“纖維+蒙脫土”復(fù)合改性瀝青混合料配合比試驗(yàn)研究

摘要 瀝青混凝土路面路用性能和行車體驗(yàn)比較好，在我國(guó)公路工程建設(shè)中所占比例很大。采用各種新材料、復(fù)合材料等對(duì)瀝青進(jìn)行改性成為研究熱點(diǎn)。纖維和蒙脫土在瀝青混合料中的應(yīng)用研究成果表明，把纖維和蒙脫土單獨(dú)加入瀝青混合料中能對(duì)瀝青混凝土的路用性能起到一定的改善作用，但是改性劑成分單一，對(duì)瀝青混凝土性能的改善程度有限。文章在前期研究成果基礎(chǔ)上提出纖維與蒙脫土復(fù)合改性工藝，通過試驗(yàn)研究確定纖維和蒙脫土兩種材料的最佳摻量及制備工藝，并與常用的SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比，定量評(píng)價(jià)兩種材料對(duì)瀝青膠漿復(fù)合改性效果，為我國(guó)道路改性瀝青的應(yīng)用提供一個(gè)新的技術(shù)手段，以期達(dá)到提高瀝青路面質(zhì)量和節(jié)省工程投資的目的。

關(guān)鍵詞 纖維蒙脫土；復(fù)合改性；瀝青路面；使用性能

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0103-03

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，公路工程建設(shè)規(guī)模也逐年提高，瀝青混凝土路面因其出色的路用性能和優(yōu)秀的行車體驗(yàn)使得其在我國(guó)公路工程建設(shè)中所占的比例也越來越大。隨著交通量的急劇增加和軸載的增大使得瀝青混合料的材料性能也面臨著更大的挑戰(zhàn)。隨著公路工程技術(shù)的發(fā)展和科研人員的共同努力，公路工程行業(yè)內(nèi)各項(xiàng)研究成果層出不窮，采用各種新材料、復(fù)合材料等對(duì)瀝青進(jìn)行改性已經(jīng)成為大家的研究的熱點(diǎn)和主要方向[1]。

纖維和蒙脫土在瀝青混合料中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定數(shù)量的科研成果。研究成果表明，把纖維和蒙脫土單獨(dú)加入瀝青混合料中確實(shí)對(duì)瀝青混凝土的路用性能起到了一定的改善作用，但是畢竟改性劑成分單一，對(duì)瀝青混凝土的性能改善程度有限。為了研究纖維的改性作用，我們對(duì)纖維瀝青混合料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，當(dāng)瀝青混合料的強(qiáng)度達(dá)到極限破壞時(shí)，可以看出，絕大多數(shù)纖維未被拉斷，而是整根被拉出，說明纖維本身的強(qiáng)度足夠高，但是瀝青和纖維的黏結(jié)力不夠大，纖維優(yōu)秀的抗拉性能未能充分發(fā)揮出來。通過研究蒙脫土改性瀝青混合料發(fā)現(xiàn)，蒙脫土的加入對(duì)瀝青的高溫穩(wěn)定性改善明顯，軟化點(diǎn)和黏度明顯提高，而針入度有所下降，說明蒙脫土的加入對(duì)瀝青的低溫性能改善較差[2]。因此，可以看出，單獨(dú)加入纖維或蒙脫土可以對(duì)瀝青的性能改善較單一，無法對(duì)瀝青的各方面性能進(jìn)行綜合改善。

綜合以上研究成果，該文提出將纖維和蒙脫土兩種材料復(fù)合加入瀝青混合料中，把蒙脫土優(yōu)秀的吸附性能和纖維出色的抗拉性能充分發(fā)揮出來，起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用。把纖維和蒙脫土混合，因?yàn)槊擅撏羶?yōu)秀的吸附性，可以把纖維吸附結(jié)合，然后投入到瀝青膠漿中，兩種材料形成的復(fù)合改性劑就能充分發(fā)揮蒙脫土的吸附優(yōu)勢(shì)提高纖維與瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度，這樣同時(shí)改善了高溫性能和低溫抗裂性能，起到了對(duì)瀝青混凝土的路用性能進(jìn)行全面改善的作用。

1 “纖維+蒙脫土”復(fù)合改性瀝青混合料試驗(yàn)方案確定

密級(jí)配瀝青混合料中，礦料顆粒懸浮于較小顆粒和瀝青膠漿之間，應(yīng)力松弛能力相對(duì)較好，其低溫抗拉強(qiáng)度要比開級(jí)配瀝青混合料好。因?yàn)槲覈?guó)北方四季分明，尤其冬季氣溫偏低，因此，該試驗(yàn)研究確定選用低溫性能較好的AC-13C型級(jí)配中值作為試驗(yàn)級(jí)配。

為了評(píng)價(jià)分析不同蒙脫土摻量和不同纖維用量對(duì)瀝青混合料的影響規(guī)律，同時(shí)也為了明確蒙脫土和纖維在改性瀝青混合料的相互作用機(jī)理，在前期研究的基礎(chǔ)上，確定了纖維摻量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）為0.3%、0.4%和0.5%；蒙脫土摻量（質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)）為2.0%、3.0%和4.0%[3]。通過對(duì)不同摻量的纖維和蒙脫土配制成的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，確定最佳瀝青用量，并與性能優(yōu)良的SBS改性瀝青混合料的性能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2 礦質(zhì)混合料組成設(shè)計(jì)

表1列出了AC-13C瀝青混合料礦料級(jí)配組成，采用碎石（10～15 mm）∶碎石（5～10 mm）∶碎石（3～5 mm）∶

砂∶礦粉=28∶30∶9∶26.5∶6.5的比例組成。其礦料級(jí)配組成見表1。

3 “纖維+蒙脫土”復(fù)合改性劑制備工藝

為提高“纖維+蒙脫土”復(fù)合改性劑與瀝青及粗細(xì)集料的相容性以及拌和的均勻性，專門研究了復(fù)合改性劑的制備和添加工藝：在礦粉的制作過程中，將一定比例的纖維和蒙脫土加入礦粉原料中共同進(jìn)行磨制。后期在瀝青混合料拌和時(shí)，將與礦粉混合的纖維蒙脫土復(fù)合改性劑從礦粉倉(cāng)投入即可。如此操作具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）復(fù)合改性劑混同礦粉一起添加，保證了用量的精確，克服了以往人工添加帶來的種種弊端，保證了工程質(zhì)量。

（2）由于礦粉生產(chǎn)機(jī)械的磨制和攪拌作用，使得蒙脫土和纖維均勻地分布于礦粉中，避免和防止了纖維的成團(tuán)、拌和不均現(xiàn)象。

（3）對(duì)磨制完成的復(fù)合改性劑的水溶液進(jìn)行顯微鏡觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)磨制完成后的纖維長(zhǎng)度介于1.2～3.5 mm之間，纖維上有蒙脫土附著，在瀝青膠漿中呈“短鎖鏈”形式分布，可以明顯改善瀝青混合料的綜合性能[5]。

（4）可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合改性劑的機(jī)械化生產(chǎn)，使復(fù)合改性劑的質(zhì)量和產(chǎn)量得以保證，便于該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

4 纖維蒙脫土復(fù)合改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

該文通過對(duì)不同摻量的纖維和蒙脫土配制成的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，確定最佳瀝青用量，并與性能優(yōu)良的SBS改性瀝青混合料的性能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。從而分析不同蒙脫土摻量和纖維用量對(duì)瀝青混合料性質(zhì)的影響規(guī)律，同時(shí)也能明確蒙脫土和纖維在改性瀝青混合料中的相互作用機(jī)理。因篇幅所限，該文僅介紹未摻加復(fù)合改性劑和SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量的確定過程。

4.1 未摻加復(fù)合改性劑瀝青混合料馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五種不同的油石比，成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測(cè)試結(jié)果見表2。

4.2 未摻加復(fù)合改性劑瀝青混合料最佳油石比確定

通過繪制瀝青用量與馬歇爾試驗(yàn)物理—力學(xué)指標(biāo)關(guān)系圖，確定原瀝青混合料的最佳油石比為4.24%，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

4.3 SBS改性瀝青馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五種不同油石比，成型SBS改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，其測(cè)試結(jié)果匯總見表4。

4.4 SBS改性瀝青最佳油石比的確定

通過繪制瀝青用量與馬歇爾試驗(yàn)物理—力學(xué)指標(biāo)關(guān)系圖，確定SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為4.40%，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

4.5 各配合比混合料基本物理指標(biāo)

不同配合比瀝青混合料的最佳瀝青用量確定以后，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果列于表6。

4.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.6.1 最佳瀝青用量（OAC）

從表6中可以看出：最佳瀝青用量隨著“纖維+蒙脫土”復(fù)合改性劑的加入在一定程度上增加了，纖維的加入對(duì)最佳瀝青用量的影響大于蒙脫土。在蒙脫土摻量為2%時(shí)，隨著纖維摻量由3‰增加到5‰時(shí)，瀝青的最佳用量也由4.31%增加到4.45%。當(dāng)纖維摻量為3.0‰時(shí)，隨著蒙脫土用量增加，最佳瀝青用量增加幅度不大。由上述對(duì)比可知，纖維對(duì)最佳瀝青用量的影響大于蒙脫土。是因?yàn)槔w維比表面積很大，纖維的加入需要對(duì)其表面進(jìn)行裹覆，瀝青用量必然隨之增加。

4.6.2 穩(wěn)定度

從表6中可以看到：“纖維+蒙脫土”復(fù)合改性劑的加入明顯提高了瀝青混合料的穩(wěn)定度。但兩種改性劑均存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的用量，以纖維為例，蒙脫土含量為2.0%時(shí)，隨著纖維摻量由3‰增加到5‰，瀝青混合料的穩(wěn)定度由13.38 kN增大到16.01 kN，但纖維用量從3‰～4‰時(shí)，瀝青混合料穩(wěn)定度增加的幅度明顯大于纖維用量為4‰～5‰時(shí)。這是因?yàn)榧尤肜w維和蒙脫土以后，蒙脫土附著在纖維上，共同在混合料中形成各向分布的蒙脫土纖維單絲，瀝青膠漿把礦質(zhì)混合料和蒙脫土纖維單絲黏結(jié)在一起共同受力，使得瀝青混合料的變形量減小，動(dòng)穩(wěn)定度提高[4]。在一定范圍內(nèi)纖維用量越大，馬歇爾穩(wěn)定度越高。當(dāng)纖維用量過大時(shí)，纖維在瀝青混合料中就很難均勻分散開，會(huì)出現(xiàn)聚集結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，影響改性效果。

在實(shí)際工程中，“纖維+蒙脫土”復(fù)合改性劑摻量的選擇，在滿足瀝青混合料路用性能的條件下，還應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性。各配合比最佳瀝青用量混合料的各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求；從經(jīng)濟(jì)層面考慮，蒙脫土、纖維含量分別取3%、4‰時(shí)，蒙脫土對(duì)瀝青的改性作用得到充分發(fā)揮，纖維的橋接和加筋作用得到有效利用，故該量值是“纖維+蒙脫土”復(fù)合改性劑的合理用量。

5 結(jié)語(yǔ)

該文將纖維和蒙脫土兩種材料復(fù)合用于瀝青改性，對(duì)不同配合比的瀝青膠漿進(jìn)行了改性研究，對(duì)不同摻量的纖維和蒙脫土配制成的瀝青混合料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了兩種改性材料對(duì)瀝青膠漿基本指標(biāo)性能的影響，確定瀝青的最佳用量，并與性能優(yōu)良的SBS改性瀝青混合料的進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了“纖維+蒙脫土”復(fù)合改性劑對(duì)瀝青混合料的改善效果的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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