膨潤土改性瀝青混合料力學特性研究

周立波

(長沙交通投資控股集團有限公司，湖南 長沙 410000)

1 引言

瀝青路面疲勞開裂是由于交通荷載和環境因素反復作用下產生的開裂，是瀝青路面最主要的病害之一，嚴重影響瀝青路面的疲勞壽命。

為抑制疲勞裂縫的產生，國內外道路工作者采用各種外加劑改善瀝青混合料的力學性能，通過預防或減緩路面裂縫而延長路面的使用壽命。祝偉探究了SBS改性瀝青混合料的疲勞性能，通過SBS改性瀝青提高了熱拌瀝青混合物的抗永久變形、疲勞和水損害能力；盧劍濤研究發現CRM瀝青通過增加路面對永久變形和熱疲勞開裂的抵抗性來提高瀝青混合料的性能。雖然各種添加劑如聚合物和橡膠粉可以提高瀝青的性能，但是其普遍存在經濟問題以及改性劑生產和環境的相容性問題。因此研究探索新的經濟且環境友好型的添加劑具有重要意義。

黏土類材料率先成為最知名、最盈利的新一代環境友好型瀝青添加劑。近幾十年來，膨潤土和有機改性膨潤土作為改性劑以其低成本和較好的改性效果被廣泛用作增強材料。目前已有大量研究揭示了瀝青軟化點、黏度和延展性隨黏土含量和黏土類型的變化而變化；通過RTFO和PAV對老化試件進行彎曲梁流變儀測試，研究了膨潤土和OMBT改性瀝青將改善瀝青的低溫性能和抗裂性。但關于膨潤土改性瀝青混合料強度、剛度及疲勞性能與膨潤土摻量的關系尚待進一步研究。

基于此，該文在前期已取得的膨潤土改性瀝青相關性能試驗研究成果的基礎上，選用6種瀝青重量百分比(0%、10%、15%、20%、25%和30%)為膨潤土摻量，制備膨潤土改性瀝青混合料，進而對不同膨潤土摻量的瀝青混合料開展馬歇爾穩定度、間接拉伸強度、回彈模量和四點彎曲疲勞試驗,以探討膨潤土對熱拌瀝青混合料力學特性的影響。

2 材料及試件

2.1 骨料和瀝青

集料為石灰巖，礦粉為石灰巖質礦粉，級配采用AC-16C型。瀝青為70#基質瀝青，性能指標測試結果及瀝青混合料級配分別如表1、2所示。

表1 70#基質瀝青性能指標

2.2 添加劑

用Dorinkashan Co.制造的膨潤土對瀝青改性。使用5種膨潤土摻量，即按重量計為瀝青的10%、15%、20%、25%和30%。改性瀝青通過使用高速剪切儀來制備。將瀝青加熱至140 ℃后保持30 min，然后在140 ℃和4 000 r/min剪切速率下與膨潤土混合15 min。

表2 AC-16C瀝青混合料級配

2.3 試件制備

瀝青混合料的配合比設計通過使用標準馬歇爾混合設計程序進行。在圓柱形試件(直徑10.16 cm和6.35 cm厚)的每側進行75次沖擊壓實。馬歇爾樣品通過以下標準程序壓實和測試：體積比重(ASTM D2726)、穩定性和流動性測試(ASTM D1559)。根據馬歇爾試驗確定最佳油石比為5.2%。

通過擊實成型法制備圓柱形試件，對于每種試驗(馬歇爾穩定度和流值、間接拉伸強度、回彈模量測試)使用3個平行試件。梁形試件采用靜壓成型法制備梁形疲勞試件，試件最終尺寸為380 mm×63.5 mm×50 mm，使用3個平行試件。疲勞試驗控制模式主要有應力控制模式和應變控制模式。對于受應力控制的測試來說，疲勞破壞的定義為試件斷裂；在受應變控制模式下，瀝青剛度達到其初始值的50%時，定義為疲勞破壞點。該研究采用應變控制試驗評價瀝青混合料的疲勞性能，應變幅值分別取600、800和1 000 με的恒定應變下以正弦模式加載進行測試。所有測試都在溫度為(20±0.5)℃的環境控制箱內進行。

3 測試方法

3.1 馬歇爾穩定度、流值、馬歇爾模數

測定馬歇爾穩定度和流值(ASTM D1559)，以比較和評價膨潤土改性混合物的開裂性能。穩定度與流值之比稱為馬歇爾模數(MQ)。MQ可以用來衡量材料在使用中對永久變形的抵抗能力。MQ的值越高，表示混合物越堅硬，抵抗力越強。

3.2 間接拉伸強度測試

在間接拉伸強度測試中，圓柱形樣品在兩個加載帶之間受到壓縮載荷，沿豎直平面產生相對均勻的拉伸應力。它通常用于評估瀝青混合料的剝離和斷裂性能的潛力。破壞通常沿著這個加載的平面分裂而發生。以50.8 mm/min的恒定速率進行。試件的間接拉伸強度計算公式為：

R=(2Pmax)/(πDt)

(1)

式中：R為試樣的抗拉強度(kPa)；Pmax為施加的破壞載荷(kN)；D為試件直徑(mm);t為試件厚度(mm)。

3.3 間接拉伸回彈模量測試

試驗是在20 ℃下，通過使用萬能試驗儀(UTM-5P)采用半正弦荷載脈沖在1 Hz和0.9 s靜止期條件下對圓柱形樣品進行測試。連續記錄載荷和變形，用式(2)計算彈性模量。假設的泊松比υ取0.35。

(2)

式中：Sct為間接拉伸回彈模量；P為施加的載荷；d為試件直徑；lx為對應的變形。

3.4 四點彎曲疲勞試驗

根據AASHTO T321-07在四點彎曲梁疲勞試驗中評估梁的抗疲勞性能。這些測試的目的是獲得在不同應變水平下梁的疲勞壽命。四點彎曲疲勞試驗的示意圖和設置如圖1所示。試驗在20 ℃、頻率為10 Hz的條件下進行。初始彎曲剛度由第50次循環后的測量力和位移(n=50)根據式(3)計算：

圖1 四點彎曲疲勞試驗示意圖

(3)

式中：Sf為彎曲模量；L為跨度；W為彎沉；b為試件寬度；h為試件厚度。

疲勞試驗一直持續到彎曲剛度下降到其初始值的50%。在600、800和1 000 με下用正弦載荷對梁進行疲勞試驗后，混合物的疲勞壽命用式(4)確定：

Nf=aε-b

(4)

式中：Nf為循環疲勞次數；ε為疲勞試驗應變振幅；a和b為疲勞常數。

4 結果和討論

4.1 馬歇爾穩定度和流值

圖2為不同膨潤土摻量的改性瀝青混合料的馬歇爾試驗結果平均值，包括馬歇爾穩定度、流值和馬歇爾模數。

圖2 馬歇爾試驗結果

由圖2可見：① 膨潤土的加入，提高了馬歇爾穩定度，在摻量為20%左右時馬歇爾穩定度出現峰值，當摻量繼續增加馬歇爾穩定度隨著膨潤土含量的增加而減少；② 膨潤土的加入，也提高了流值，且流值隨著膨潤土摻量的增加而增加；③ 研究認為馬歇爾模數與車轍深度有一定的相關性，能評價瀝青混凝土抗車轍的能力，由圖2可知：適量的膨潤土摻量能夠提高馬歇爾模數，當摻量為20%～25%時，馬歇爾模數提高了11%～13%，但是當摻量超過25%時，馬歇爾模數會驟降。

綜上所述，一定摻量的膨潤土能夠改善瀝青混合料的高溫穩定性，提高瀝青混合料的抗車轍能力。根據馬歇爾試驗結果建議摻量控制為20%～25%。

4.2 間接拉伸強度試驗

不同摻量的膨潤土改性瀝青混合料試件的平均拉伸強度如圖3所示。

圖3 不同摻量膨潤土改性瀝青混合料間接拉伸強度

由圖3可知：添加膨潤土增加了混合物的間接拉伸強度。在摻量為20%左右時間接拉伸強度出現峰值，比基質瀝青混合料的間接拉伸強度增加約15%，當摻量繼續增加強度隨著膨潤土含量的增加而逐漸減小。根據間接拉伸強度試驗結果建議膨潤土摻量控制在20%左右。

4.3 回彈模量測試

不同摻量的膨潤土改性瀝青混合料試件的間接拉伸回彈模量如圖4所示。

圖4 不同摻量膨潤土改性瀝青混合料間接拉伸回彈模量

已有研究表明：低溫下的回彈模量與熱裂解有某種關系，在較低溫度下較硬的混合物更容易熱裂化。試驗結果表明：在混合物中使用改性膨潤土瀝青最初增加了混合料的回彈模量，當摻入10%的膨潤土時，混合料的回彈模量是基質瀝青混合料的1.15倍。繼續提高摻量，膨潤土改性瀝青的回彈模量逐漸降低，但摻量達到30%時，回彈模量僅為基質瀝青的1.09倍。根據間接拉伸強度試驗結果建議摻量控制為10%～20%。

4.4 疲勞壽命分析

與重復性交通荷載相關的疲勞開裂被認為是路面中最主要的破壞模式之一。該文采用3種應變幅值(600、800、1 000 με)，各摻量膨潤土改性瀝青在不同應變幅值條件下的彎曲初始回彈模量如圖5所示。

圖5 不同應變幅值條件下的彎曲初始回彈模量

由圖5可知：彎拉回彈模量隨膨潤土摻量的變化規律與間接拉伸回彈模量相似，當膨潤土摻量為10%～20%時，模量提升幅度最大，且不同應力幅值下得到的變化規律幾乎一致。

當瀝青混合料試件回彈模量衰減至初始模量的50%時，不同摻量膨潤土改性瀝青混合料試件所經歷的荷載循環數如圖6所示。

圖6 不同膨潤土摻量瀝青混合料在不同應變幅值條件下的疲勞壽命

由圖6可知：① 膨潤土的加入延長了瀝青混合料的疲勞壽命，改善了瀝青混合料的抗疲勞性能；② 在600 με和800 με的應變水平下，瀝青混合料疲勞壽命隨膨潤土摻量的增加呈現出類似的變化趨勢：當膨潤土的摻量為0%～20%時，膨潤土改性瀝青混合料的疲勞壽命隨著摻量的增加而延長。但是摻量繼續增加時，膨潤土改性瀝青混合料的疲勞壽命開始減小，即膨潤土過量地摻入瀝青中會給瀝青的疲勞性能帶來不利影響。在含有10%、15%和20%膨潤土改性瀝青的混合料中，膨潤土對瀝青聚集的黏聚性沒有負面影響。然而，在1 000 με應變水平下，瀝青混合料疲勞壽命隨著膨潤土摻量增加而增加的范圍擴大至0%～25%，再增加摻量也會導致疲勞壽命下降。

4.5 膨潤土改性瀝青混合料疲勞演變模型

根據該試驗研究得到的試驗結果，采用方程(5)所示的函數對不同摻量膨潤土改性瀝青混合料的疲勞性能進行擬合。

Nf=aε-b

(5)

表3為不同摻量膨潤土改性瀝青混合料疲勞試驗結果基于方程(5)擬合得到的疲勞參數。

5 結論

該研究的目的是揭示膨潤土改性瀝青混合料強度、剛度及疲勞性能等力學性能與膨潤土摻量的關系。進行了各種室內試驗測試，以通過改變基質瀝青中膨潤土的摻量來評估瀝青混合料力學性能。根據該研究取得的有限試驗結果，得出以下結論：

表3 不同摻量膨潤土改性瀝青混合料疲勞試驗結果擬合參數

(1)含有膨潤土的改性瀝青混合料的馬歇爾穩定性、流值和馬歇爾模數均高于基質瀝青，但當摻量超過20%時，馬歇爾試驗結果會出現下降趨勢。

(2)含有膨潤土的改性瀝青混合料的間接拉伸強度及回彈模量較基質瀝青混合料明顯提高。不同應變幅值條件下的疲勞壽命隨膨潤土摻量的增加呈現出先增后減的趨勢。

(3)結合瀝青混合料各種力學性能指標隨膨潤土摻量的變化規律，推薦在采用膨潤土改性基質瀝青時的摻量為20%左右。