介孔硅 - 玄武巖纖維復合改性瀝青混合料路用性能試驗研究

基金項目：

2020年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“改性介孔硅聚丙烯復合材料熱力學性能及增強增韌機理研究”（編號：2020KY34005）；2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“新型瀝青儲運膜袋制備及應用性能研究”（編號：2024KY1184）

作者簡介：

吳 聰（1990—），碩士，工程師，主要從事道路工程及新材料研究工作。

摘要：基于介孔硅和玄武巖纖維的自身特點，文章研究復合改性瀝青混合料高低溫和水穩定性等特性，用于評價這兩種材料復合改性瀝青混合料的路用性能以及應用于道路工程的可行性。結果顯示：介孔硅和玄武巖纖維均能夠改良瀝青混合料的高低溫性能，其中介孔硅的作用更為突出，而玄武巖纖維則不利于瀝青混合料的水穩定性能，但加入介孔硅后水穩定性有一定的改善提升作用；綜合復合改性瀝青混合料的各方面性能，通過介孔硅-玄武巖纖維復合改性后的瀝青混合料具有優異的高溫穩定、低溫抗裂和耐水損傷等路用性能，滿足路用標準。

關鍵詞：介孔硅；玄武巖纖維；復合改性瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 05 014 3

0 引言

由于瀝青混合料具有優良的路用性能，其被廣泛應用于道路建設中［1-2］。瀝青是一種典型的粘彈性材料，因此瀝青路面會出現高溫下的車轍和低溫下的裂縫等病害［3-4］，針對這些缺陷，研究者們進行了大量的試驗研究。介孔硅主要成分是蛋白石及其變種，其具有模量大、強度高和硬度高、耐久性好、價格便宜、來源豐富等特點，廣泛應用于改性瀝青混合料中［5-7］。玄武巖纖維是一種無機環保型材料，是在1 450 ℃～1 500 ℃高溫條件下，玄武巖礦石呈熔融狀態拉絲所形成的材料，其具有強度高、耐高溫、性能穩定等特點，通過長期試驗的實踐證明，在瀝青中加入玄武巖纖維，可以增強瀝青混合料的耐高溫和抗低溫等性能［8-9］。本文基于介孔硅和玄武巖纖維的自身特點，研究復合改性瀝青混合料高低溫和水穩定性等特性，用于評價這兩種材料復合改性瀝青混合料的路用性能以及應用于道路的可行性。

1 試驗方法

1.1 主要原材料

介孔硅的物理性質如表1所示，化學成分如表2所示；玄武巖纖維的基本性能如表3所示，廠家推薦用量范圍為 0.2%～0.4%；70#A級石油瀝青，瀝青的技術指標全部滿足規范要求，如表4所示；礦質材料中的粗細集料、礦粉分別為石灰巖、機制砂、石灰巖礦粉，吉林雙陽產，所用材料均滿足規范要求。

1.2 配合比設計

本文將采用AC-13型的瀝青混合料來進行試驗，礦物材料配比采用《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中級配范圍的中值。按《規程》（JTG E20-2011）［10］規定的擊實法，將瀝青混合料制成標準馬歇爾試件，依照馬歇爾試驗找尋最佳油石比，來確定基質瀝青混合料（AM）、介孔硅改性瀝青混合料（DAM）、玄武巖纖維改性瀝青混合料（BFAM）及介孔硅-玄武巖纖維復合改性瀝青混合料（DBFAM）的最佳油石比，分別是4.80%、5.10%、5.12%、5.23%。根據大量試驗得出［11］，介孔硅、玄武巖纖維最佳用量分別為13.0%和0.30%。

1.3 性能測試

改性瀝青混合料性能試驗的具體步驟如下所述。

1.3.1 高溫性能

瀝青混合料本身具有粘塑特性，在高溫、車輛荷載的共同影響下，會造成塑性變形，進而損壞路面平整。為了緩解或避免這種情況，在道路施工中應采用耐高溫的瀝青混合料。為了評價改性瀝青混合料的高溫特性，將進行車轍試驗。根據《規程》中規定的辦法，制作300 mm×300 mm×50 mm（長×寬×高）尺寸的標準車轍板，試驗溫度為60 ℃，以車轍變形量（45 min至60 min）對應的動穩定度（DS）作為評價指標，來評價瀝青混合料在高溫環節下的穩定性。

1.3.2 低溫抗裂性能

當溫度急劇變化時，瀝青路面極易開裂，通常稱為溫縮裂縫。同時，由于裂縫的產生，道路上的水會浸入內部，加之路面的行車形成動水壓，進而影響瀝青薄膜，造成路面結構產生水破壞，甚至局部凹陷，最終形成網狀裂縫和凹坑，使道路通行質量惡化，因此有必要提高瀝青混合料的耐低溫特性。為了評價改性瀝青混合料的耐低溫性能，本文采用低溫劈裂的試驗，用-10 ℃間接拉伸劈裂試驗方法對瀝青混合料的低溫性能進行研究，將標準馬歇爾試件測定馬歇爾物理指標后，按《規程》規定方法進行養護，到達測試條件后，開始劈裂測試，加載速率為1 mm/min，一直到該試件出現破損，此時達到荷載的極值以及豎向的最大位移，其后再計算得到試件的劈裂強度、破壞應變和勁度模量參數。

1.3.3 水穩定性

一到春季或雨季，大量的雨水落到路面上，加上交通荷載，雨水可以進入路面結構內，造成較大的動水壓或負壓吸力，導致瀝青路面經常出現松散的集料顆粒，隨著水損害的不斷增加，瀝青路面會出現大面積的坑槽。因此，為了滿足路面性能，對瀝青混合料的水穩定性提出了更高的要求。本文運用了浸水馬歇爾和凍融劈裂兩種試驗，來評價改性瀝青混合料的抗水損害性能。試件按《規程》要求對馬歇爾試件雙面各擊打壓實50次，測試劈裂強度，進而計算得出凍融劈裂強度比（TSR）。

2 試驗結果與討論

2.1 高溫性能數據分析

高溫性能試驗結果如表5和圖1所示。

由表5和圖1中可以看出，瀝青混合料中加入介孔硅和玄武巖纖維改性后，混合料的變形量明顯減少很多，動穩定度則是DBFAM最高，分別比AM、DAM和BFAM提高了2.42倍、1.20倍和1.38倍。試驗結果說明摻加了介孔硅及玄武巖纖維后，其高溫穩定性都得到提高，與玄武巖纖維相比，介孔硅對提高混合料的耐高溫性能效果更為明顯。

原因在于介孔硅是一種具有多孔結構的材料，可以吸收部分自由瀝青，提高結構瀝青的占比，從而促進混合料高溫性能的提高［12］；而玄武巖纖維對瀝青混合料不僅利于增韌、阻裂和橋聯作用的發揮，并且還能增加瀝青的黏度，均勻分散、形成三維的網狀結構，在瀝青混合料中起到了加固效果，也在一定程度上有利于瀝青混合料高溫性能的提高［13］。通過試驗看出，介孔硅和玄武巖纖維都能夠降低瀝青對溫度的敏感性，提高了復合改性瀝青混合料的耐高溫抗變形能力，從而改善高溫性能。

2.2 低溫抗裂性能數據分析

低溫抗裂性能試驗結果見表6和圖2。

由上頁表6和圖2可以看出，瀝青混合料的劈裂抗拉強度由小到大依次是AM、DAM、DBFAM、BFAM；破壞應變數值上從小到大的排序和劈裂抗拉強度一致。摻入介孔硅或玄武巖纖維后，改善了瀝青混合料低溫破壞應變的能力，也降低了其勁度模量。經過試驗對比，破壞應變最大、勁度模量最小的為玄武巖纖維改性，其對混合料低溫特性作用效果也更加突出。

加入介孔硅及玄武巖纖維后，混合料的低溫性能得到提高主要有以下原因：（1）玄武巖纖維能起到一定程度的加固作用，能抵抗低溫應力，抑制收縮裂縫的形成，更利于低溫抗裂性能的發揮；（2）介孔硅具有較大的比表面積，吸附效果強，增大了瀝青的黏度，有效地提高了瀝青與集料的粘結力，改善了低溫抗裂性能。

2.3 水穩定性能數據分析

水穩定性試驗結果見表7和圖3。由表7和圖3可知，從瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗的結果可以看出，趨勢較為一致。在一定程度上，基質瀝青殘留穩定度和凍融劈裂強度高于BFAM，但BFAM加入介孔硅后有所改善。經過試驗得出，玄武巖纖維不僅不能很好地促進瀝青混合料抗水損害性能的發揮，反而還起到了相反的效果，同時也能夠說明介孔硅可顯著提高瀝青混合料的水穩定性。

主要原因是添加了玄武巖纖維，部分玄武巖纖維位于瀝青與骨料的界面處形成弱區，水分子很容易通過玄武巖纖維順利侵入到這個界面，導致瀝青從骨料表面剝落，從而影響瀝青混合料凍融后的劈裂強度，相比之前有所衰減。另外，介孔硅本身表面有很多孔隙，能夠吸收大量自由瀝青。因此，加入介孔硅后，瀝青與骨料更加粘附，因而減小水對瀝青混合料的不利影響。

3 結語

本文通過對介孔硅-玄武巖纖維復合改性瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性這三個主要評價瀝青路用性能的指標來進行各項試驗，考量改性瀝青混合料的路用可行性，并通過路用性能的評價，證明其運用于道路上的可行性，為今后在實際工程中的應用提供理論依據，結果表明：

（1）相比基質瀝青，介孔硅和玄武巖纖維改性瀝青混合料的動穩定度都有所提高，都可以改善瀝青混合料的高溫性能，其中以介孔硅的改善作用更為明顯。

（2）介孔硅和玄武巖纖維兩種材料都可以改善瀝青混合料低溫抗裂性能，其中以玄武巖纖維改性的效果更為突出。

（3）DBFAM的水穩定性較AM有一定程度的提高，介孔硅的加入可以改善玄武巖纖維對水穩定性的不利影響，凍融劈裂強度比明顯提高，一定程度上更利于瀝青混合料水穩定性的發揮。

參考文獻

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