廢膠粉/納米二氧化硅半柔性瀝青混合料路用性能分析

■李永兵 王 偉

（1.湖南民道工程檢測有限公司，長沙 410004；2.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410132）

半柔性路面近年來在中國、日本、荷蘭以及英國等國家流行，其起源于20 世紀(jì)的法國，長期的研究結(jié)果表明半柔性路面既具有瀝青路面的柔韌性，又具有混凝土路面的剛性，被廣泛用于公路隧道、平交道口、公交車站及長大縱坡路段[1]。 半柔性路面作為一種非均質(zhì)路面，其由多孔瀝青組成，采用的開級配空隙率為20%～30%，灌漿材料則選用水泥砂漿[2]。水泥砂漿通常由水泥、砂和水組成[3]，其質(zhì)量主要受材料性能、級配、養(yǎng)護(hù)時間與水灰比等多種因素影響。 為獲得流動性好、強(qiáng)度高、干縮小以及附著力高的水泥砂漿，諸多學(xué)者研究了不同材料對水泥砂漿性能的影響效果及機(jī)制[4]。 其中納米二氧化硅基于納米粒子表面效應(yīng)與小尺寸效應(yīng)，可通過二次反應(yīng)細(xì)化水泥砂漿界面中的氫氧化鈣晶粒，強(qiáng)化水化硅酸鈣凝膠反應(yīng)，從而改善水泥漿體的堆積效果，進(jìn)而提高水泥砂漿的力學(xué)性能[5]。 方智全[6]研究結(jié)果表明，納米二氧化硅可提高水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度。 佟鈺等[7]研究顯示，隨著納米二氧化硅粒徑的減小，水泥砂漿各齡期抗壓強(qiáng)度先增大后減小。近年來，廢膠粉在瀝青路面中的應(yīng)用較多。呂松濤等[8]研究顯示，橡膠粉可實(shí)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石斷裂能增大，模量可調(diào)、可設(shè)計(jì)的功能。 王輝等[9]研究顯示，廢膠粉復(fù)合改性瀝青的相容性優(yōu)于普通膠粉。此外，廢膠粉對瀝青混合料性能中諸如耐久性、穩(wěn)定性、抗損傷性以及疲勞壽命的影響已有較為深入的研究[10-12]。 然而，廢膠粉與納米二氧化硅聯(lián)用對半柔性路面路面性能的影響尚未完全了解。 基于此，本研究通過使用納米二氧化硅替代水泥砂漿中部分水泥，并在混合料制備過程中加入廢膠粉，并經(jīng)抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、干縮率試驗(yàn)、抗滑性能以及耐久性試驗(yàn)分析廢膠粉/納米二氧化硅半柔性瀝青混合料的路用性能及最佳摻量。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究使用的I-C 類SBS 改性瀝青、 粗細(xì)集料、礦粉以及水泥的技術(shù)性能如表1～5 所示。 廢膠粉采用60 目粒徑，其技術(shù)性能如表6 所示。 納米二氧化硅取自河北某公司，其粒徑小于100 nm，采用減水劑作分散劑結(jié)合超聲分散進(jìn)而獲得分散均勻的納米二氧化硅。

表1 SBS 改性瀝青技術(shù)性能

表2 粗集料技術(shù)性能

表3 細(xì)集料技術(shù)性能

表4 礦粉技術(shù)性能

表5 水泥技術(shù)性能

表6 廢膠粉技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 半柔性瀝青混合料的制備

本次研究采用OGFC-16 級配中值作為基體瀝青混合料，即在19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm 粒徑下，通過率分別為100%、95.0%、80.0%、57.5%、21.0%、16.0%、12.0%、9.5%、7.5%、5.5%、4.0%。 依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中擊實(shí)法規(guī)程，采用雙面各擊實(shí)50 次的方式制備馬歇爾試件，并確定其最佳瀝青用量為3.54%，對應(yīng)空隙率為24.8%。 為研究廢膠粉對半柔性路面的影響，將占瀝青質(zhì)量3%、4%以及5%的廢膠粉加入180℃的SBS 改性瀝青中攪拌5 min，并制備基體瀝青混合料。

依據(jù)《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》（JT/T 1239-2019）制備水泥基灌漿材料，灌漿材料的流動度為13 s 以使其能順利灌入基體瀝青混合料中。制備了4 種摻量納米二氧化硅的水泥砂漿，分別為替代水泥重量的2%、4%、6%以及8%。 將基體瀝青混合料放置在振動臺上，用灌漿材料在1 h 內(nèi)充分灌滿混合料，從而獲得半柔性瀝青混合料。 其中抗壓強(qiáng)度、干縮試驗(yàn)以及耐久性試驗(yàn)采用φ100 mm×100 mm的馬歇爾試件，抗滑性能采用300 mm×300 mm×50 mm 的車轍板試件，而抗彎拉試驗(yàn)采用50 mm×50 mm×300 mm 的梁式試件，如圖1 所示。

圖1 半柔性瀝青混合料梁式試件

1.2.2 干縮試驗(yàn)

將半柔性瀝青混合料放在水中浸泡1 d，取出后擦拭表面水分并量取試件的高度，再放入干燥存儲柜中14 d 后再次測量試件的高度，通過比較試件高度減少的百分率來計(jì)算干縮率。

1.2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中T0713 進(jìn)行，在圓柱形試件上引入荷載直至其斷裂。 抗彎拉強(qiáng)度依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中T0715 進(jìn)行，環(huán)境溫度為20℃，加載速率為10 mm/min。

1.2.4 抗滑性能試驗(yàn)

抗滑性能試驗(yàn)依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450-2019）中T0969-2019 進(jìn)行，在車轍板上測試3 個測點(diǎn)的擺值，取平均值。

1.2.5 耐久性試驗(yàn)

為模擬酸雨環(huán)境對混合料耐久性的影響，將試件浸入5%濃度的HCl 溶液中，分別浸泡30 min 與24 h 后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，以兩者的百分比結(jié)果作為耐久性試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干縮率

廢膠粉/納米二氧化硅的半柔性瀝青混合料的干縮率如圖2 所示。 結(jié)果表明在加入納米二氧化硅后，半柔性瀝青混合料的干縮率顯著減小，但隨著納米二氧化硅摻量的增加其干縮率變化規(guī)律并不顯著。計(jì)算3%、4%、5%廢膠粉摻量的納米二氧化硅半柔性瀝青混合料干縮率的均值， 并與0%摻量進(jìn)行對比，結(jié)果顯示其干縮率分別下降20.3%、33.3%以及52.7%。 這表明較大的廢膠粉摻量會增加半柔性瀝青混合料的干縮率，但納米二氧化硅可以改善這一現(xiàn)象。 陳海峰等[13]研究顯示廢橡膠粉顆粒過大會引起半柔性材料干縮率增大。 納米二氧化硅的摻入可加速水泥早期水化反應(yīng)，在低摻量時，混合料中一部分吸附水轉(zhuǎn)為結(jié)合水，進(jìn)而使得干縮率減小。但隨著摻量增加，大量的納米二氧化硅缺少足夠的水分，無法反應(yīng)形成更多的C-S-H 膠凝相，因此其干縮率變化并不顯著。

圖2 半柔性瀝青混合料干縮率

2.2 抗壓強(qiáng)度

廢膠粉與納米二氧化硅的半柔性瀝青混合料的平均抗壓強(qiáng)度如圖3 所示。 結(jié)果表明，隨著納米二氧化硅摻量從0%增加至6%，7 d 抗壓強(qiáng)度顯著增加，3%、4%、5%廢膠粉摻量的半柔性路面抗壓強(qiáng)度分別提升15.1%、18.7%以及32.4%。 在納米二氧化硅摻量增加至8%時，3%、4%、5%廢膠粉摻量的半柔性路面抗壓強(qiáng)度相較于0%廢膠粉摻量時分別下降了26.0%、31.0%、19.8%。 這是由于隨著納米二氧化硅的摻入會加速與Ca（OH）2的反應(yīng)，進(jìn)而填充水泥顆粒間的間隙，從而使水泥砂漿密度增加，抗壓強(qiáng)度增加。 隨著納米二氧化硅摻量進(jìn)一步增大至8%，大量的納米二氧化硅使得水泥水化水分不足，致使混合料結(jié)構(gòu)松散，抗壓強(qiáng)度降低。

圖3 半柔性瀝青混合料抗壓強(qiáng)度

2.3 抗彎強(qiáng)度

半柔性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度值如圖4 所示。 結(jié)果顯示，隨著廢膠粉摻量增加，混合料的抗彎拉強(qiáng)度增加；隨著納米二氧化硅摻量增加抗彎拉強(qiáng)度先增加后減小，并在4%摻量時達(dá)到峰值，此時3%、4%、5%廢膠粉半柔性混合料彎拉強(qiáng)度最大值相較于0%廢膠粉摻量時分別提高了33.3%、34.5、28.1%。如前所述，產(chǎn)量較小時納米二氧化硅形成的致密灌漿材料可提升混合料的抗折強(qiáng)度，但過大的摻量會降低其力學(xué)性能。 圖中的斷點(diǎn)線對應(yīng)《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》（JT/T 1239-2019）對抗彎拉強(qiáng)度的要求，可以看出，僅有4%廢膠粉、8%納米二氧化硅摻量的半柔性混合料滿足要求。

圖4 半柔性瀝青混合料抗壓強(qiáng)度

2.4 抗滑性能

圖5 顯示了不同納米二氧化硅摻量下半柔性瀝青混合料的擺值。 由圖可知隨著納米二氧化硅摻量增加，混合料的BPN 值（擺值）在納米二氧化硅摻量為6%時達(dá)到峰值。 6%納米二氧化硅摻量情況下，3%、4%、5%廢膠粉混合料的BPN 值相較于0%廢膠粉摻量時分別增大了10.8%、10.0%、13.4%。 此外，3%廢膠粉混合料的BPN 值顯著大于4%、5%廢膠粉混合料。研究顯示[14]，廢膠粉粒徑摻量的增加會降低混合料的抗滑性能。 而納米二氧化硅通過提高混合料表面的疏水性能及自清潔性能，可改善混合料的表面紋理，進(jìn)而提高抗滑性能[15]。

2.5 耐久性

圖6 顯示了不同的半柔性瀝青混合料在HCl浸泡下的耐久性變化。可以看出HCl 對廢膠粉的影響較為顯著，5%廢膠粉混合料的耐久性變化幅度顯著大于3%、4%廢膠粉混合料。 這是由于酸對廢膠粉的刻蝕作用[16]顯著，使得混合料內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致耐久性下降。 此外，在納米二氧化硅摻量4%時其耐久性達(dá)到最大值，相較于0%廢膠粉混合料，3%、4%、5%廢膠粉混合料的耐久性分別提高3.3%、4.0%、5.1%。

3 結(jié)論

（1）納米二氧化硅的摻入可以改善半柔性瀝青混合料的干縮現(xiàn)象，但摻量對干縮性能的影響不顯著。 （2）納米二氧化硅的摻量增加可以提高半柔性瀝青混合料的力學(xué)性能，但摻量超過6%后，混合料的力學(xué)性能顯著降低。 （3）廢膠粉的摻量增加可以顯著提高半柔性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度，但過量的廢膠粉會降低其抗滑性能與耐久性。 （4）基于OGFC-16 中值級配的半柔性瀝青混合料，推薦納米二氧化硅摻量為4%～6%，廢膠粉摻量為3%～4%。