介孔硅 - 玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料路用性能試驗研究

基金項目：

2020年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“改性介孔硅聚丙烯復(fù)合材料熱力學(xué)性能及增強增韌機理研究”（編號：2020KY34005）；2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“新型瀝青儲運膜袋制備及應(yīng)用性能研究”（編號：2024KY1184）

作者簡介：

吳 聰（1990—），碩士，工程師，主要從事道路工程及新材料研究工作。

摘要：基于介孔硅和玄武巖纖維的自身特點，文章研究復(fù)合改性瀝青混合料高低溫和水穩(wěn)定性等特性，用于評價這兩種材料復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能以及應(yīng)用于道路工程的可行性。結(jié)果顯示：介孔硅和玄武巖纖維均能夠改良瀝青混合料的高低溫性能，其中介孔硅的作用更為突出，而玄武巖纖維則不利于瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，但加入介孔硅后水穩(wěn)定性有一定的改善提升作用；綜合復(fù)合改性瀝青混合料的各方面性能，通過介孔硅-玄武巖纖維復(fù)合改性后的瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定、低溫抗裂和耐水損傷等路用性能，滿足路用標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：介孔硅；玄武巖纖維；復(fù)合改性瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U414.1文獻標(biāo)識碼：A 05 014 3

0 引言

由于瀝青混合料具有優(yōu)良的路用性能，其被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)中［1-2］。瀝青是一種典型的粘彈性材料，因此瀝青路面會出現(xiàn)高溫下的車轍和低溫下的裂縫等病害［3-4］，針對這些缺陷，研究者們進行了大量的試驗研究。介孔硅主要成分是蛋白石及其變種，其具有模量大、強度高和硬度高、耐久性好、價格便宜、來源豐富等特點，廣泛應(yīng)用于改性瀝青混合料中［5-7］。玄武巖纖維是一種無機環(huán)保型材料，是在1 450 ℃～1 500 ℃高溫條件下，玄武巖礦石呈熔融狀態(tài)拉絲所形成的材料，其具有強度高、耐高溫、性能穩(wěn)定等特點，通過長期試驗的實踐證明，在瀝青中加入玄武巖纖維，可以增強瀝青混合料的耐高溫和抗低溫等性能［8-9］。本文基于介孔硅和玄武巖纖維的自身特點，研究復(fù)合改性瀝青混合料高低溫和水穩(wěn)定性等特性，用于評價這兩種材料復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能以及應(yīng)用于道路的可行性。

1 試驗方法

1.1 主要原材料

介孔硅的物理性質(zhì)如表1所示，化學(xué)成分如表2所示；玄武巖纖維的基本性能如表3所示，廠家推薦用量范圍為 0.2%～0.4%；70#A級石油瀝青，瀝青的技術(shù)指標(biāo)全部滿足規(guī)范要求，如表4所示；礦質(zhì)材料中的粗細集料、礦粉分別為石灰?guī)r、機制砂、石灰?guī)r礦粉，吉林雙陽產(chǎn)，所用材料均滿足規(guī)范要求。

1.2 配合比設(shè)計

本文將采用AC-13型的瀝青混合料來進行試驗，礦物材料配比采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中級配范圍的中值。按《規(guī)程》（JTG E20-2011）［10］規(guī)定的擊實法，將瀝青混合料制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，依照馬歇爾試驗找尋最佳油石比，來確定基質(zhì)瀝青混合料（AM）、介孔硅改性瀝青混合料（DAM）、玄武巖纖維改性瀝青混合料（BFAM）及介孔硅-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料（DBFAM）的最佳油石比，分別是4.80%、5.10%、5.12%、5.23%。根據(jù)大量試驗得出［11］，介孔硅、玄武巖纖維最佳用量分別為13.0%和0.30%。

1.3 性能測試

改性瀝青混合料性能試驗的具體步驟如下所述。

1.3.1 高溫性能

瀝青混合料本身具有粘塑特性，在高溫、車輛荷載的共同影響下，會造成塑性變形，進而損壞路面平整。為了緩解或避免這種情況，在道路施工中應(yīng)采用耐高溫的瀝青混合料。為了評價改性瀝青混合料的高溫特性，將進行車轍試驗。根據(jù)《規(guī)程》中規(guī)定的辦法，制作300 mm×300 mm×50 mm（長×寬×高）尺寸的標(biāo)準(zhǔn)車轍板，試驗溫度為60 ℃，以車轍變形量（45 min至60 min）對應(yīng)的動穩(wěn)定度（DS）作為評價指標(biāo)，來評價瀝青混合料在高溫環(huán)節(jié)下的穩(wěn)定性。

1.3.2 低溫抗裂性能

當(dāng)溫度急劇變化時，瀝青路面極易開裂，通常稱為溫縮裂縫。同時，由于裂縫的產(chǎn)生，道路上的水會浸入內(nèi)部，加之路面的行車形成動水壓，進而影響瀝青薄膜，造成路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水破壞，甚至局部凹陷，最終形成網(wǎng)狀裂縫和凹坑，使道路通行質(zhì)量惡化，因此有必要提高瀝青混合料的耐低溫特性。為了評價改性瀝青混合料的耐低溫性能，本文采用低溫劈裂的試驗，用-10 ℃間接拉伸劈裂試驗方法對瀝青混合料的低溫性能進行研究，將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件測定馬歇爾物理指標(biāo)后，按《規(guī)程》規(guī)定方法進行養(yǎng)護，到達測試條件后，開始劈裂測試，加載速率為1 mm/min，一直到該試件出現(xiàn)破損，此時達到荷載的極值以及豎向的最大位移，其后再計算得到試件的劈裂強度、破壞應(yīng)變和勁度模量參數(shù)。

1.3.3 水穩(wěn)定性

一到春季或雨季，大量的雨水落到路面上，加上交通荷載，雨水可以進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，造成較大的動水壓或負(fù)壓吸力，導(dǎo)致瀝青路面經(jīng)常出現(xiàn)松散的集料顆粒，隨著水損害的不斷增加，瀝青路面會出現(xiàn)大面積的坑槽。因此，為了滿足路面性能，對瀝青混合料的水穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文運用了浸水馬歇爾和凍融劈裂兩種試驗，來評價改性瀝青混合料的抗水損害性能。試件按《規(guī)程》要求對馬歇爾試件雙面各擊打壓實50次，測試劈裂強度，進而計算得出凍融劈裂強度比（TSR）。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 高溫性能數(shù)據(jù)分析

高溫性能試驗結(jié)果如表5和圖1所示。

由表5和圖1中可以看出，瀝青混合料中加入介孔硅和玄武巖纖維改性后，混合料的變形量明顯減少很多，動穩(wěn)定度則是DBFAM最高，分別比AM、DAM和BFAM提高了2.42倍、1.20倍和1.38倍。試驗結(jié)果說明摻加了介孔硅及玄武巖纖維后，其高溫穩(wěn)定性都得到提高，與玄武巖纖維相比，介孔硅對提高混合料的耐高溫性能效果更為明顯。

原因在于介孔硅是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的材料，可以吸收部分自由瀝青，提高結(jié)構(gòu)瀝青的占比，從而促進混合料高溫性能的提高［12］；而玄武巖纖維對瀝青混合料不僅利于增韌、阻裂和橋聯(lián)作用的發(fā)揮，并且還能增加瀝青的黏度，均勻分散、形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在瀝青混合料中起到了加固效果，也在一定程度上有利于瀝青混合料高溫性能的提高［13］。通過試驗看出，介孔硅和玄武巖纖維都能夠降低瀝青對溫度的敏感性，提高了復(fù)合改性瀝青混合料的耐高溫抗變形能力，從而改善高溫性能。

2.2 低溫抗裂性能數(shù)據(jù)分析

低溫抗裂性能試驗結(jié)果見表6和圖2。

由上頁表6和圖2可以看出，瀝青混合料的劈裂抗拉強度由小到大依次是AM、DAM、DBFAM、BFAM；破壞應(yīng)變數(shù)值上從小到大的排序和劈裂抗拉強度一致。摻入介孔硅或玄武巖纖維后，改善了瀝青混合料低溫破壞應(yīng)變的能力，也降低了其勁度模量。經(jīng)過試驗對比，破壞應(yīng)變最大、勁度模量最小的為玄武巖纖維改性，其對混合料低溫特性作用效果也更加突出。

加入介孔硅及玄武巖纖維后，混合料的低溫性能得到提高主要有以下原因：（1）玄武巖纖維能起到一定程度的加固作用，能抵抗低溫應(yīng)力，抑制收縮裂縫的形成，更利于低溫抗裂性能的發(fā)揮；（2）介孔硅具有較大的比表面積，吸附效果強，增大了瀝青的黏度，有效地提高了瀝青與集料的粘結(jié)力，改善了低溫抗裂性能。

2.3 水穩(wěn)定性能數(shù)據(jù)分析

水穩(wěn)定性試驗結(jié)果見表7和圖3。由表7和圖3可知，從瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗的結(jié)果可以看出，趨勢較為一致。在一定程度上，基質(zhì)瀝青殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度高于BFAM，但BFAM加入介孔硅后有所改善。經(jīng)過試驗得出，玄武巖纖維不僅不能很好地促進瀝青混合料抗水損害性能的發(fā)揮，反而還起到了相反的效果，同時也能夠說明介孔硅可顯著提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

主要原因是添加了玄武巖纖維，部分玄武巖纖維位于瀝青與骨料的界面處形成弱區(qū)，水分子很容易通過玄武巖纖維順利侵入到這個界面，導(dǎo)致瀝青從骨料表面剝落，從而影響瀝青混合料凍融后的劈裂強度，相比之前有所衰減。另外，介孔硅本身表面有很多孔隙，能夠吸收大量自由瀝青。因此，加入介孔硅后，瀝青與骨料更加粘附，因而減小水對瀝青混合料的不利影響。

3 結(jié)語

本文通過對介孔硅-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性這三個主要評價瀝青路用性能的指標(biāo)來進行各項試驗，考量改性瀝青混合料的路用可行性，并通過路用性能的評價，證明其運用于道路上的可行性，為今后在實際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)，結(jié)果表明：

（1）相比基質(zhì)瀝青，介孔硅和玄武巖纖維改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度都有所提高，都可以改善瀝青混合料的高溫性能，其中以介孔硅的改善作用更為明顯。

（2）介孔硅和玄武巖纖維兩種材料都可以改善瀝青混合料低溫抗裂性能，其中以玄武巖纖維改性的效果更為突出。

（3）DBFAM的水穩(wěn)定性較AM有一定程度的提高，介孔硅的加入可以改善玄武巖纖維對水穩(wěn)定性的不利影響，凍融劈裂強度比明顯提高，一定程度上更利于瀝青混合料水穩(wěn)定性的發(fā)揮。

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