蒙脫土對(duì)瀝青混合料路用性能的影響研究

葉 真

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

為克服路面材料受到光照、雨水、氧氣以及荷載等綜合作用致使路面材料性能嚴(yán)重衰減的問(wèn)題，聚合物改性瀝青材料越來(lái)越多地運(yùn)用到路面中[1]。相比于普通瀝青混合料路面性能，聚合物改性瀝青路面能夠承受更重的荷載，具有更好的高溫穩(wěn)定性能，很大程度上提高了瀝青路面的質(zhì)量。雖然聚合物改性瀝青能夠很大程度上提高瀝青混合料的各方面性能，但也存在許多不足之處：聚合物材料比較昂貴，易老化，易離析[2-3]，這些都極大地限制了聚合物改性瀝青的應(yīng)用范圍。而非聚合物改性瀝青例如硅藻土、蒙脫土改性瀝青越來(lái)越得到學(xué)者們的關(guān)注[4]。目前，很多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了蒙脫土改性瀝青的研究。比如長(zhǎng)安大學(xué)的吁新華[5]，研究了蒙脫土改性瀝青混合料施工技術(shù)；武漢理工大學(xué)的李斌[6]研究了蒙脫土的改性機(jī)理等。但對(duì)不同基質(zhì)瀝青的改性效果以及蒙脫土摻量對(duì)瀝青混合料影響的相關(guān)研究較少。為對(duì)蒙脫土改性瀝青路面提供較優(yōu)的改性材料使用方案，結(jié)合國(guó)內(nèi)3種常用的基質(zhì)瀝青，分別采用浸水Marshall試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)確定蒙脫土摻量對(duì)瀝青混合料性能的影響，為工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1.1 蒙脫土

蒙脫土為主要非聚合物改性劑，其主要檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 蒙脫土檢測(cè)指標(biāo)

1.2 基質(zhì)瀝青

研究采用的3種基質(zhì)瀝青分別為70號(hào)、90號(hào)和110號(hào)，均為A級(jí)基質(zhì)瀝青。相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表2 ～表4。

表2 70號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果

表3 90號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果

表4 110號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果

1.3 集料與礦粉

表5為集料和礦粉技術(shù)性能檢測(cè)結(jié)果表。表6為采用的級(jí)配。

表5 集料與礦粉檢測(cè)結(jié)果

表6 AC-20C集料級(jí)配

2 試驗(yàn)方案

2.1 制備蒙脫土改性瀝青

本試驗(yàn)采用的瀝青材料為國(guó)內(nèi)常用的70號(hào)、90號(hào)和110號(hào)A級(jí)道路石油瀝青。將基質(zhì)瀝青放入160℃的烘箱中加熱40 min，至流動(dòng)狀態(tài)，然后將試驗(yàn)比例的蒙脫土材料放入瀝青中。機(jī)械攪拌約15 min，然后用高速剪切機(jī)，以4 000 r/min的速度剪切20 min，隨后將高速剪切后的瀝青放進(jìn)超聲波分散儀下，進(jìn)行時(shí)間約為25 min的超聲波震蕩融合，最后制得蒙脫土改性瀝青。

2.2 制備蒙脫土改性瀝青混合料試件及測(cè)試

油石比統(tǒng)一采用經(jīng)驗(yàn)值5.1%。為了研究蒙脫土摻量對(duì)瀝青混合料利用性能的影響，結(jié)合規(guī)范要求[7]，需要進(jìn)行浸水Marshall試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)，分別以蒙脫土改性瀝青混合料試件的殘留穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度和疲勞壽命作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體試驗(yàn)方案流程見(jiàn)圖1。

圖1 方案流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照規(guī)范[7]要求，進(jìn)行浸水Marshall試驗(yàn)測(cè)試試件的穩(wěn)定度，對(duì)比研究蒙脫土改性材料在不同添加劑量條件下，對(duì)3種基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能作用效果。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7可得，不同類型的試件殘留穩(wěn)定度，都符合規(guī)范要求（大于等于85%）。經(jīng)蒙脫土改性的試件，其殘留穩(wěn)定度均有不同程度的提高，說(shuō)明蒙脫土改性材料可以促進(jìn)基質(zhì)瀝青試件的水穩(wěn)定性。添加蒙脫土70號(hào)瀝青混合料，在摻量從3%增加到4%時(shí)，其殘留穩(wěn)定度增長(zhǎng)率從3.0%減少到0.1%，后續(xù)摻量的繼續(xù)增加并不會(huì)使殘留穩(wěn)定度顯著提高，由此可見(jiàn)較佳摻量宜為3%；添加蒙脫土90號(hào)瀝青混合料，在添加劑量由4%增加到5%時(shí)，其殘留穩(wěn)定度增長(zhǎng)率由2.4%減少到0.1%，可見(jiàn)最佳摻量為4%時(shí)；添加蒙脫土的110號(hào)瀝青混合料，在添加劑量從3%增加到4%時(shí)，其殘留穩(wěn)定度增長(zhǎng)率從2.7%下降到0.2%，可見(jiàn)最佳摻量為3%時(shí)。

總體而言，不同類型的瀝青混合料試件的殘留穩(wěn)定度與蒙脫土摻量上呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，在達(dá)到一定劑量時(shí)，其試件的殘留穩(wěn)定度提升速率突然下降，即蒙脫土對(duì)上述瀝青混合料水穩(wěn)定性能的改善存在較佳摻量。

3.2 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)車轍試驗(yàn)對(duì)比研究在不同添加劑量條件下，蒙脫土對(duì)3種基質(zhì)瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度影響效果。動(dòng)穩(wěn)定度檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

表8 試件動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，不同類型的瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度都可以滿足規(guī)范要求（大于等于800次/mm）。添加蒙脫土70號(hào)瀝青混合料，在摻量由4%增加到5%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)率由7.7%減少到接近于0，所以70號(hào)瀝青混合料蒙脫土添加劑量為4%時(shí)，其試件高溫性能達(dá)到較優(yōu)效果；添加蒙脫土90號(hào)瀝青混合料，在摻量由3%增加到4%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)率由9.9%減少到接近于0，所以90號(hào)瀝青混合料蒙脫土添加劑量為3%時(shí)，其試件高溫性能達(dá)到較優(yōu)效果；添加蒙脫土110號(hào)瀝青混合料，在摻量由3%增加到4%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)率由14.2%減少到接近于0，所以110號(hào)瀝青混合料蒙脫土添加劑量為3%時(shí)，其試件高溫性能達(dá)到較優(yōu)效果。

本試驗(yàn)所研究的3種蒙脫土改性瀝青混合料試件的高溫性能與蒙脫土摻量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，但在達(dá)到一定劑量時(shí)，其試件的動(dòng)穩(wěn)定度提升速率突然下降，即蒙脫土對(duì)上述瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的改善亦存在較佳摻量。

3.3 抗疲勞性試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用小梁彎曲疲勞試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的平行試件為4個(gè)，有效試件的個(gè)數(shù)不能小于3個(gè)，取其均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)采用的應(yīng)力比（疲勞應(yīng)力/破壞強(qiáng)度）為0.4，采用四分點(diǎn)加載，試驗(yàn)溫度為20℃。疲勞壽命（加載次數(shù)）如表9所示。

由表9可知，試件的疲勞壽命均有不同程度的提高，說(shuō)明蒙脫土改性材料能夠提高基質(zhì)瀝青混合料的抗疲勞特性。對(duì)于70號(hào)瀝青混合料，在蒙脫土摻量為3%、4%時(shí)，其疲勞壽命增長(zhǎng)率分別為14.4%、1.1%，可見(jiàn)在添加劑量為3%時(shí)，其抗疲勞性能達(dá)到較優(yōu)效果。對(duì)于90號(hào)瀝青混合料，在蒙脫土摻量為3%、4%時(shí)，其疲勞壽命增長(zhǎng)率分別為18.7%、0.5%，可見(jiàn)在添加劑量為3%時(shí)，其抗疲勞性能達(dá)到較優(yōu)效果。添加蒙脫土110號(hào)瀝青混合料，在添加劑量為4%、5%時(shí)，其疲勞壽命增長(zhǎng)率分別為13.3%、0.6%，可見(jiàn)摻量為4%時(shí)，其抗疲勞性能達(dá)到較優(yōu)效果。

表9 試件抗疲勞試驗(yàn)結(jié)果

上述3種蒙脫土瀝青混合料試件的抗疲勞性能均隨著蒙脫土添加劑量的增加而升高。在達(dá)到一定劑量時(shí)，疲勞壽命提高速率突然放緩，即蒙脫土對(duì)上述瀝青混合料抗疲勞性能的改善亦存在較佳摻量。

4 結(jié)語(yǔ)

a）適量的蒙脫土能夠提高3種瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞特性。

b）蒙脫土對(duì)瀝青混合料性能的提升存在較佳摻量。殘留穩(wěn)定度推薦的是添加4%蒙脫土的90號(hào)瀝青混合料，達(dá)97.2%，其水穩(wěn)定性能較優(yōu)。添加4%蒙脫土的70號(hào)瀝青混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度為1 926次/mm，在3組瀝青混合料中，其高溫穩(wěn)定性較優(yōu)。疲勞壽命較佳的是添加4%蒙脫土的110號(hào)瀝青混合料，抗疲勞性能相對(duì)最優(yōu)。