溫抗裂性的相關影響，試驗機采用試驗溫度(-10±0.5)℃，加載速率1 mm/min，泊松比μ取值為0.25，對AC-13瀝青混凝土的低溫抗裂性能進行評價。在瀝青用量為4.95 %的條件下，不同的硅微粉用量對瀝青混凝土的穩(wěn)定度(MS)和流值(FL)見表5，混凝土表處劈裂強度產(chǎn)生的影響如圖4所示。

圖4 硅微粉摻量對低溫抗裂性能的影響Fig.4 Effect of silicon powder content on low temperature crack resistance

表5 摻加硅微粉的混凝土的穩(wěn)定度和流值Tab.5 Stability and flow value of concrete with silicon powder

由圖4硅微粉摻量對低溫抗裂性能的影響可知，在瀝青用量一定的情況下，隨著硅微粉摻量的增加，瀝青混凝土表面處在-10 ℃達到最大，劈裂強度為0.88 MPa；硅微粉摻量為0.9 %時，劈裂強度值最小，主要原因是硅微粉可以提高瀝青混合料的密實性，摻量較少時可以有效提高瀝青混凝土的低溫抗裂性，但含量過高時，一方面硅微粉過大的比表面積會增大對瀝青的吸附，致使吸附在集料上的瀝青膜較薄粘結性較差，另一方面硅微粉形態(tài)為圓形，其阻力較小，在試驗加載條件下圓形顆粒的硅微粉容易與集料產(chǎn)生剝離，影響瀝青混凝土的粘結性，導致硅微粉瀝青混凝土的低溫抗裂性能降低。

2.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性主要研究路面水在凍融循環(huán)過程中對瀝青混凝土產(chǎn)生的破壞影響，按照規(guī)程中瀝青混凝土凍融劈裂試驗，對AC-13瀝青混凝土試件進行凍融劈裂試驗，測定瀝青混凝土試件在受到水作用前后劈裂破壞的強度比，試驗結果見表6。

表6 摻加硅微粉的混凝土凍融劈裂強度Tab.6 Freeze-thaw splitting strength of concrete with silicon powder

圖5 不同條件下的劈裂強度變化Fig.5 Variation of splitting strength under different conditions

由表6的試驗結果和圖5中強度變化趨勢可知，隨著硅微粉摻量增加瀝青混凝土的凍融劈裂抗拉強度比呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，主要是由于硅微粉具有一定的保水性，通過恒溫水箱的養(yǎng)護后其保水性會對馬歇爾試驗產(chǎn)生不利影響，硅微粉摻量越大影響越大。硅微粉摻量在0.9 %時，凍融劈裂抗拉強度比為66.7 %，在不同摻量的凍融劈裂抗拉強度比值中最小。

考慮硅微粉在形成過程中受到張力的影響，表面形成了較為光滑的非結晶無定形圓球狀顆粒，為保證硅微粉在瀝青混凝土中充分發(fā)揮作用及確定最佳摻量，在試驗中增加了肯塔堡飛散試驗，通過肯塔堡飛散試驗研究硅微粉對集料和礦粉之間粘結性的影響，試驗方法采用瀝青混合料肯塔堡飛散試驗，技術要求參照SMA混合料肯塔堡飛散試驗，其試驗結果見表7。

圖6 不同摻量下的飛散損失Fig.6 Separation loss under different dosages

表7 肯塔堡飛散試驗損失量Tab.7 Loss of the cantabro test

圖6為硅微粉在不同摻量下飛散損失的變化趨勢圖，通過肯塔堡飛散試驗，驗證了硅微粉形態(tài)對瀝青混凝土集料間粘結性的影響，由圖6中的變化趨勢可以看出：隨著硅微粉摻量的增加，瀝青混凝土試件的損失量不斷增加。原因主要是瀝青混凝土在拌和時，硅微粉出現(xiàn)了結團現(xiàn)象，在30～33 r/min的轉速下旋轉300轉時，結團的硅微粉在循環(huán)撞擊下加劇了瀝青混凝土的剝落，降低了瀝青混凝土的粘結性。

3 結論

為研究硅微粉對瀝青混合料的影響，在相同級配及材料的瀝青混凝土中，對不同摻量的硅微粉瀝青混凝土進行檢測試驗，由車轍試驗、低溫抗劈裂試驗和凍融劈裂試驗結果可以得出。

① 硅微粉摻量不斷增加會對瀝青混凝土的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性造成不利影響，肯塔堡飛散試驗證明了硅微粉摻量增加，飛散損失量增大，說明瀝青混合料粘結性隨著硅微粉摻量的增加而下降。

② 硅微粉瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性隨著摻量的增加逐步增加，硅微粉摻量為0.9 %時瀝青混凝土的動穩(wěn)定度是未摻硅微粉瀝青混凝土的兩倍。

③ 試驗結果證明硅微粉能夠有效提高瀝青混合料抗車轍性能，對改善路面高溫穩(wěn)定性有明顯效果，硅微粉摻量在0.3 %～0.5 %時，硅微粉對瀝青混凝土的整體性能較好，考慮硅微粉對水穩(wěn)定性的不利影響，在溫差較大但少雨的地區(qū)有良好的適用效果。