基于道路施工的路基填料-瀝青改性研究

李響 黃進進 王柳殊 李明軍

摘 要：為了對基于道路施工的路基填料-瀝青進行改性，考察了SBS、HV、SK90和KL70瀝青與路基填料的交互作用。結(jié)果表明，隨著填料體積百分數(shù)增加，瀝青-填料復(fù)數(shù)剪切模量C逐漸減小，剪切模量系數(shù)G、愛因斯坦系數(shù)k和復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η逐漸增加;相同填料體積分數(shù)下，瀝青-填料的復(fù)數(shù)剪切模量C、剪切模量系數(shù)G和復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η從大至小的順序為：SBS>HV> SK90> KL70，愛因斯坦系數(shù)k從大至小的順序為：KL70>SBS>HV>SK90。隨著填料體積分數(shù)的增加，交互作用系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的特征，填料關(guān)鍵體積分數(shù)從大至小順序為KL>SK>HV>SBS。影響瀝青-填料交互作用最明顯的是瀝青中的羥基和填料中的CaCO3。

關(guān)鍵詞：道路施工;路基填料;瀝青;種類;交互作用系數(shù)

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0124-04

Research on Subgrade Filler Asphalt Modification Based on Road Construction

Li Xiang， Huang Jinjin， Wang Liushu， Li Mingjun

（Sichuan Communication Surveying and Design Institute Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China）

Abstract：In order to modify the subgrade filler asphalt based on road construction， interaction between SBS， HV， SK90 and KL70 asphalt and roadbed filler was investigated. The results show that the complex shear modulus C of asphalt filler decreases with the increase of filler volume fraction， while the shear modulus coefficient G， Einstein coefficient k and complex viscosity coefficient η increase gradually; Under the same filler volume fraction， the order of the complex shear modulus C， shear modulus coefficient G and complex viscosity coefficient η of asphalt-filler from large to small is： SBS>HV> SK90> KL70， and the Einstein coefficient k from large to small order： KL70 > SBS > HV > SK90. With the increase of filler volume fraction， the interaction coefficient shows a characteristic of gradual decrease. The order of the key volume fraction of filler is KL > SK > HV > SBS. The most obvious factors affecting the interaction between asphalt and filler are hydroxyl group in asphalt and CaCO3 in filler.

Key words：road construction; subgrade filling; asphalt; type; interaction coefficient

隨著近年來城鎮(zhèn)化的不斷推進和國內(nèi)交通運輸行業(yè)的快速發(fā)展，道路等基建工程也迎來了巨大的發(fā)展機遇，如何在保障交通安全的前提下，盡可能提高道路路基的穩(wěn)定性和質(zhì)量，是道路施工從業(yè)人員關(guān)心的技術(shù)難題[1-2]。在道路施工過程中，瀝青膠漿的性能主要受填料性質(zhì)、填料體積分數(shù)以及填料與瀝青之間的交互作用影響[3]，而目前科研工作者大多從填料種類以及填料體積分數(shù)方面考察瀝青-填料膠漿的力學(xué)性能，而對填料與瀝青之間的交互作用影響及其作用機理方面的報道較少[4-5]。在此基礎(chǔ)上，本文從交互作用角度出發(fā)，考察不同類型的瀝青對瀝青-填料的改性作用及對其交互作用的影響，以期為高綜合性能的道路施工用路基填料的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗原料包括SK90基質(zhì)瀝青（針入度83/0.1mm、軟化點45.6/℃、延度118/cm、PG分級52-28/℃）、KL70基質(zhì)瀝青（針入度66/0.1mm、軟化點47.6/℃、延度129/cm、PG分級58-22/℃）、SBS改性瀝青（針入度63/0.1mm、軟化點87.6/℃、延度38/cm、PG分級76-28/℃）和HV高黏瀝青（針入度66.6/0.1mm、軟化點85.6/℃、延度40/cm、PG分級76-28/℃）。填料為石灰石礦粉+25%水泥（密度2.743g/cm3、比表面積449m2/kg）。

路基瀝青-填料膠漿制備過程中共設(shè)計了4種粉膠比，轉(zhuǎn)換為填料體積分數(shù)（填料體積與瀝青膠漿體積之比）介于0.23～0.68;首選制備瀝青膠漿，瀝青和礦粉分別加熱至138℃和108℃，二者在電動攪拌器中充分混合20min后直至表面沒有氣泡冒出。

為了考察不同瀝青-填料的交互作用關(guān)系，分別計算了瀝青-填料的愛因斯坦系數(shù)K、復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η、復(fù)數(shù)剪切模量Palierne C指標和復(fù)數(shù)剪切模量系數(shù)G[6-9]。

2 結(jié)果與分析

圖1為瀝青種類對瀝青-填料復(fù)數(shù)剪切模量C的影響。對于SK90瀝青而言，隨著填料體積百分數(shù)增加，瀝青-填料復(fù)數(shù)剪切模量C呈現(xiàn)逐漸減小的特征，填料體積分數(shù)為0.23的試樣的復(fù)數(shù)剪切模量C最大，而填料體積分數(shù)為0.68的試樣的復(fù)數(shù)剪切模量C最小;對于KL瀝青、SBS瀝青和HV瀝青，復(fù)數(shù)剪切模量C同樣會隨著填料體積分數(shù)增加而逐漸減小。對于相同填料體積分數(shù)的試樣，瀝青-填料的復(fù)數(shù)剪切模量C從大至小的順序為：SBS>HV> SK90> KL70。

圖2為瀝青種類對瀝青-填料剪切模量系數(shù)G的影響。對于SK90瀝青而言，隨著填料體積百分數(shù)增加，瀝青-填料剪切模量系數(shù)G呈現(xiàn)逐漸增加的特征，填料體積分數(shù)為0.23的試樣的剪切模量系數(shù)G最小，而填料體積分數(shù)為0.68的試樣的剪切模量系數(shù)G最大;對于KL瀝青、SBS瀝青和HV瀝青，剪切模量系數(shù)G同樣會隨著填料體積分數(shù)增加而逐漸增大。對于相同填料體積分數(shù)的試樣，瀝青-填料的剪切模量系數(shù)G從大至小的順序為：SBS>HV> SK90> KL70。

圖3為瀝青種類對瀝青-填料愛因斯坦系數(shù)k的影響。對于SK90瀝青而言，隨著填料體積百分數(shù)增加，瀝青-填料愛因斯坦系數(shù)k呈現(xiàn)逐漸增加的特征，填料體積分數(shù)為0.23的試樣的愛因斯坦系數(shù)k最小，而填料體積分數(shù)為0.68的試樣的愛因斯坦系數(shù)k最大;對于KL瀝青、SBS瀝青和HV瀝青，愛因斯坦系數(shù)k同樣會隨著填料體積分數(shù)增加而逐漸增大。對于相同填料體積分數(shù)的試樣，瀝青-填料的愛因斯坦系數(shù)k從大至小的順序為：KL70>SBS>HV>SK90。

圖4為瀝青種類對瀝青-填料復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η的影響。對于SK90瀝青而言，隨著填料體積百分數(shù)增加，瀝青-填料復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η呈現(xiàn)逐漸增加的特征，填料體積分數(shù)為0.23的試樣的復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η最小，而填料體積分數(shù)為0.68的試樣的復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η最大;對于KL瀝青、SBS瀝青和HV瀝青，復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η同樣會隨著填料體積分數(shù)增加而逐漸增大。對于相同填料體積分數(shù)的試樣，瀝青-填料的復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η從大至小的順序為：SBS>HV> SK90> KL70。

綜合圖1～圖4的瀝青種類對瀝青-填料的交互作用評價指標的影響可知，瀝青種類會對瀝青-填料的愛因斯坦系數(shù)K產(chǎn)生明顯影響，瀝青種類對復(fù)數(shù)剪切模量系數(shù)G和復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η的影響相當且敏感程度低于愛因斯坦系數(shù)K，而瀝青種類對復(fù)數(shù)剪切模量C的影響最小，無論采用哪種瀝青，復(fù)數(shù)剪切模量C都介于1.04～1.36之間。

表1為4種瀝青與不同體積分數(shù)填料之間的交互作用系數(shù)和關(guān)鍵體積分數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。當填料體積分數(shù)為0.23時，SK、KL、SBS和HV基質(zhì)瀝青與填料之間的交互作用系數(shù)分別為1.89、1.51、2.28和2.08;當填料體積分數(shù)為0.38時，SK、KL、SBS和HV基質(zhì)瀝青與填料之間的交互作用系數(shù)分別為1.49、1.38、1.89和1.60;當填料體積分數(shù)為0.53時，SK、KL、SBS和HV基質(zhì)瀝青與填料之間的交互作用系數(shù)分別為1.25、1.18、1.60和1.38;當填料體積分數(shù)為0.68時，SK、KL、SBS和HV基質(zhì)瀝青與填料之間的交互作用系數(shù)分別為1.17、1.13、1.15和1.18。對于同一類型的瀝青，隨著填料體積分數(shù)的增加，交互作用系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的特征，填料體積分數(shù)越小則交互作用系數(shù)越大;SK、KL、SBS和HV基質(zhì)瀝青的關(guān)鍵體積分數(shù)分布為0.39、0.56、0.26和0.32，填料關(guān)鍵體積分數(shù)從大至小順序為KL>SK>HV>SBS，可見，填料關(guān)鍵體積分數(shù)與復(fù)數(shù)剪切模量系數(shù)G、復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η和復(fù)數(shù)剪切模量C都保持著方向相關(guān)性。

由于試樣厚度不同等造成的紅外輻射的路徑差異會對透射率絕對值產(chǎn)生一定影響，因此進一步采用歸一化方式對4種不同瀝青中的官能團指數(shù)進行了計算分析[11-12]，結(jié)果如表2所示。

對于SK基質(zhì)瀝青，羥基指數(shù)（A）、亞砜基指數(shù)（B）、芳香族指數(shù)（C）和脂肪族指數(shù)（D）分別為0.007、0.004、0.248和0.054;對于KL基質(zhì)瀝青，羥基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳香族指數(shù)和脂肪族指數(shù)分別為0.009、0.014、0.033和0.068;對于SBS基質(zhì)瀝青，羥基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳香族指數(shù)和脂肪族指數(shù)分別為0.009、0.011、0.123和0.071;對于HV基質(zhì)瀝青，羥基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳香族指數(shù)和脂肪族指數(shù)分別為0.008、0.007、0.221和0.067。

表3為不同填料體積分數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，分別列出了瀝青中4種官能團和填料中CaCO3、Ca（OH）2和氧化物的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。從瀝青的羥基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳香族指數(shù)和脂肪族指數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)（該值越大則表示交互作用關(guān)聯(lián)性越好[13]）來看，羥基指數(shù)的關(guān)聯(lián)性最好，而亞砜基指數(shù)關(guān)聯(lián)性最差;從填料中CaCO3、Ca（OH）2和氧化物的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)來看，CaCO3和Ca（OH）2的關(guān)聯(lián)性較好，而氧化物的關(guān)聯(lián)性較低。綜合而言，影響瀝青-填料交互作用最明顯的是瀝青中的羥基和填料中的CaCO3。

3 結(jié)論

（1）對于相同填料體積分數(shù)的試樣，瀝青-填料的復(fù)數(shù)剪切模量C從大至小的順序為：SBS>HV> SK90> KL70，瀝青-填料的剪切模量系數(shù)G從大至小的順序為：SBS>HV> SK90> KL70，瀝青-填料的愛因斯坦系數(shù)k從大至小的順序為：KL70>SBS>HV>SK90，瀝青-填料的復(fù)數(shù)粘度系數(shù)η從大至小的順序為：SBS>HV>SK90>KL70。

（2）對于同一類型的瀝青，隨著填料體積分數(shù)的增加，交互作用系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的特征，填料體積分數(shù)越小則交互作用系數(shù)越大;SK、KL、SBS和HV基質(zhì)瀝青的關(guān)鍵體積分數(shù)分布為0.39、0.56、0.26和0.32，填料關(guān)鍵體積分數(shù)從大至小順序為KL>SK>HV>SBS。

（3）從瀝青的羥基指數(shù)、亞砜基指數(shù)、芳香族指數(shù)和脂肪族指數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)來看，羥基指數(shù)的關(guān)聯(lián)性最好，而亞砜基指數(shù)關(guān)聯(lián)性最差;從填料中CaCO3、Ca（OH）2和氧化物的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)來看，CaCO3和Ca（OH）2的關(guān)聯(lián)性較好，而氧化物的關(guān)聯(lián)性較低。

參考文獻

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