新型道路復(fù)合瀝青材料改性劑的選擇與配比優(yōu)化

全凱 王超 程浩 侯圣均

摘 要： 為了優(yōu)化瀝青路面材料的減振降噪性能，延長路面的使用壽命，對現(xiàn)有瀝青材料進(jìn)行改性優(yōu)化。選用硅藻土和玄武巖纖維作為改性劑對瀝青材料進(jìn)行復(fù)合改性，依據(jù)孔隙率、阻尼比、礦料間隙率、吸聲系數(shù)、流值變形量、馬歇爾穩(wěn)定度、瀝青飽和度7個參數(shù)確定復(fù)合改性瀝青材料的配比，制備出硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料。分別對硅藻土單摻雜瀝青材料、玄武巖纖維單摻雜瀝青材料和硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料進(jìn)行了力學(xué)特性試驗，分析其物理性能，并對不同瀝青混合料的減振降噪性能進(jìn)行了對比測試。結(jié)果表明，硅藻土和玄武巖纖維復(fù)合摻雜最佳配比：油石質(zhì)量比為5.5%，玄武巖纖維摻雜比為0.3%，硅藻土摻雜比為7.5%。復(fù)合材料的減振降噪性能優(yōu)于普通瀝青材料，與其相比，最優(yōu)配比下的新型復(fù)合材料吸聲系數(shù)峰值高出38.89%，吸聲系數(shù)均值高出30.30%。復(fù)合改性瀝青材料具有良好的減振降噪性能并且具有顯著的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，研究結(jié)果可為同質(zhì)路面材料的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考，對于提高道路的服務(wù)能力具有實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 工程力學(xué);瀝青;硅藻土;玄武巖;減振降噪

中圖分類號： U414? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：? A

doi：? 10.7535/hbgykj.2020yx06010

Selection and proportioning optimization of modifiers for new

road composite asphalt materials

QUAN Kai， WANG Chao， CHENG Hao， HOU Shengjun

（Power China Road Bridge Group Company Limited， Beijing 100048， China）

Abstract：

In order to optimize the vibration and noise reduction performance of asphalt pavement materials and prolong the service life of pavement， the modification and optimization of existing asphalt materials were executed. Diatomite and basalt? fiber? were used as modifiers to compound and modify the asphalt materials. According to the porosity， damping ratio， voids in the mineral aggregate， sound absorption coefficient， deformation of flow value， Marshall stability and asphalt saturation， the proportioning of composite modified asphalt materials were determined， and diatomite/basalt fiber composite modified asphalt materials were prepared. The mechanical properties of diatomite single-doped asphalt materials， basalt fiber single-doped? asphalt? materials， and diatomite/basalt fiber composite modified asphalt materials were tested to analyze their physical properties， and the vibration and noise reduction performance of different asphalt mixtures were compared. The results show that the optimum mixing ratio of diatomite and basalt fiber is as follows： The mass ratio of oil stone is 5.5%， the doping ratio of basalt fiber is 0.3%， and the doping ratio of diatomite is 7.5%. The vibration and noise reduction performance of composite materials is better than that of ordinary asphalt materials， and the peak value of the sound absorption coefficient of the new composite materials under the optimal ratio is 38.89% higher， and the average sound absorption coefficient is 30.30% higher. The composite modified asphalt materials have a good performance in vibration and noise reduction， temperature stability and low temperature crack resistance. The research results can provide reference for the further optimization of homogeneous pavement? materials ， and have practical application value for improving the service capacity of roads .

Keywords：

engineering mechanics; asphalt; diatomite; basalt; vibration noise reduction

城市的發(fā)展離不開道路建設(shè)，而道路建設(shè)不僅要保證車輛行駛的安全與平穩(wěn)，還需考慮減少噪音與振動對環(huán)境的污染? [1] 。傳統(tǒng)的水泥混凝土路面具有較強(qiáng)的剛性，

抗壓強(qiáng)度高，摩擦系數(shù)低，對基底要求較高。當(dāng)基底出現(xiàn)沉降、積水時，會導(dǎo)致路面穩(wěn)固性變差時，極易出現(xiàn)斷裂、坍塌等情況，成為交通極大的安全隱患? [2] 。現(xiàn)代市政建設(shè)中常采用瀝青混凝土路面，這種路面使用瀝青作為膠凝材料? [3] 。由于瀝青獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，瀝青混凝土路面具有韌性高、剛性低的特點(diǎn)，并且具有較好的減振降噪性能。在實際工程應(yīng)用中，為進(jìn)一步提升瀝青路面的減振降噪性能，通常對瀝青進(jìn)行改性來改善材料的力學(xué)性能? [4-5] 。改性劑分為有機(jī)改性劑與無機(jī)改性劑：有機(jī)改性劑添加成本較高，對加工設(shè)備有著較高的要求，且容易造成環(huán)境污染? [6-7] ;無機(jī)改性劑具有生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于瀝青材料的改性應(yīng)用中。普通低噪聲瀝青路面多為瀝青瑪蹄脂碎石混合料和大孔隙開級配抗磨損耗層? [8-9] 。這兩種路面雖然減振降噪性能優(yōu)越，但其力學(xué)性能不足以支撐路面的長期使用，因此在實際應(yīng)用中，這兩種路面的使用壽命均較短，且后期維保費(fèi)用較高? [10-13] 。

硅藻土與玄武巖作為儲量豐富的無機(jī)材料，常用于瀝青材料的復(fù)合改性。硅藻土具有低密度、多空隙、吸聲等特性，能夠增強(qiáng)瀝青材料在較高路面溫度下的疲勞性能。玄武巖纖維具有耐高溫、力學(xué)性能優(yōu)異的特征，能夠為瀝青材料提供更佳的低溫抗裂性能。為進(jìn)一步提升瀝青材料的減振降噪性能，筆者對硅藻土和玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料的減振降噪性能進(jìn)行了模擬對比研究。

1? 硅藻土或玄武巖纖維改性瀝青材料的制備與物理性能

1.1 改性材料的制備

硅藻土或玄武巖纖維改性瀝青材料的單質(zhì)原料分為瀝青制備、硅藻土制備和玄武巖制備。研究中瀝青混凝土由廢胎膠粉與基質(zhì)瀝青在高溫下攪拌制得。廢胎膠粉粒度為40目（0.42 mm），相對密度為1.18 g/cm 3，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%，橡膠烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%，碳黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.9%，丙酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.7%?；|(zhì)瀝青滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004），瀝青基質(zhì)溫度為 25 ℃ ，針入度為86（100 g，5 s，0.1 mm），軟化點(diǎn)為 42.5 ℃ （環(huán)球法）。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《公路工程廢胎膠粉橡膠瀝青》（JT/T 798-2011）進(jìn)行橡膠瀝青的制備? [14-15] 。向基質(zhì)瀝青中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的廢胎膠粉，在均勻混合后將混合物投入高速剪切反應(yīng)罐，在180～190 ℃條件下反應(yīng)45 min以上。對制得的瀝青進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表1所示。

選擇2.37～13.1 mm的玄武巖粗集料，0～ 2.37 mm 的玄武巖細(xì)集料。硅藻土主要成分為二氧化硅，此外還含有三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化鉀、二氧化鈦等成分。本文使用的硅藻土為粒度范圍在10～200 μm的硅藻土助濾劑焙燒品，其pH值為9.0，非硅比為16.7%。將玄武巖礦石粉碎并加熱至1 500 ℃左右，使用金屬拉絲后制成直徑約為17.0 μm的玄武巖纖維，最后將玄武巖纖維長度統(tǒng)一至6 mm。硅藻土粒徑極小，易改變?yōu)r青混凝土級配，所以難以直接摻配入混合料中。因此采用等體積替代的硅藻土摻配法，并使用干拌法進(jìn)行拌和。考慮到目標(biāo)公路地理位置的氣候因素，選擇AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土。過量粗集料使路面松散，而過量細(xì)集料使路面不耐高溫，使用最大密度理論進(jìn)行配合比計算，最終選擇的礦料級配如表2所示。

橡膠瀝青加熱溫度為185 ℃，在175 ℃的烘箱中對除橡膠瀝青外各類原料加熱4 h以上。首先將集料與玄武巖纖維干拌1.5 min，再加入可流動的橡膠瀝青攪拌1.5 min，最后加入硅藻土與礦粉再次攪拌1.5 min，即獲得改性瀝青材料。

1.2 改性材料的物理性能

瀝青材料路面的黏塑性容易使路面在高溫高壓下發(fā)生塑性變形，在寒冷的冬季，瀝青材料的脆性急劇增加，路面易發(fā)生低溫縮裂。為驗證單改性瀝青材料路面在不同溫度下的性能提升，針對單摻材料的高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性進(jìn)行研究。采用車轍試驗進(jìn)行高溫穩(wěn)定性測試，以動穩(wěn)定度對高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評估。動穩(wěn)定度的計算公式如下：

DS=N×（t2-t1）[]d2-d1，? ? ?（1）

式中： DS 為動穩(wěn)定度，次/min; t1和t2為 時間，min， t1 =45 min， t2 =60 min; d1和d2為 形變量，mm， d1 =45 mm， d2 =60 mm; N 為試驗?zāi)z輪往返速度，次/min， N =42 次/min。單摻瀝青材料車轍測試動穩(wěn)定度如圖1所示。

從圖1可以看出，各種摻量的橡膠瀝青混合料動穩(wěn)定度均大于3 000次/min，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

摻雜硅藻土或玄武巖纖維均能提升材料的動穩(wěn)定度，其中摻雜硅藻土對動穩(wěn)定度的影響更為顯著。隨著硅藻土或玄武巖纖維摻量的不斷增加，混合料動穩(wěn)定度的變化趨勢均為先上升再下降。由試驗結(jié)果可推測，為提升瀝青材料的高溫穩(wěn)定性，硅藻土最佳摻量可能為7.5%，而玄武巖纖維最佳摻量可能為0.2%。硅藻土影響材料高溫穩(wěn)定性能的原因可能是因為硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)增加了混合材料的黏性，但過量硅藻土?xí)档凸橇橡そY(jié)。玄武巖纖維影響材料高溫穩(wěn)定性可能是因為玄武巖纖維網(wǎng)在低玄武巖纖維摻量的情況下增加了混合材料黏性，然而過量摻雜使玄武巖纖維發(fā)生結(jié)團(tuán)，降低其高溫穩(wěn)定性。

采用間接拉伸試驗對摻雜材料的低溫劈裂性進(jìn)行測試。在-10 ℃，1 mm/min，泊松比 ν =0.25的試驗條件下，采用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件對混合材料的低溫拉伸蠕變勁度模量與破壞應(yīng)變進(jìn)行分析，并以此衡量材料的低溫抗裂性能。破壞應(yīng)變與材料低溫松弛性呈正比，低溫拉伸蠕變勁度模量與材料低溫柔性和低溫抗裂性呈反比。測試結(jié)果表明硅藻土或玄武巖纖維的摻入對材料低溫劈裂性能影響均不明顯。2種單摻混合料的低溫松弛性能均表現(xiàn)優(yōu)異，其中硅藻土摻雜量的上升使低溫松弛性先升后降，玄武巖纖維摻雜量的提升使低溫松弛性不斷上升。為進(jìn)一步評估摻雜量對材料低溫抗裂性能的影響，筆者引入基于應(yīng)變能密度函數(shù)的低溫斷裂能對抗裂性能進(jìn)行評估。結(jié)果表明，相較于零摻瀝青材料基線，硅藻土單摻材料對低溫斷裂能的提升為55.7%，峰值摻量為7.5%。玄武巖纖維單摻材料的提升為65.1%，且未測出提升峰值。以上數(shù)據(jù)表明，相較于硅藻土摻雜，玄武巖纖維摻雜能夠更好地提升材料低溫抗裂性能。綜合上述試驗結(jié)果，可以認(rèn)為硅藻土摻雜或玄武巖纖維摻雜均能提升瀝青材料的高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性，其中硅藻土摻雜對高溫穩(wěn)定性的影響更顯著，而玄武巖纖維摻雜更有利于提升材料的低溫抗裂性。

2? 硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料減振降噪性能試驗

2.1 硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料配比

考慮到道路建設(shè)材料的實用性質(zhì)，新型復(fù)合改性瀝青材料應(yīng)優(yōu)先滿足力學(xué)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而后再考慮其減振降噪性能的優(yōu)化。選擇孔隙率、阻尼比、礦料間隙率、吸聲系數(shù)、流值變形量、馬歇爾穩(wěn)定度、瀝青飽和度7個參數(shù)為瀝青材料配比決定因素。為符合配比設(shè)計原則，首先應(yīng)將材料的孔隙率控制在3%～5%，其次保證較高的馬歇爾穩(wěn)定度（至少大于8 kN），然后使礦料間隙率大于14%，瀝青飽和度維持在70%～85%，流值變形量為2～4 mm。在以上5個指標(biāo)均得到滿足與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，最后考慮阻尼比和吸聲系數(shù)的提升。

用 X，Y，Z分別 表示油石質(zhì)量比、玄武巖纖維摻雜比和硅藻土摻雜比，則 X，Y，Z對7個參數(shù)的影響如表3所示。 對應(yīng)最優(yōu)孔隙率的方案：油石質(zhì)量比為5.5%，玄武巖纖維摻雜為0.3%，硅藻土摻雜為7.5%，與對應(yīng)最優(yōu)馬歇爾穩(wěn)定度的配比一致。具有最佳聲學(xué)性能的材料配比：油石質(zhì)量比為6%，玄武巖纖維摻雜比為0.4%，硅藻土摻雜比為10%。然而，當(dāng)油石質(zhì)量比取6%時，材料的瀝青飽和度無法達(dá)到指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)范圍。結(jié)合以上信息，最終確定復(fù)合材料配比：油石質(zhì)量比為5.5%，玄武巖纖維摻雜比為0.3%，硅藻土摻雜比為7.5%。

2.2 試驗方法與過程

吸聲系數(shù)是材料能夠吸收的聲能與總聲能的比值，材料的吸聲系數(shù)能夠描述材料吸收聲音的能力。為評估硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料的吸聲降噪性能， 采用駐波管系統(tǒng)進(jìn)行基于傳遞函數(shù)法的吸聲系數(shù)測試。 阻抗管系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括駐波管、 功率放大設(shè)備、噪聲發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集模塊等部分。

駐波管內(nèi)徑為10 cm，兩側(cè)為噪聲發(fā)生器和樣品筒，噪聲發(fā)生器內(nèi)置有吸聲材料，樣品筒附近設(shè)有傳聲小孔，將礦料、橡膠瀝青、玄武巖纖維和硅藻土分別放入烘箱保溫5 h，預(yù)熱攪拌， 再置于馬歇爾模具中，得到半徑5 cm、高6.35 cm 的圓柱形試樣。在測試開始前，確保噪聲發(fā)生器可穩(wěn)定持續(xù)工作至少15 min，記錄測試溫度與氣壓。由于測試樣品量較少，因此使用交換通道法進(jìn)行校準(zhǔn)。

使用信號調(diào)理器，調(diào)節(jié)中心頻率點(diǎn)、功率增益、噪聲聲壓，對聲音信號進(jìn)行均衡。將制作好的圓柱形試樣置于樣品筒，運(yùn)行阻抗管系統(tǒng)，進(jìn)行測試。多次測試后導(dǎo)出吸聲系數(shù)數(shù)據(jù)，提取1/3倍頻帶，對250～1 600 Hz間的吸聲系數(shù)進(jìn)行記錄，并計算吸聲系數(shù)平均值，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，與機(jī)質(zhì)瀝青混合料相比，玄武巖纖維與硅藻土混合料的降噪性能較高，并且吸聲性能會隨著玄武巖比重的增加而增強(qiáng)。在車輛實際行駛中，車輪每降低10%的垂直振動即可減少 20 dB（A） 的噪聲。因此，具有良好減振性能的路面也能有效降低車輛行駛中產(chǎn)生的噪聲。路面的黏彈性能夠通過將車輪振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能等方式進(jìn)行減振與降噪。輪胎垂直振動的衰減情況能夠體現(xiàn)出復(fù)合改性瀝青材料的阻尼減振能力的強(qiáng)弱。為衡量路面材料的減振性能，采用輪胎垂直振動衰減試驗對復(fù)合材料進(jìn)行測試。將復(fù)合材料制作為車轍板試樣，連接加速度傳感器與輪胎輪轂幾何中心，以2 kHz的頻率進(jìn)行信號采集。將輪胎最低位置與車轍板試樣的垂直距離調(diào)整為3 cm，釋放輪胎，使測試輪胎發(fā)生自由落體與連續(xù)振動，直至輪胎保持靜止。最后對輪胎垂直自由振動過程中的能量衰減進(jìn)行測量。輪胎自由振動衰減試驗流程圖如圖3所示。

3 測試結(jié)果與分析

以油石質(zhì)量比為5.5%，玄武巖纖維摻雜比為0.3%，硅藻土摻雜比為7.5%的材料配比加工制得復(fù)合改性瀝青材料。制樣后，使用阻抗管系統(tǒng)進(jìn)行吸聲降噪試驗。記錄250～1 600 Hz頻域的1/3倍頻帶吸聲系數(shù)，并據(jù)此計算復(fù)合材料的平均吸聲系數(shù)，如表5所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，新型復(fù)合改性瀝青材料的吸聲系數(shù)在250～1 600 Hz均高于普通瀝青材料。平均吸聲系數(shù)高出0.035，即超出普通瀝青材料吸聲系數(shù)38.89%。由測試原始數(shù)據(jù)可以看出，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)最高值為0.387，而普通瀝青材料吸聲系數(shù)峰值為0.297，即復(fù)合材料吸聲系數(shù)峰值高出瀝青材料30.30%。因此可以認(rèn)為，復(fù)合材料中適當(dāng)摻雜玄武巖纖維和硅藻土的可以有效提高瀝青材料路面的吸聲能力，以達(dá)到降噪效果。

在輪胎垂直振動衰減試驗中，測試輪胎的胎壓為250 kPa，寬度為195 mm，斷面扁平比為60%，輪輞直徑為14 inch（355.6 mm）的米其林牌輪胎。測試系統(tǒng)為DH5922動態(tài)信號測試系統(tǒng)。從輪胎垂直振動衰減試驗加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)中，選取從輪胎發(fā)生垂直振動衰減至保持靜止的輪胎垂直振動數(shù)據(jù)，繪制振動曲線，提取出振幅的包絡(luò)線，并對振幅包絡(luò)線進(jìn)行擬合。瀝青材料和新型復(fù)合改性瀝青材料的振幅擬合包絡(luò)線如圖4所示。

從圖4中可以看出，相較于無摻雜瀝青材料，摻雜了玄武巖纖維與硅藻土的新型復(fù)合改性瀝青材料振幅下降速度更快。這可能是因為含有較多孔隙的硅藻土的添加使得復(fù)合材料能夠容納更多的瀝青，增加了復(fù)合材料的黏彈性。不同摻量改性瀝青混合料的阻尼比結(jié)果，如圖5所示。

從圖5可以看出，玄武巖纖維的阻尼性能提高了材料的摩擦阻尼，使車輪和路面摩擦產(chǎn)生的能量能夠快速降低，而玄武巖纖維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠提高復(fù)合材料的韌性，多因素協(xié)同作用使復(fù)合材料最終實現(xiàn)了減振降噪的效果。

4 結(jié) 語

路面材料的選擇是道路工程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，選用材料需要綜合考慮材料的力學(xué)性質(zhì)與聲學(xué)特性，路面材料的選擇不當(dāng)可能會導(dǎo)致路面發(fā)生開裂、塌陷、噪聲污染等問題，

為在保證路面材料力學(xué)性能的同時提高材料減振降噪能力，本文對2種材料進(jìn)行了試驗對比研究。測試結(jié)果表明，在油石質(zhì)量比5.5%，玄武巖纖維摻雜比0.3%，硅藻土摻雜比7.5%的最佳配比下，新型復(fù)合改性瀝青材料的吸聲系數(shù)在測試范圍內(nèi)始終高于普通瀝青材料，其均值高出原始材料30.30%，其峰值高出38.89%。硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料的減振能力也高出普通瀝青材料，為降低瀝青路面材料的減振降噪性能提供了數(shù)據(jù)模擬參考，為同質(zhì)路面材料的優(yōu)化提供了依據(jù)。

本研究對道路表面紋理與路面結(jié)構(gòu)未進(jìn)行深入探討，今后將就此作進(jìn)一步研究，以優(yōu)化硅藻土與玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青材料路面的減振降噪性能。

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