外摻劑對(duì)SMA-13瀝青混合料高溫性能影響試驗(yàn)研究

羅楚凡，康愛紅，吳幫偉，孫慶浩，范 釗

揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127

0 引言

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)瀝青路面以其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、低噪音、耐久性、耐磨性等特點(diǎn)被認(rèn)為解決車轍問題的最優(yōu)答案,在現(xiàn)代高等級(jí)道路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用.然而,隨著物流業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)爆發(fā)式的增長(zhǎng),SMA路面的各項(xiàng)性能也受到了巨大考驗(yàn),車轍病害[1]時(shí)有發(fā)生,道路的使用壽命也隨之降低,行車舒適度和駕駛安全受到了很大的影響.在SMA路面中摻入各種外摻劑成為了改善其路用性能的普遍選擇.目前,我國(guó)大部分地區(qū)均采用木質(zhì)素纖維(下文簡(jiǎn)稱LF)摻入SMA瀝青路面中,其作用是防止瀝青滴漏.然而木質(zhì)素纖維較好的吸附瀝青能力是一把雙刃劍,纖維內(nèi)部吸附的瀝青既不增加瀝青油膜厚度,也不提高路面強(qiáng)度,反而增加了瀝青用量,使道路造價(jià)成本提高.抗車轍劑是一種廣泛使用的外摻劑,可以大幅提高SMA的高溫性能[2].

此外,玄武巖纖維(下文簡(jiǎn)稱BF)是近年來逐漸興起的一種外摻劑,以其優(yōu)良的性能、原材料分布廣且低廉等優(yōu)點(diǎn),在瀝青路面建設(shè)中受到越來越多的重視.現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-5]對(duì)各級(jí)配瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了大量的研究,發(fā)現(xiàn)將玄武巖纖維的摻入能夠全面提高瀝青混凝土路面的高溫抗車轍能力、抗低溫開裂能力、抗水損害能力、抗疲勞開裂能力等路用性能.抗車轍劑和纖維此類外摻劑使用方便、存儲(chǔ)安全、與瀝青的匹配性較好,在施工階段不需要改變施工流程,在混合料拌合階段適當(dāng)延長(zhǎng)拌合時(shí)間和升高拌合溫度即可,聚合物改性劑在使用過程中會(huì)發(fā)生降解，因此在使用初期并不一定導(dǎo)致瀝青混合料抗車轍性能最弱.

目前，學(xué)者[6]對(duì)此類外摻劑的研究尚不夠全面,僅限于剛投入服役的瀝青路面路用性能的提升效果進(jìn)行研究,對(duì)于服役一定年限后的瀝青路面,其外摻劑在長(zhǎng)期路用性能方面是否具有同樣的增強(qiáng)效果缺少深入研究.因此,需要考察瀝青混合料長(zhǎng)期性能試驗(yàn)[7].

本文基于車轍試驗(yàn)和單軸貫入度試驗(yàn),對(duì)外摻擠在SMA-13瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究,外摻擠對(duì)于瀝青混合料的長(zhǎng)期作用將通過長(zhǎng)期老化的方法進(jìn)行研究,為實(shí)際施工過程中外摻劑的選用、路用性能的提高提供一定的理論支撐.

1 原材料及其性能檢測(cè)

1.1 原材料性能檢測(cè)

1.1.1 集料和填料

本文的粗集料選用玄武巖集料,石質(zhì)堅(jiān)硬、潔凈、表面粗糙、堅(jiān)韌有棱角；細(xì)集料采用石灰?guī)r集料；填料為石灰?guī)r礦粉,粉體干燥潔凈、不成團(tuán)、無雜質(zhì).根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)相關(guān)規(guī)定,對(duì)其進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)和性能檢測(cè),結(jié)果見表1,表2.

表1 填料性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Packing performance indicators and test results

表2 集料密度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Aggregate density test results

1.1.2 瀝青

本文采用SBS成品改性瀝青,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中相關(guān)試驗(yàn)方法對(duì)瀝青性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3,改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

表3 SBS改性瀝青性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 SBS modified asphalt performance indicators and test results

1.1.3 外加劑

本試驗(yàn)選用的玄武巖纖維為江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司生產(chǎn)的玄武巖短切纖維,纖維呈金褐色,平直、無雜質(zhì),根據(jù)課題組前期研究成果及調(diào)研相關(guān)學(xué)者研究[8],選取6 mm長(zhǎng)度的短切玄武巖纖維應(yīng)用于SMA-13瀝青混合料中.玄武巖短切纖維的技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4.

本試驗(yàn)選用的木質(zhì)素纖維為瑞登梅父子公司生產(chǎn)的ZZ8/1型絮狀纖維,色澤呈現(xiàn)白色或灰色,其技術(shù)性能符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)的要求.木質(zhì)素纖維的技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 木質(zhì)素纖維性能指標(biāo)及檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 5 Lignin fiber performance indicators and test data

抗車轍劑是多種高分子聚合物復(fù)合而成的瀝青混合料抗車轍專用添加劑,本文所采用的的抗車轍劑外觀呈黑色扁平狀的固體顆粒,可在常溫下長(zhǎng)期保存,其技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果見表6.

表6 抗車轍劑技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Table 6 Rutting-resistance test results

2 SMA-13瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

采用馬歇爾設(shè)計(jì)法對(duì)3種SMA-13瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和抗車轍劑的摻量分別為瀝青混合料質(zhì)量的0.4 %,0.3 %和0.5 %,3種瀝青混合料的最佳油石比和相應(yīng)的馬歇爾指標(biāo)如表7所示.

表7 玄武巖纖維SMA-13體積參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Rutting-resistance test results

3 不同外摻劑SMA-13瀝青混合料高溫性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方法和測(cè)試結(jié)果

本文分別采用車轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)測(cè)試瀝青混合料的高溫性能,其中車轍試驗(yàn)是一種工程模擬式的試驗(yàn),模擬實(shí)際車輪在瀝青路面上的行駛,分析瀝青路面產(chǎn)生的車轍變形量與輪碾次數(shù)之間的關(guān)系,以動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能.

單軸貫入試驗(yàn)最早是由同濟(jì)大學(xué)孫立軍教授提出的,該試驗(yàn)方法的原理是利用小直徑鋼壓頭對(duì)圓柱體試件進(jìn)行加壓,因?yàn)殇搲侯^的直徑遠(yuǎn)小于試件的直徑,所以在試驗(yàn)過程中,混合料會(huì)對(duì)壓頭產(chǎn)生側(cè)向的約束力,產(chǎn)生橫向約束,其受力狀態(tài)與實(shí)際路面受力相似.該方法以貫入強(qiáng)度評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能.

車轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)分別見圖1，圖2,測(cè)試結(jié)果分別見表8，表9.

圖1 車轍試驗(yàn)Fig.1 Rutting test

圖2 單軸貫入試驗(yàn)Fig.2 Single-axis penetration test

表8 老化前后SMA-13瀝青混合料高溫車轍試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 8 High temperature rutting test results of SMA-13 asphalt mixture before and after aging

表9 老化前后SMA-13瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 9 SMA-13 asphalt mixture uniaxial penetration test results before and after aging

同時(shí),為了考察3種SMA13瀝青混合料在長(zhǎng)期服役過程中高溫性能的變化趨勢(shì),本文分別對(duì)瀝青混合料進(jìn)行了短期和長(zhǎng)期老化,以模擬瀝青混合料的不同服役年限,其中短期老化模擬瀝青混合料在生產(chǎn)和施工過程中的老化行為,長(zhǎng)期老化模擬瀝青混合料服役5年～7年后的老化.按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJE20-2011)中的熱拌瀝青混合料加速老化方法(T 0734-2000)進(jìn)行試驗(yàn),具體方法如下:

短期老化:將拌和好的松散瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤中,放入135 ℃±1 ℃的烘箱內(nèi),連續(xù)加熱240 min±5 min.加熱階段每小時(shí)翻拌一次,4 h后從烘箱中取出混合料成型試件.

長(zhǎng)期老化:先將瀝青混合料進(jìn)行短期老化并成型相應(yīng)試件,冷卻脫模后放入85 ℃±3 ℃烘箱中連續(xù)加熱5 d(120 h±0.5 h),冷卻后取出試件,進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn).

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 瀝青混合料短期高溫性能分析

相較于傳統(tǒng)的木質(zhì)素纖維SMA-13瀝青混合料,復(fù)摻抗車轍劑和木質(zhì)素纖維的SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度提高150 %,貫入強(qiáng)度提高31 %;玄武巖纖維SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度提高25 %,貫入強(qiáng)度提高30 %.說明玄武巖纖維和抗車轍劑的摻入都能顯著提高SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和貫入強(qiáng)度,抗車轍劑對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的提高效果尤為顯著.此外,與車轍試驗(yàn)相比,抗車轍劑對(duì)貫入強(qiáng)度的提高幅度沒有動(dòng)穩(wěn)定度的提高幅度明顯.

由表8可知,復(fù)摻抗車轍劑和木質(zhì)素纖維的瀝青混合料車轍深度最淺,說明抗車轍劑溶解于瀝青、礦粉和纖維膠結(jié)形成的瀝青瑪蹄脂中,提高了瀝青瑪蹄脂的粘聚力,增強(qiáng)了瀝青混合料抵抗高溫變形的能力.對(duì)比玄武巖纖維SMA-13和木質(zhì)素纖維SMA-13瀝青混合料的轍槽深度,發(fā)現(xiàn)在20 min之后玄武巖纖維瀝青混合料的車轍變形速率明顯降低,說明玄武巖纖維在混合料中起到了加筋作用,使瀝青混合料抗車轍、抗變形能力增強(qiáng),在車轍作用下產(chǎn)生的相對(duì)位移要小于木質(zhì)素纖維瀝青混合料.此外，瀝青混合料的韌性得到了極大的提高,從而有效地提高了瀝青混合料抗剪切變形的能力.

3.2.2 瀝青混合料長(zhǎng)期高溫性能分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知,瀝青混合料的長(zhǎng)期性能的變化趨勢(shì)在短期老化階段變化尤為明顯,短期老化階段瀝青混合料的性能變化幅度最大,而長(zhǎng)期老化后的混合料性能與短期老化相比變化較小.

對(duì)比3種混合料動(dòng)穩(wěn)定度的變化趨勢(shì),隨著瀝青混合料的老化時(shí)間增加,動(dòng)穩(wěn)定度迅速減弱,長(zhǎng)期老化結(jié)束后,復(fù)摻抗車轍劑與木質(zhì)素纖維的SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度已經(jīng)和玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料相差無幾,相較于玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料僅提高2 %,較木質(zhì)素纖維提高70 %.

對(duì)比玄武巖纖維SMA-13和木質(zhì)素纖維SMA-13的老化前后車轍試驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì),車轍變形隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)呈減小趨勢(shì),短期老化、長(zhǎng)期老化后的動(dòng)穩(wěn)定度較未老化、短期老化時(shí)分別提高14 %和7 %.與此同時(shí),木質(zhì)素纖維SMA-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)呈減小趨勢(shì),短期老化、長(zhǎng)期老化后的動(dòng)穩(wěn)定度較未老化、短期老化時(shí)分別減少6 %和3 %,二者的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)相反的結(jié)果.

這是因?yàn)樾鋷r纖維和木質(zhì)素纖維都是通過“復(fù)合材料化”的方法對(duì)瀝青進(jìn)行改性,不同的纖維對(duì)SBS改性瀝青所產(chǎn)生的作用也不一樣.相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),SBS改性瀝青中的SBS改性劑會(huì)隨著老化時(shí)間的增加而析出揮發(fā),降低SBS改性瀝青的各項(xiàng)性能[9].此外,玄武巖纖維在SBS改性瀝青中各項(xiàng)性能的提升幅度最優(yōu)[10],說明玄武巖纖維與SBS改性瀝青的結(jié)合性更好，文獻(xiàn)[11]也印證了這一點(diǎn).

綜上所述,在長(zhǎng)期性能方面,通過長(zhǎng)期老化的瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)和單軸貫入度試驗(yàn)，可以得出玄武巖纖維瀝青混合料會(huì)隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,然而木質(zhì)素纖維瀝青混合料與外摻擠與木質(zhì)素纖維的瀝青混合料隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,尤其是外摻擠與木質(zhì)素纖維的瀝青混合料,降低速度特別迅速.

4 結(jié)論

本文對(duì)玄武巖纖維SMA-13混合料、木質(zhì)素纖維SMA-13混合料、復(fù)摻抗車轍劑與木質(zhì)素纖維的SMA-13混合料的路用性能進(jìn)行了研究,得出主要結(jié)論如下:

(1) 瀝青混合料的老化過程主要集中在短期老化階段,短期老化階段瀝青混合料的性能變化幅度最大,而長(zhǎng)期老化后聚合物改性劑會(huì)發(fā)生降解導(dǎo)致其高溫性能衰減，而玄武巖纖維可以避免這一現(xiàn)象.

(2) 抗車轍劑的摻入可以大幅改善瀝青混合料的高溫性能，玄武巖纖維的摻入能夠有效提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.

(3) 在經(jīng)歷長(zhǎng)期老化作用，復(fù)摻抗車轍劑與木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青混合料性能的改善程度低于玄武巖纖維瀝青混合料,并且與之相比衰減速度迅速.