地聚合物改性瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

董慶宇，郭 峰

(1.洛界高速公路管理處,河南 洛陽(yáng) 471000； 2.洛陽(yáng)理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

隨著公路事業(yè)的快速發(fā)展及通車(chē)?yán)锍痰难该驮黾樱瑸r青路面以行車(chē)舒適性高、平穩(wěn)性好和易維修養(yǎng)護(hù)的優(yōu)勢(shì)，在道路建設(shè)中取得了快速的發(fā)展，在新建道路工程中有90%以上均采用瀝青路面。但由于重載或超載車(chē)輛的存在，以及外界環(huán)境溫度的變化，瀝青路面時(shí)常出現(xiàn)裂縫、車(chē)轍、水損害等病害，嚴(yán)重降低了瀝青路面的使用耐久性，甚至?xí)＜靶熊?chē)安全。為改善瀝青路面的使用性能和耐久性，除了選用質(zhì)量較好的石灰?guī)r或玄武巖石材和良好的級(jí)配，瀝青性能的好壞也是至關(guān)重要的，目前通常采用SBS類(lèi)聚合物改性瀝青，但SBS也存在一定的不足，如儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差、容易離析等，而且價(jià)格偏高，所以近年來(lái)對(duì)于新的瀝青改性劑研究一直是一個(gè)熱門(mén)課題。地聚合物是一種價(jià)格便宜且易獲取的膠凝材料，其生產(chǎn)原料主要是工業(yè)廢棄物，地聚合物早期強(qiáng)度較大，體積穩(wěn)定性和耐久性?xún)?yōu)良，具有很強(qiáng)的耐高溫、耐酸性和抗凍性能。目前常用于水泥混凝土中，以提高混凝土的使用性能；而摻入瀝青中作為改性劑的研究較少。

有學(xué)者利用紅外光譜和原子力顯微鏡等分析了粉煤灰基地聚合物改性瀝青的微觀(guān)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地聚合物摻入瀝青后是物理變化，其摻量建議為5%；以偏高嶺土、礦渣粉和硅粉等原材料制備的地聚合物作為溫拌劑摻入瀝青中，降低了瀝青混合料的拌和溫度和施工溫度；分析了地聚合物對(duì)于瀝青性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地聚合物提高了瀝青的抗高溫變形性能。為了研究地聚合物對(duì)于瀝青混合料路用性能的影響，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法研究了不同地聚合物摻量對(duì)于瀝青混合料高低溫和水穩(wěn)定性的影響。

1 原材料性能

1.1 原材料性能

選用泰普克70號(hào)A級(jí)石油瀝青，對(duì)其各項(xiàng)基本性能進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，見(jiàn)表1。地聚合物是通過(guò)將偏高嶺土、S95礦渣粉、鋼渣粉和高純硅粉等作為鋁硅酸鹽材料并在強(qiáng)堿激發(fā)劑(NaOH和NaSiO的混合溶液)的作用下合成的，由于反應(yīng)合成的地聚合物是一種固化物，需將固化完成的地聚合物粉碎磨細(xì)，然后經(jīng)過(guò)0.075 mm篩孔過(guò)篩后的粉末作為瀝青改性劑，其密度在1.47 g/cm左右，外觀(guān)呈墨綠色粉末狀。粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r，填料采用石灰?guī)r經(jīng)磨細(xì)后的礦粉，通過(guò)室內(nèi)檢測(cè)，粗細(xì)集料和礦粉的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 泰普克 A-70#道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青制備

首先將一定量的基質(zhì)瀝青在140℃烘箱中加熱至熔融流淌狀態(tài)，取出后置于電爐上并用玻璃棒攪拌5 min，然后將按比例稱(chēng)取的地聚合物分次緩緩加入瀝青內(nèi)，其中地聚合物摻量分別為3%、5%和7%，并用玻璃棒不斷攪拌至無(wú)粉末狀，利用高速剪切儀以4 500 r/min的速率高速剪切40 min，全過(guò)程中不停地采用溫度槍測(cè)溫，溫度始終控制在(160±5)℃，剪切完成后置于160 ℃烘箱中繼續(xù)發(fā)育1 h即可制備完成地聚合物改性瀝青。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，目前實(shí)際工程中大多采用AC-13作為瀝青路面上面層，因此本文選擇細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13用于檢驗(yàn)瀝青混合料性能的礦料級(jí)配，其合成級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 AC-13礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

結(jié)合同類(lèi)型級(jí)配實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)估油石比5.0%，并以0.5%間隔取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%這5個(gè)組油石比成型馬歇爾試件，并測(cè)試其物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表3所示。通過(guò)計(jì)算確定了地聚合物改性瀝青混合料最佳油石比為4.94%；而基質(zhì)瀝青與成品SBS改性瀝青混合料最佳油石比則分別為4.83%和5.06%。

表3 馬歇爾試驗(yàn)物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2 瀝青混合料性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料在高溫和持續(xù)交通荷載的雙重影響下會(huì)“流動(dòng)”變形，其中無(wú)法恢復(fù)的那部分變形形成了永久變形，便產(chǎn)生了車(chē)轍、擁包或推移等病害，嚴(yán)重影響行車(chē)舒適度和交通安全。為了檢驗(yàn)地聚合物改性瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力，本文以基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青混合料作為對(duì)照組，采用車(chē)轍試驗(yàn)得到的動(dòng)穩(wěn)定度及運(yùn)行60 min車(chē)轍深度對(duì)3種瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)溫度為60 ℃；試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可以看出，隨著地聚合物摻量增加，車(chē)轍深度在逐漸變小，動(dòng)穩(wěn)定度均有不同程度地增加。與SBS改性瀝青相比較，地聚合物摻量為5%時(shí)對(duì)應(yīng)的車(chē)轍深度較小，且動(dòng)穩(wěn)定度較大，對(duì)于摻量5%、7%地聚合物對(duì)應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高2.1%、7.0%。相對(duì)于基質(zhì)瀝青，摻量3%、5%和7%地聚合物的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了37.6%、81.2%和89.9%，可以發(fā)現(xiàn)地聚合物摻量大于5%后的動(dòng)穩(wěn)定度提升幅度明顯變小，說(shuō)明地聚合物可大幅度改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；可能的原因在于地聚合物自身具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是一種類(lèi)似于水泥的無(wú)機(jī)膠凝材料，有著較強(qiáng)的耐高溫性能，加入瀝青后能夠增加瀝青的黏度，減小瀝青在高溫條件下的流動(dòng)性，增強(qiáng)瀝青混合料對(duì)于高溫的抗變形能力。

2.2 低溫抗裂性

由于大部分瀝青路面都是采用半剛性基層，基層的自身特性容易產(chǎn)生裂縫。當(dāng)在溫度和荷載的作用下，裂縫會(huì)向上擴(kuò)展到面層產(chǎn)生發(fā)射裂縫，后期雨水會(huì)通過(guò)裂縫滲入基層使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性破壞，導(dǎo)致路面耐久性降低。本文采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試件尺寸為250 mm×35 mm×30 mm，由車(chē)轍板試件切割而成；低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從圖2可以看出，隨著地聚合物摻量增加，彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變減小，而勁度模量增大，5種瀝青混合料中7%地聚合物對(duì)應(yīng)的彎拉應(yīng)變最小，勁度模量最大；而SBS改性瀝青對(duì)應(yīng)的彎拉應(yīng)變最大，勁度模量最小。相對(duì)于基質(zhì)瀝青，彎拉應(yīng)變減小了22.2%，勁度模量增大了9.7%，說(shuō)明地聚合物摻入后會(huì)降低改性瀝青混合料的低溫抗裂性。這是由于地聚合物作為一種無(wú)機(jī)膠凝材料加入瀝青中，包裹于集料表面的改性瀝青膠結(jié)料會(huì)由“軟”向“硬”發(fā)展，一定程度地增加了瀝青混合料的剛度，在低溫時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一定的脆性，因此地聚合物會(huì)降低瀝青混合料的低溫抗裂性。

2.3 水穩(wěn)定性

由于水通過(guò)裂縫滲入路面結(jié)構(gòu)層后，路面在動(dòng)水壓力的沖擊作用和車(chē)輛荷載的長(zhǎng)期擠壓作用下，包裹在集料表面的瀝青膜逐漸被破壞，導(dǎo)致集料松散并產(chǎn)生坑槽等病害，影響了行車(chē)舒適度和安全性。為分析地聚合物對(duì)于改性瀝青混合料抗水損害性能的影響，對(duì)于室內(nèi)成型的馬歇爾試件分別采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行分析，并以殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出，對(duì)于殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比這2種指標(biāo)，5種瀝青混合料的變化規(guī)律相一致，從小到大依次為基質(zhì)瀝青、3%地聚合物、5%地聚合物、SBS改性瀝青、7%地聚合物，說(shuō)明地聚合物可以很大程度增強(qiáng)改性瀝青與集料的界面粘附力，以抵抗水的抗剝蝕能力，從而改善改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這可能是由于作為無(wú)機(jī)膠凝材料的地聚合物會(huì)和瀝青形成一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定體系，粘附于集料表面不但增強(qiáng)了與集料的附著力，且提高了混合料的密實(shí)度，降低了水分對(duì)瀝青-集料界面的沖刷，提高了改性瀝青混合料的抗水損害性能。

2.4 疲勞性能

在長(zhǎng)期經(jīng)受車(chē)輪荷載和溫度應(yīng)力的反復(fù)作用下，瀝青路面會(huì)處于一種應(yīng)力與應(yīng)變不斷交替變化的狀態(tài)，當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)能夠承受的應(yīng)力小于外部車(chē)輛荷載時(shí)，路面結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)裂紋并不斷延展，最終發(fā)生疲勞破壞。提高瀝青路面的抗疲勞性能是改善瀝青路面耐久性的一個(gè)重要因素。為了檢驗(yàn)地聚合物改性瀝青混合料的抗疲勞性能，利用4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)切割的300 mm×50 mm×50 mm小梁試件進(jìn)行加載，采用應(yīng)力控制模式，其單一應(yīng)力比為0.4，其試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，5種瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)從大到小依次為SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青、3%地聚合物、5%地聚合物、7%地聚合物，顯然，聚合物的加入對(duì)于改性瀝青混合料的疲勞性能產(chǎn)生了消極影響，可能是由于作為無(wú)機(jī)膠凝材料的地聚合物加入后增加了瀝青膠接料的黏性，同時(shí)也增大了改性瀝青混合料的剛性，使其變得脆硬，最終在持續(xù)荷載作用下的應(yīng)變能力較弱，疲勞壽命較短。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)介紹原材料性能及地聚合物改性瀝青制備，并在混合料配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上研究了地聚合物改性瀝青混合料的路用性能。

(1)結(jié)合車(chē)轍試驗(yàn)，加入地聚合物的改性瀝青混合料車(chē)轍深度逐漸變小，動(dòng)穩(wěn)定度大幅度提高，地聚合物在摻量5%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度已大于SBS改性瀝青，顯著增強(qiáng)了瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力和抗變形性能；

(2)從殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比結(jié)果看，不同瀝青混合料的水穩(wěn)定性從小到大依次為基質(zhì)瀝青、3%地聚合物、5%地聚合物、SBS改性瀝青、7%地聚合物，地聚合物明顯提高了改性瀝青混合料的抗水損害性能；

(3)地聚合物自身材料特性使瀝青混合料逐漸從柔性向剛性發(fā)展，一定程度地降低了瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞特性，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格控制地聚合物摻量。