園林工程用的高粘劑改性透水瀝青制備及性能研究

中圖分類號(hào)：TQ522.65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）05-0081-05

Abstract ：In order to improve the permeabilityand durabilityof permeable asphalt pavement for landscape engineering，a permeable asphalt material was prepared byreplacing basalt with anappropriate amount of stel slag and other materials，and its properties were modified byadding high viscosityagent.Theresultsshowed thatreplacing basalt withsteel slag andother materials was beneficial toimprove thepermeability，water stabilityand Marshallstabilityof permeable asphalt materials，but would increase the expansion rate.In the test，theoptimal steel slag content was 80% ，at this time，the permeability coeficient of the permeable asphalt material was 3.21 mm/s，the Marshall stability increased by 24.9% ，the splitting tensile strength before and after freezing and thawing increased by 13.3% and 20.0% ，respectively，and the expansion rate was 0.846% ，all of which met the specification requirements of permeableasphalt pavement.Inaddition，the Burgers modelshowed thattheadditionof high viscositycould increase the delay timeof permeable asphalt materialsand improve the viscoelasticity.In summary，the permeableasphalt material mixed with 80% steel slag has good comprehensive properties and can be used in garden engineering.

Key words ：blast furnace slag；permeable asphalt；high viscosity modified material；marshallstability；expansion rate密級(jí)配瀝青路面在各城市道路、園林工程中應(yīng) 用較多，但容易影響雨水的自然滲透，從而出現(xiàn)城市

洪澇等。這不利于人們生活，還會(huì)出現(xiàn)污染地下水等環(huán)境問題。透水瀝青材料有著較高的空隙率，對(duì)解決雨水滲透等問題極為有效。但是，透水瀝青材料也有著抗裂性差、耐久性差等缺點(diǎn)[1-2]。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。宋柳等通過不同摻量的膠粉對(duì)透水瀝青材料進(jìn)行改性，當(dāng)摻入膠粉之后，材料空隙率有所降低，可以通過摻入膠粉調(diào)整透水瀝青材料的滲透性能，以滿足各應(yīng)用環(huán)境需求[3]。方正直等通過木質(zhì)纖維和消石灰，對(duì)PAC-13配級(jí)的透水瀝青材料進(jìn)行改性，該透水瀝青材料最佳油石比為4.5% ，消石灰的添加有利于提高其水穩(wěn)定性，而木質(zhì)纖維的添加對(duì)透水瀝青材料的改良效果相對(duì)較小[4]。盧雪華對(duì)不同空隙率的透水瀝青材料進(jìn)行測(cè)試，分析不同空隙率與透水瀝青材料路面性能的關(guān)系，當(dāng)透水瀝青材料空隙率為 20% 時(shí)，該材料滲水系數(shù)最大，且抗裂性能最佳[5]。并提高透水瀝青材料性能，試驗(yàn)以高爐礦渣等材料替代玄武巖，并采用高粘劑進(jìn)行改性，研制一種透水瀝青材料。

1試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：玄武巖（工業(yè)純，浩開建材）；高爐礦渣（工業(yè)純，振興建筑材料）；粉煤灰（工業(yè)純，百納礦產(chǎn)）；SBS改性瀝青（工業(yè)純，中恒瀝青）；高黏劑（工業(yè)純，中恒瀝青）。

主要設(shè)備：KLF-HX-O3型烘箱（卡樂菲電熱設(shè)備）；WAW-300D型試驗(yàn)機(jī)（新力特設(shè)備）；馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀（億啟順儀器）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中，以PAC-13進(jìn)行礦料級(jí)配。參考標(biāo)準(zhǔn)為CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》[6-]。以高爐礦渣等材料替代透水瀝青材料中的玄武巖粗集料，制備一種透水瀝青材料。瀝青油石比均設(shè)定為3.50% ，高爐礦渣等材料替代玄武巖粗集料的摻量分別是 0% 20% 40% 、 60% ） 80% 和 100% 。其中，礦料級(jí)配情況具體見表1。

1.2.2 透水瀝青材料的制備

透水瀝青材料的制備。具體操作步驟如下：

（1）稱量適量粉煤灰、玄武巖、高爐礦渣，通過烘箱，在180 C 的溫度環(huán)境下對(duì)這些原材料進(jìn)行烘干處理6h。然后，稱量適量SBS改性瀝青，并加熱瀝青到180℃。

（2）將步驟（1）預(yù)熱好的玄武巖、高爐礦渣等骨料添加到恒溫?cái)嚢桢佒校瑪嚢杌旌?2min 。之后，繼續(xù)向恒溫?cái)嚢桢佒刑砑舆m量加熱好的瀝青，繼續(xù)攪拌處理 2min 。然后，添加適量加熱好的粉煤灰，攪拌混合 2min 。

（3）在準(zhǔn)備好的模具中倒人透水瀝青材料混合物料，并用擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)處理。之后，在室溫環(huán)境下，將模具自然冷卻并放置 12h 。脫模，獲得透水瀝青材料試件。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 體積特性

空隙率試驗(yàn)：參考JTGE20—2011《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[8-9]，對(duì)透水瀝青材料試件的總空隙率、有效空隙率進(jìn)行測(cè)試。

滲透試驗(yàn)：參考CJJ/T135—2009《透水水泥混 凝土路面技術(shù)規(guī)程》，通過自主構(gòu)建的透水儀器，結(jié)

合達(dá)西定律，測(cè)試透水瀝青材料的透水系數(shù)[10]

1.3.2 馬歇爾試驗(yàn)

參考JTGE20—2011和T0709—2011《瀝青混 合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)》，對(duì)透水瀝青材料試件進(jìn) 行測(cè)試，根據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度，對(duì)透水瀝青材料的路面 質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)[] O

1.3.3凍融劈裂試驗(yàn)

參考JTGE20—2011和T0730—2011，對(duì)透水瀝青材料試件進(jìn)行凍融處理，并根據(jù)材料在凍融前后的劈裂強(qiáng)度情況，分析水穩(wěn)定性[12] 。

1.3.4 膨脹性試驗(yàn)

參考JTGE42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī) 程》、T0348—2005《鋼渣活性及膨脹性試驗(yàn)》，結(jié)合 游標(biāo)卡尺法，對(duì)透水瀝青材料試件在60℃水浸泡72 h前后的膨脹率進(jìn)行測(cè)試[13]

1.3.5 粘彈性衰變

通過Burgers模型，對(duì)添加高粘劑前后的透水瀝青材料粘彈性衰變情況進(jìn)行分析[14]

2 結(jié)果與分析

2.1 體積特性

當(dāng)透水瀝青材料摻人不同高爐礦渣時(shí)，材料的總空隙率、有效空隙率以及透水系數(shù)情況如圖1所示。

由圖1可知，在空隙率方面，當(dāng)高爐礦渣摻量增加時(shí)，透水瀝青材料的總空隙率和有效空隙率變化規(guī)律基本一致，均為先迅速增大后趨于平緩。當(dāng)透水瀝青材料中未摻人高爐礦渣替代其中原有的玄武巖時(shí)，空白透水瀝青材料試件的總空隙率和有效空隙率分別是 19.55% ） 14.65% 。當(dāng)高爐礦渣摻量達(dá)到 60% 時(shí)，透水瀝青材料的總空隙率和有效空隙率基本達(dá)到拐點(diǎn)，分別是21.67%、16.68%，對(duì)比空白試件增幅分別是10.8%、13.9%。在這之后，當(dāng)高爐礦渣摻量超過 60% 時(shí)，總空隙率和有效空隙率基本較為穩(wěn)定，變化程度較小。當(dāng)高爐礦渣摻量為80% 100% 時(shí)，總空隙率分別為21.75%、21.76%，有效空隙率分別為16.70%、16.73%。另外，從圖1還可以看到，在透水系數(shù)方面，隨著透水瀝青材料中高爐礦渣摻量增多，透水系數(shù)增大。當(dāng)透水瀝青材料中未摻入高爐礦渣時(shí)，空白試件的透水系數(shù)最小，為 2.83mm/s 。當(dāng)高爐礦渣摻量為 80% ） 100% 時(shí)，透水瀝青材料的透水系數(shù)較大，分別為3.21、3.23mm/s ，增幅分別達(dá)到 13.4% ？ .14.1% 。這些現(xiàn)象表明，高爐礦渣的摻入可以有效提高透水瀝青材料空隙率，增大其透水系數(shù)，其中，高爐礦渣摻量大于 60% 比較適宜，能達(dá)到透水瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)要求[15]

綜合分析可知，出現(xiàn)以上這些現(xiàn)象的原因是，高爐礦渣材料有著多棱角性。當(dāng)在透水瀝青材料中添加適量高爐礦渣時(shí)，因?yàn)榛煊懈郀t礦渣的瀝青物料難以壓實(shí)，所以，材料會(huì)出現(xiàn)較多空隙。除了以上這個(gè)影響因素以外，高爐礦渣材料表面粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，會(huì)使透水瀝青材料中的瀝青更容易從自由瀝青轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)瀝青，從而減少透水瀝青材料中的孔隙堵塞情況[16]。所以，在摻入高爐礦渣后，透水瀝青材料的空隙率和透水系數(shù)都得到大幅度提高，增大了瀝青路面的排水性能。在透水瀝青材料中，高爐礦渣摻量應(yīng)大于 60% 。

2.2 馬歇爾穩(wěn)定度

材料馬歇爾穩(wěn)定度如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)透水瀝青材料中的高爐礦渣摻量從 0% 逐級(jí)增多至 100% 時(shí)，材料的馬歇爾穩(wěn)定度基本呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)透水瀝青材料中未摻入任何高爐礦渣材料時(shí)，空白試件的馬歇爾穩(wěn)定度最小，僅為 6.68kN ，但能達(dá)到作為透水瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)要求（大于等于5.0 kN）[17]。當(dāng)透水瀝青材料中摻入的高爐礦渣達(dá)到 80% 時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度增大到8.34kN ，這與空白透水瀝青材料試件相比，增幅為24.9% 。當(dāng)透水瀝青材料中摻入的高爐礦渣達(dá)到100% 時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度最大，為 8.53kN ，這與空白透水瀝青材料試件相比，增幅為 27.7% 。從以上這些變化可知，在透水瀝青混凝土中摻入高爐礦渣替代其中原有的玄武巖，可以大幅度增大其馬歇爾穩(wěn)定度，增強(qiáng)透水瀝青混凝土的路面質(zhì)量。且在摻入高爐礦渣后，各透水瀝青材料試件的馬歇爾穩(wěn)定度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過透水瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)要求。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因是，在馬歇爾試驗(yàn)中，由于高爐礦渣材料的表面比較粗糙，且含有較多的孔隙結(jié)構(gòu)。因此，含有高爐礦渣的透水瀝青材料中的粉煤灰、高爐礦渣等集料，與瀝青材料之間的粘接效果提高。同時(shí)，與玄武巖相比，高爐礦渣本身的強(qiáng)度較高。因此，當(dāng)以高爐礦渣等材料替代玄武巖時(shí)，透水瀝青材料的馬歇爾穩(wěn)定度提高[18]。為獲得較好的透水瀝青材料路面質(zhì)量，高爐礦渣摻量在 80% 和 100% 較為適宜。此時(shí)，透水瀝青材料的馬蝎爾穩(wěn)定度較大，且遠(yuǎn)超過透水瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 水穩(wěn)定性

在不同高爐礦渣摻量下，透水瀝青材料在經(jīng)歷一次凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度變化情況如圖3所示。

由圖3可知，不論是凍融前還是凍融后，隨著透水瀝青材料中高爐礦渣摻量增多，劈裂抗拉強(qiáng)度提高。在凍融前，當(dāng)透水瀝青材料未摻入高爐礦渣時(shí)，空白試件的劈裂抗拉強(qiáng)度為 0.641MPa 。當(dāng)高爐礦渣摻量達(dá)到 80% 100% 時(shí)，透水瀝青材料在凍融前的劈裂抗拉強(qiáng)度分別增大到 $0.726.0.752＼mathrm{＼MPa}$ ，增幅分別是 13.3% ） 17.3% 。在凍融后，對(duì)于未摻入高爐礦渣的空白透水瀝青材料試件，其劈裂抗拉強(qiáng)度為0.538MPa ，對(duì)比凍融前降低 16.1% 。當(dāng)高爐礦渣摻量達(dá)到 80% 、 100% 時(shí)，透水瀝青材料在凍融后的劈裂抗拉強(qiáng)度分別增大到 0.647，0.685MPa 。比凍融后空白試件分別增加 20.0% .27.3% 。而比凍融前相應(yīng)高爐礦渣摻量試件分別降低 12.2% ） 8.9% 。由此可得，在經(jīng)過凍融循環(huán)后，透水瀝青材料的劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)降低。但是，隨著透水瀝青材料中高爐礦渣摻量增多，這種降低程度減小，且在凍融后，材料劈裂抗拉強(qiáng)度依然較高。這種現(xiàn)象是因?yàn)椋郀t礦渣比玄武巖這種天然骨料有著更高的強(qiáng)度和多棱角性，且不容易被壓碎。同時(shí)，當(dāng)在透水瀝青材料中摻入高爐礦渣時(shí)，瀝青與高爐礦渣會(huì)發(fā)生一些化學(xué)酸堿作用。所以，在透水瀝青材料中摻入高爐礦渣，有利于提高材料中各集料、瀝青之間的粘接效果[19]，強(qiáng)度提高。當(dāng)以較多高爐礦渣等材料替代透水瀝青材料中的玄武巖時(shí)，材料在凍融后有著更高的劈裂強(qiáng)度，水穩(wěn)定性更好。

2.4 膨脹性能

在恒溫 水浸泡 72h 之后，不同高爐礦渣摻量透水瀝青材料的膨脹率情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著透水瀝青材料中摻入的高爐礦渣增多，膨脹率呈現(xiàn)出逐漸增大的變化。對(duì)于未摻入高爐礦渣的空白透水瀝青材料試件，其膨脹率最小，僅為 0.634% 。當(dāng)以 20% 高爐礦渣等材料替代玄武巖時(shí)，透水瀝青材料試件的膨脹率升高到0.696% ，增幅為 9.8% 。當(dāng)摻人 80% 高爐礦渣時(shí)，透水瀝青材料試件的膨脹率升高到 0.846% ，增幅達(dá)到 33.4% 。當(dāng)摻入的高爐礦渣達(dá)到 100% 時(shí)，膨脹率最大，為 0.877% ，增幅為 38.3% 。這些現(xiàn)象說明，當(dāng)以高爐礦渣等材料替代透水瀝青材料中的玄武巖時(shí)，材料膨脹率增加。但是，在經(jīng)過60水浸泡 之后，各透水瀝青材料的膨脹率均不超過1.0% ，符合透水瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)要求。出現(xiàn)以上這些變化的原因是，在高爐礦渣中，存在少量的氧化鎂以及氧化鈣，這些氧化物呈游離狀。當(dāng)以高爐礦渣等材料替代玄武巖時(shí)，這些氧化物會(huì)與水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在透水瀝青材料基體中產(chǎn)生氫氧化鈣等產(chǎn)物，使透水瀝青材料整體體積膨脹。當(dāng)這種膨脹效果較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹力，會(huì)使透水瀝青路面出現(xiàn)鼓包并開裂。因此，透水瀝青材料的膨脹率應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求不超過 1.0% 。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)中的各透水瀝青材料膨脹率均能達(dá)到透水瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)要求，膨脹性能良好。

2.5粘彈性衰變分析

試驗(yàn)選擇以 80% 高爐礦渣等材料替代玄武巖，制備一種透水瀝青材料。并且，為進(jìn)一步增加透水瀝青材料的粘彈性，試驗(yàn)繼續(xù)在 80% 高爐礦渣透水瀝青材料加入 0.7% 含量的高粘劑。然后，通過Burgers模型，對(duì)添加高粘劑前后的透水瀝青材料粘彈性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。在圖5中，主要由透水瀝青材料的豫遲時(shí)間來表征其粘彈性。豫遲時(shí)間越大，則代表透水瀝青材料從初始應(yīng)變速率到最大的形變過程需要的時(shí)間越多，材料抵抗變形的能力更好。

由圖5可知，對(duì)于未添加高粘劑的 80% 高爐礦渣透水瀝青材料，其在0次凍融 50% 之后的豫遲時(shí)間為112s，在20次凍融 之后的豫遲時(shí)間為89s。對(duì)于添加高粘劑的 80% 高爐礦渣透水瀝青材料，其在0次凍融 之后的豫遲時(shí)間為131s；在20次凍融 之后的豫遲時(shí)間為 122s 。由此可見，在經(jīng)過凍融循環(huán)后，透水瀝青材料的粘彈性會(huì)出現(xiàn)衰變，抵抗變形的能力減弱。但是，與未添加高粘劑時(shí)相比，添加高粘劑的透水瀝青材料即使是在凍融循環(huán)后，也有著更好的粘彈性。這是因?yàn)椋?dāng)在透水瀝青材料中添加一定量高粘劑時(shí)，這些高粘劑會(huì)在透水瀝青材料內(nèi)部構(gòu)建一種聚合物三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[20]。因此，透水瀝青材料各集料與瀝青之間粘接力提高，粘接效果更好，表現(xiàn)出更好地粘彈性。而在經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，透水瀝青材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)一些孔隙、缺陷，使材料在受力情況下更容易出現(xiàn)變形，粘彈性能降低。因此，可以通過添加高粘劑的方式，提高透水瀝青材料的粘彈性。

3結(jié)語

（1）當(dāng)高爐礦渣摻量增多時(shí)，透水瀝青材料的透水系數(shù)、總空隙率、有效空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度和膨脹率均增大，水穩(wěn)定性提高。其中，高爐礦渣摻量大于 60% 較適宜；

（2）當(dāng)透水瀝青材料中摻入 80% 高爐礦渣時(shí)，總空隙率和有效空隙率21. 75% 、 16.70% ，透水系數(shù)為為 3.21mm/s ，馬歇爾穩(wěn)定度為 8.34kN ，膨脹率為 0.846% 。且在凍融之后，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.647MPa 。材料綜合性能良好，符合透水瀝青路面標(biāo)準(zhǔn)要求；

（3）當(dāng)在 80% 高爐礦渣透水瀝青材料中添加高黏劑時(shí)，材料豫遲時(shí)間增加，粘彈性能提高，抵抗變形能力更強(qiáng)。

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（責(zé)任編輯：蘇幔）