耐堿玻璃纖維與納米二氧化硅材料對(duì)OGFC性能的影響研究

夏天文，趙承偉，張大斌

(1.八步交通運(yùn)輸局，廣西 賀州 542800；2.廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

OGFC是一種具有較多內(nèi)部連通空隙的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，適用于多雨濕潤(rùn)地區(qū)道路工程瀝青路面表面層的鋪筑，能夠顯著改善瀝青路面的排水性能，兼具良好的抗滑和降噪功能[1]。但OGFC過(guò)大的空隙率也會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題。

已有研究表明，OGFC瀝青混合料的力學(xué)性能隨著空隙率的增加而逐漸減小，力學(xué)性能與排水性能呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)空隙率超過(guò)21%時(shí)，混合料的高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性等均出現(xiàn)較大程度的衰減[2]。此外，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，OGFC瀝青路面通常會(huì)承受長(zhǎng)時(shí)間的雨水沖刷、曝曬和凍融等作用，容易發(fā)生局部破壞而影響行車安全[3]。

為解決上述問(wèn)題，通常在混合料中摻加纖維制備改性O(shè)GFC瀝青混合料，以改善其低溫、高溫和凍融等環(huán)境下的力學(xué)及路用性能[4]。目前，改性O(shè)GFC瀝青混合料常用的纖維有聚酯纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維及耐堿玻璃纖維等。王玉林等[5]研究了摻加木質(zhì)素纖維對(duì)再生OGFC瀝青混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)引入木質(zhì)素纖維可以有效改善再生透水瀝青混合料的高溫性能、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性。何東坡等[6]在OGFC中加入了不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維，通過(guò)開(kāi)展析漏試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)、抗滑試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和滲水試驗(yàn)，證實(shí)玄武巖纖維的加入改善了混合料的路用性能。

耐堿玻璃纖維是以SiO2含量較大的礦物為原料加工而成的，具有理想的瀝青混合料所需的力學(xué)特性，包括低伸長(zhǎng)率、高拉伸模量、高彈性恢復(fù)能力以及高軟化點(diǎn)，這些特性對(duì)提高瀝青的流變性能、抗車轍性能及低溫抗裂性能十分有利[7]。在OGFC中加入適量的耐堿玻璃纖維能夠限制瀝青在混合料中的流動(dòng)，通過(guò)吸附瀝青以增加油膜厚度，起到提高穩(wěn)定度的作用[8]。然而，耐堿玻璃纖維具有較大的脆性，會(huì)降低瀝青材料的韌性并增加其剛度，同時(shí)其耐磨性較差，可能會(huì)降低瀝青混合料的抗磨耗性能[9]。與此同時(shí)，納米二氧化硅在瀝青混合料中的分散作用能夠產(chǎn)生具有理想性能的聚合物納米復(fù)合材料，可以改善耐堿玻璃纖維改性O(shè)GFC瀝青混合料的缺陷。

本文基于耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅兩種材料的結(jié)合，制備改性O(shè)GFC瀝青混合料，通過(guò)開(kāi)展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，評(píng)估耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性對(duì)OGFC瀝青混合料性能的綜合影響，以改善瀝青混合料的路用性能，消除OGFC瀝青混合料的缺陷。

1 試驗(yàn)原材料

瀝青選用70#基質(zhì)瀝青，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青物理指標(biāo)表

粗細(xì)集料均采用石灰?guī)r，規(guī)格分別為4.75～9.5 mm，9.5～16 mm，0～4.75 mm，其中細(xì)集料含量較少。礦質(zhì)混合料級(jí)配曲線如下頁(yè)圖1所示。

圖1 礦料級(jí)配曲線圖

本研究使用的纖維是尺寸為12 mm的耐堿玻璃纖維。為保證OGFC瀝青混合料的正常排水功能，耐堿玻璃纖維的摻入量一般不超過(guò)混合料總質(zhì)量的0.3%。耐堿玻璃纖維的特性如表2所示。

表2 耐堿玻璃纖維基本性能表

通常，納米二氧化硅專門用于改善瀝青結(jié)合料的性能。根據(jù)以往的研究，納米二氧化硅的最佳含量確定為4%。本研究中使用的納米二氧化硅性能如表3所示。

表3 納米二氧化硅基本性能表

2 試驗(yàn)及分析

2.1 析漏試驗(yàn)

為確定改性O(shè)GFC瀝青混合料的最佳瀝青用量，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)。分別開(kāi)展5.5%、6.5%兩組瀝青用量和0.1%、0.2%兩組耐堿玻璃纖維摻量下的OGFC瀝青混合料析漏試驗(yàn)，混合料中納米二氧化硅的摻量均為4%。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 析漏試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

根據(jù)圖2所示的瀝青析漏試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，瀝青用量為5.5%時(shí)，兩種混合料的析漏損失均處于較低水平，因此以5.5%作為改性O(shè)GFC瀝青混合料的最佳瀝青用量。

對(duì)比耐堿玻璃纖維在0.1%、0.2%兩種摻量下的OGFC瀝青混合料的析漏試驗(yàn)結(jié)果，OGFC瀝青混合料在0.2%耐堿玻璃纖維摻量時(shí)析漏損失相對(duì)較低，且油石比越高，0.2%耐堿玻璃纖維摻量下OGFC析漏損失降低幅度越大。這表明增加耐堿玻璃纖維的摻量可以有效降低OGFC瀝青混合料的析漏損失。因此，改性O(shè)GFC瀝青混合料的耐堿玻璃纖維摻量取0.2%。

2.2 肯塔堡飛散試驗(yàn)

根據(jù)析漏試驗(yàn)結(jié)果確定了改性O(shè)GFC瀝青混合料的瀝青用量為5.5%、復(fù)合改性劑為0.2%耐堿玻璃纖維和4%納米二氧化硅材料的組合。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)改性O(shè)GFC瀝青混合料的內(nèi)聚強(qiáng)度和耐磨性，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)。本試驗(yàn)依照是否對(duì)混合料進(jìn)行改性或老化處理，制備了四組OGFC瀝青混合料試件。未老化試樣按照標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法成型馬歇爾試件，經(jīng)50次雙面擊實(shí)后置于20 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生20 h，取出后擦去試件表面水分備用；老化試樣經(jīng)135 ℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱短期老化4 h，以相同方法成型試件后放置于85 ℃烘箱中連續(xù)加熱5 d模擬長(zhǎng)期老化，完成后自然冷卻16 h以上。四組OGFC瀝青混合料飛散損失試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：

圖3 飛散損失測(cè)試結(jié)果對(duì)比柱狀圖

(1)從OGFC瀝青混合料改性前、后飛散損失結(jié)果對(duì)比來(lái)看，摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅能有效降低OGFC瀝青混合料的飛散損失約33.5%；從改性前、后的OGFC瀝青混合料進(jìn)行老化處理后的飛散損失結(jié)果對(duì)比來(lái)看，摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅使得混合料的飛散損失降低約34.8%。這表明摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅對(duì)于老化前、后OGFC瀝青混合料的內(nèi)聚強(qiáng)度和耐磨性均有較好的改善作用。

(2)從未改性的OGFC瀝青混合料老化前、后的飛散損失結(jié)果對(duì)比來(lái)看，老化作用明顯增加了OGFC瀝青混合料的飛散損失，增加幅度約33.8%；從改性的OGFC瀝青混合料老化前、后的飛散損失結(jié)果對(duì)比來(lái)看，老化作用增加了改性O(shè)GFC瀝青混合料的飛散損失，增加幅度約為32.4%。這表明摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅對(duì)OGFC瀝青混合料進(jìn)行改性可適當(dāng)降低老化作用對(duì)其內(nèi)聚強(qiáng)度和耐磨性的影響。

(3)從未改性未老化的OGFC瀝青混合料與改性老化OGFC瀝青混合料飛散損失結(jié)果對(duì)比來(lái)看，兩者的飛散損失結(jié)果相當(dāng)，可以認(rèn)為耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性能夠彌補(bǔ)老化效應(yīng)對(duì)OGFC瀝青混合料造成的不利影響。

2.3 滲水試驗(yàn)

為檢驗(yàn)?zāi)蛪A玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性對(duì)OGFC瀝青混合料排水性能的影響，首先計(jì)算改性前、后混合料試樣的有效空隙率(即不考慮材料內(nèi)部的閉口孔隙)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 未改性和改性試樣有效空隙率對(duì)比柱狀圖

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行滲水試驗(yàn)，采用輪碾法制作瀝青混合料試件，改性前、后的OGFC瀝青混合料分別制備三組平行試件。使用滲水儀測(cè)定每個(gè)試件的滲水系數(shù)，并計(jì)算平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 OGFC瀝青混合料滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表

由圖4可知，改性O(shè)GFC瀝青混合料的有效空隙率減少了1.92%，原因是隨著耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅材料的加入，OGFC混合料的內(nèi)部空隙被部分填充，連通空隙減少。由表4可知，改性O(shè)GFC瀝青混合料的滲水系數(shù)與未改性相比下降了18%，說(shuō)明耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性降低了OGFC瀝青混合料的排水性能。

2.4 抗滑試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性后OGFC瀝青混合料的抗滑性能，參照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60-2008)，成型長(zhǎng)300 mm、寬300 mm、厚50 mm車轍板試件，采用擺式儀測(cè)試OGFC擺值。改性前、后OGFC瀝青混合料的擺值測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 OGFC擺值測(cè)試結(jié)果對(duì)比柱狀圖

圖5所示的測(cè)試結(jié)果表明，添加耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅材料可將OGFC的擺值降低6%左右，說(shuō)明對(duì)混合料的路面抗滑性能有所改善。這主要是因?yàn)槟蛪A玻璃纖維表面的粗糙度較高，同時(shí)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅的加入減少了混合料內(nèi)部的有效空隙。

2.5 凍融劈裂試驗(yàn)

通過(guò)開(kāi)展凍融劈裂試驗(yàn)以評(píng)價(jià)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性后OGFC瀝青混合料的水穩(wěn)定性。采用馬歇爾擊實(shí)法成型OGFC瀝青混合料圓柱體試件，雙面擊實(shí)各50次，根據(jù)是否進(jìn)行改性和凍融將試件分成四組，每組4個(gè)試件。將需要進(jìn)行凍融的兩組試件經(jīng)真空飽水后放置在-18 ℃的環(huán)境中冷凍16 h，取出后立即放入60 ℃恒溫水槽中保溫24 h，完成后同另外兩組試件全部浸入25 ℃恒溫水槽中備用。使用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，加載速率為50 mm/min?；旌狭吓芽估瓘?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 OGFC劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性后的OGFC瀝青混合料試件，其凍融前和凍融后的間接拉伸強(qiáng)度較未改性的混合料分別提升了28%和34%。這種增長(zhǎng)主要?dú)w功于納米二氧化硅改性瀝青的高韌性以及耐堿玻璃纖維的高抗拉強(qiáng)度，混合料中分布的具有低伸長(zhǎng)率和高拉伸模量的耐堿玻璃纖維可以有效防止裂紋的萌生和擴(kuò)展，因而改性后的OGFC瀝青混合料具有更出色的抗裂性能。此外，對(duì)比改性前后OGFC瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性的混合料具有更高的TSR值，說(shuō)明該改性方式有助于提高OGFC瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.6 車轍試驗(yàn)

通過(guò)開(kāi)展車轍試驗(yàn)以評(píng)價(jià)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性后OGFC瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。按規(guī)范要求使用輪碾成型機(jī)碾壓成型長(zhǎng)300 mm、寬300 mm、厚50 mm的板狀試件，試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，碾壓速度為42次/min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 OGFC動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖7可知，與未改性的OGFC瀝青混合料相比，改性O(shè)GFC瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提升了約20%，可見(jiàn)摻入適量的耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅能夠提高混合料的高溫抗車轍性能。其原因在于耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅材料具有高彈性恢復(fù)能力，同時(shí)耐堿玻璃纖維的粗糙表面也在一定程度上減少了集料之間因相互位移而產(chǎn)生的塑性應(yīng)變。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究主要得出以下結(jié)論：

(1)在相同的老化條件下，耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性顯著降低了OGFC瀝青混合料的飛散損失，有利于提高混合料的耐磨性及內(nèi)聚強(qiáng)度，且能在一定程度上彌補(bǔ)混合料因老化效應(yīng)導(dǎo)致的性能損失。

(2)采用耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅對(duì)OGFC瀝青混合料進(jìn)行復(fù)合改性，雖然會(huì)降低OGFC瀝青混合料排水性能，但降低幅度較小。由于耐堿玻璃纖維表面的粗糙度較高，混合料的路面抗滑性能有所改善。

(3)采用耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復(fù)合改性可顯著提升OGFC瀝青混合料水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性，在0.2%耐堿玻璃纖維和4%納米二氧化硅摻量下，OGFC瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度提升34%，動(dòng)穩(wěn)定度提升近20%。