復(fù)摻高模量劑及玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響研究

摘要：為延長(zhǎng)路面的使用壽命，文章通過(guò)摻入高模量改性劑（HM）和玄武巖纖維（BF）對(duì)混合料性能進(jìn)行改善，選用AC-20級(jí)配進(jìn)行HM和BF對(duì)混合料整體性能影響的試驗(yàn)研究，并基于掃描電鏡（SEM）分析HM和BF對(duì)混合料性能的增強(qiáng)機(jī)理。結(jié)果表明：復(fù)摻HM和BF后，瀝青混合料最佳油石比提升了0.3%，瀝青混合料整體性能提升，MS0提高了1.0%，TSR提高了3.9%，DS提高了約7.1倍，最大彎拉應(yīng)變提高了2.3%，疲勞壽命提高了8.9倍；利用SEM觀察到HM能充分熔融，與瀝青形成新的聚合物，增加混合料界面粘結(jié)力，BF能均勻分散在混合料體系中，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起加筋、橋接作用，承擔(dān)、分散混合料內(nèi)部應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；高模量改性劑；玄武巖纖維；路用性能

中圖分類號(hào)：U414.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A" " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.003

文章編號(hào)：1673-4878（2024）11-0007-04

引言

瀝青路面因施工便利、維修成本低、行車(chē)舒適性好等優(yōu)勢(shì)備受歡迎，是我國(guó)高等級(jí)公路主要的路面形式之一［1］。然而，隨著汽車(chē)保有量不斷增長(zhǎng)以及交通載荷不斷增大，多數(shù)瀝青路面在未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)，便產(chǎn)生車(chē)轍、裂縫等一系列病害，嚴(yán)重影響行車(chē)舒適性和安全性［2］。改善瀝青路面材料性能能提升瀝青路面的使用壽命，常見(jiàn)方法有添加改性劑、添加纖維提高混合料內(nèi)部粘結(jié)力，從而增強(qiáng)混合料性能［3］。張濤等［4］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)高模量瀝青混合料HMAM-13，推薦混合料瀝青膜厚度為8.8～10.0 [WTBZ]μm，空隙率為3%～6%。李九蘇等［5］采用金剛砂制備超高模量瀝青混合料（UHMAC），通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混合料高、低溫性能大幅提升。張爭(zhēng)奇等［6］基于熒光顯微鏡和紅外光譜儀研究了高聚物復(fù)合改性高模量瀝青SBS-PE和CR-PPA，揭示了不同高模量瀝青改性機(jī)理。欒利強(qiáng)等［7］研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻入玄武巖纖維能有效降低聚氨酯瀝青混合料空隙變化率，增強(qiáng)瀝青-集料界面粘結(jié)力。孫亞輝等［8］研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻入0.2%～0.3%的玄武巖纖維能提升PAC-13瀝青混合料高、低溫性能及抗水損性能。已有研究表明，高模量改性劑及玄武巖纖維均能對(duì)瀝青混合料部分性能提升起促進(jìn)作用，而兩者復(fù)合改性對(duì)混合料整體性能的影響研究相對(duì)較少。因此，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究高模量改性劑（HM）和玄武巖纖維（BF）對(duì)瀝青混合料性能的影響，并基于掃描電鏡（SEM）分析其作用機(jī)理，為玄武巖纖維高模量瀝青混合料的應(yīng)用推廣提供參考。

1原材料

1.1瀝青

試驗(yàn)采用的瀝青為70#A級(jí)道路石油瀝青，主要性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2高模量改性劑

選用直投式聚合物類的高模量改性劑（HM），其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.3玄武巖纖維

選用短切玄武巖纖維（BF），長(zhǎng)度為6 mm，其主要性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表3。

1.4礦料

粗集料采用石灰?guī)r碎石，規(guī)格為15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm；細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，規(guī)格為0～5 mm；填料采用礦粉，規(guī)格為0～0.6 mm。各檔集料主要性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表4。

2瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用AC-20型瀝青混合料，礦料合成級(jí)配曲線圖見(jiàn)圖1。

設(shè)置70#瀝青AC-20、SBS改性瀝青AC-20作為參照組，單摻HM、單摻BF、復(fù)摻HM+BF為試驗(yàn)組。根據(jù)前期研究，HM最佳摻量為瀝青用量的0.5%，BF最佳摻量為混合料質(zhì)量的0.4%，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定五種瀝青混合料的最佳油石比。最佳油石比下五種瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，摻入HM和BF后，瀝青混合料最佳油石比提高了0.3%，表明HM和BF會(huì)對(duì)混合料體積指標(biāo)產(chǎn)生影響，這可能是因?yàn)镠M在熔融后與瀝青混合成高黏度聚合物，增強(qiáng)了瀝青膠漿粘滯性，而B(niǎo)F在混合料體系中形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了瀝青膠漿流動(dòng)，導(dǎo)致混合料空隙率提高。此外，BF會(huì)吸收少部分瀝青，導(dǎo)致混合料最佳油石比提高。

3路用性能試驗(yàn)研究

3.1水穩(wěn)定性能

通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究HM和BF對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖2、圖3。

由圖2、圖3可知，單摻HM和復(fù)摻HM+BF組MS0和TSR接近于SBS改性瀝青AC-20組，較70#瀝青AC-20組有所提升，MS0分別提升了1.4%、1.0%，TSR分別提升了6.0%、3.9%?；旌狭纤€(wěn)定性能提高主要取決于HM的界面改性和嵌擠增強(qiáng)機(jī)理，充分熔融的HM與瀝青形成高分子聚合物，兩者相互滲透，界面作用力增強(qiáng)。此外，高分子聚合物在擊實(shí)作用下被擠壓變細(xì)變長(zhǎng)，容易滲入集料孔隙中，使瀝青與集料接觸面積增大，集料-瀝青界面粘聚力增強(qiáng)，混合料水穩(wěn)定性能提高。摻入BF后，混合料穩(wěn)定度MS0、凍融劈裂強(qiáng)度比TSR略有降低，這可能是因?yàn)锽F難以得到完全分散拌和均勻，導(dǎo)致混合料空隙率增大，對(duì)水穩(wěn)定性能產(chǎn)生了不利影響。因此，考慮到混合料水穩(wěn)定性能，建議玄武巖纖維摻量不宜過(guò)高。

3.2高溫穩(wěn)定性能

通過(guò)60 ℃車(chē)轍試驗(yàn)研究HM和BF對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，HM對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度（DS）改善明顯，單摻HM組較AC-20動(dòng)穩(wěn)定度提升了約5.2倍，較SBS改性瀝青AC-20提升了46.2%。這是因?yàn)楦邷貤l件下HM與瀝青充分融合成高黏聚合物，在壓實(shí)功作用下，高分子聚合物被擠壓延展，嵌擠進(jìn)混合料空隙中，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘結(jié)力，使得混合料抗變形能力大幅提高。[JP3]此外，在HM改性作用下瀝青軟化點(diǎn)升高、溫度敏感性降低。摻入BF后，混合料動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)一步提升，相較于AC-20，復(fù)摻HM+BF組動(dòng)穩(wěn)定度提高了7.1倍，表明BF對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性提升起促進(jìn)作用。

3.3低溫抗裂性能

采用-10 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)研究HM和BF對(duì)瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性能影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，摻入BF后，瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變提升了11.0%，表明摻入BF有利于提高混合料低溫抗裂性能，主要是因?yàn)锽F在混合料中分散形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，承擔(dān)和分散混合料部分內(nèi)部應(yīng)力；當(dāng)混合料受力時(shí)，BF能有效阻滯混合料變形，當(dāng)力消失后，產(chǎn)生部分變形恢復(fù)。此外，BF起加筋和橋接作用，能有效阻礙裂縫發(fā)展，提高混合料的抗開(kāi)裂能力。[JP3]而HM的摻入會(huì)使混合料的低溫性能變劣，單摻HM組最大彎拉應(yīng)變較70#瀝青AC-20下降15.1%，表明HM不利于混合料低溫抗裂性能。

3.4疲勞性能

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)分析HM和BF對(duì)瀝青混合料疲勞性能影響，試驗(yàn)溫度為15 ℃，偏正弦波加載頻率為10 Hz。試驗(yàn)結(jié)束條件為勁度模量下降為初始勁度模量的50%。應(yīng)變控制水平選用400 [WTBX]με、600 [WTBX]με、800 [WTBX]με。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知，HM和BF的摻入有利于提升瀝青混合料耐疲勞性能。較70#瀝青AC-20，單摻HM組混合料在不同應(yīng)變控制水平下的疲勞壽命增加約2.5～8.9倍，單摻BF組混合料的疲勞壽命提升約0.5～2.1倍，但單摻改性后混合料抗疲勞性能低于SBS改性瀝青AC-20。復(fù)摻HM和BF后，混合料耐疲勞性能進(jìn)一步提高，較SBS改性瀝青AC-20，不同應(yīng)變控制水平下疲勞壽命提升約10.2%～27.6%。摻入HM后，瀝青混合料初始勁度模量大幅提升，達(dá)到同等破壞所需加載次數(shù)增加。而B(niǎo)F彈性模量遠(yuǎn)高于瀝青，在混合料中產(chǎn)生加筋作用，提升了混合料彈性恢復(fù)能力。因此，復(fù)摻HM和BF能大大提升混合料疲勞壽命。

4微觀試驗(yàn)分析

基于以上試驗(yàn)，HM和BF摻入對(duì)混合料整體性能產(chǎn)生影響。因此，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行玄武巖纖維及瀝青混合料微觀形貌觀察，分析高模量改性劑（HM）及玄武巖纖維（BF）對(duì)瀝青混合料性能改善機(jī)理。掃描結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7（b）可知，BF均勻分散在瀝青混合料中，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到承擔(dān)和分散應(yīng)力的作用，降低混合料內(nèi)部應(yīng)力集中對(duì)其破壞影響。由圖7（c）可知，混合料中并未出現(xiàn)明顯的HM顆粒，表明HM能充分熔融于瀝青中，與瀝青相互滲透，形成新的聚合物，增強(qiáng)與集料之間的界面粘結(jié)力；BF在混合料中起加筋、橋接作用，降低荷載作用下混合料的變形和破壞，并在荷載消除后，產(chǎn)生一定的變形恢復(fù)。由破壞后混合料斷面圖7（d）可知，當(dāng)混合料破壞時(shí)，破壞處BF端部不平整，表明BF與瀝青膠漿間存在較好的吸附能力，在外力作用下，BF不僅阻滯了混合料變形，還承擔(dān)了混合料的部分內(nèi)部應(yīng)力。

5結(jié)語(yǔ)

（1）HM和BF的摻入對(duì)混合料體積指標(biāo)產(chǎn)生影響，復(fù)摻HM和BF后，瀝青混合料最佳油石比提升了0.3%。

（2）HM和BF對(duì)混合料整體性能產(chǎn)生影響。其中，BF不利于混合料水穩(wěn)定性能，HM不利于混合料低溫抗裂性能；復(fù)摻HM和BF后，混合料整體性能提高，較70#瀝青AC-20，MS0提高了約1.0%，TSR提高了約3.9%，DS提高了約7.1倍，最大彎拉應(yīng)變提高了約2.3%，疲勞壽命提高了約8.9倍。

（3）HM能與瀝青充分熔融，形成新的聚合物，增加混合料界面粘結(jié)力；BF能均勻分散在混合料體系中，起加筋和橋接作用，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，承擔(dān)和分散混合料內(nèi)部應(yīng)力，阻滯混合料變形破壞。

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作者簡(jiǎn)介：盧振龍（1973—），高級(jí)工程師，主要從事道路橋梁施工管理工作。

收稿日期：2024-05-18