納米改性瀝青混合料路用性能

孫 璐 辛憲濤 任皎龍

(1東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096)

(2美國天主教大學(xué)土木工程系，華盛頓 20064)

近年來，我國公路交通事業(yè)迅速發(fā)展，為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn).但隨著交通量的增加、車輛軸載的增大以及渠化交通的形成，瀝青路面的病害問題也越發(fā)突出，部分高等級(jí)公路甚至在開放交通幾年內(nèi)即出現(xiàn)車轍、泛油、開裂等損壞現(xiàn)象.車轍是這些病害中問題最尖銳、危害最嚴(yán)重的一種.通過瀝青改性以提高瀝青混合料路用性能(尤其是抗車轍性能)已成為道路工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).聚合物改性瀝青可增強(qiáng)瀝青路面的抗病害能力，提高其服務(wù)水平，從而成為瀝青改性的主流，然而，研究中仍存在一些難以解決的問題，如聚合物價(jià)格昂貴、加工難度大、與瀝青相容性差等.因此，有必要開發(fā)一種高溫性能優(yōu)良、性價(jià)比高的新型改性瀝青混合料.

瀝青路面的宏觀路用性能是由路面材料組成的微結(jié)構(gòu)所決定的.將納米材料應(yīng)用于瀝青路面，具有極大的潛在價(jià)值和收益前景.納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100 nm)內(nèi)或以它們作為基本單元構(gòu)成的材料，其按維數(shù)可以分為:① 零維納米材料，如納米粒子;②一維納米材料，如碳納米管;③二維納米材料，如納米層狀硅酸鹽;④三維納米材料，如智能金屬等納米塊體［1-2］.已有研究［3-8］表明:基質(zhì)瀝青經(jīng)納米材料(零維納米SiO2與二維納米材料膨潤土共混)改性后，其綜合路用性能(尤其是高溫性能)得到明顯提升.同時(shí)，伴隨著納米材料工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，這種材料較傳統(tǒng)改性劑具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，從而為其廣泛應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)［1-2］.

在前期研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步探討了納米改性瀝青應(yīng)用于瀝青混合料中的可行性與可靠性.試驗(yàn)采用6種瀝青結(jié)合料制備瀝青混合料，分別以車轍試驗(yàn)和SPT試驗(yàn)評(píng)價(jià)其高溫性能，以低溫彎曲破壞試驗(yàn)和低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其低溫性能，以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性.

1 原材料與礦料級(jí)配

本文試驗(yàn)中采用了以下6種不同類型瀝青結(jié)合料:70#基質(zhì)瀝青(記為基質(zhì))、SBS改性瀝青(記為SBS)、70#基質(zhì)瀝青+1%納米SiO2(記為改性A)、70#基質(zhì)瀝青+5%膨潤土(記為改性 B)、70#基質(zhì)瀝青+1%納米SiO2+5%膨潤土(記為改性C)、70#基質(zhì)瀝青 +1%納米 SiO2+5%膨潤土+5%SBS(記為改性D)，其技術(shù)指標(biāo)見表1.這6種瀝青混合料均采用花崗巖制備，其礦料級(jí)配見表2［9］.馬歇爾配合比設(shè)計(jì)的最佳油石比分別為4.8%，5.1%，5.4%，5.2%，5.5%，5.7%.

表1 各類型瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 礦料級(jí)配 %

2 路用性能

2.1 高溫性能

2.1.1 車轍試驗(yàn)

不同類型瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，改性A、改性B、改性C、改性 D 的動(dòng)穩(wěn)定度分別為基質(zhì)的 1.60，1.56，1.77，3.56倍，說明納米材料能明顯提高基質(zhì)瀝青混合料的抗車轍性能，其中又以改性D的效果最為明顯.另一方面，改性A、改性B、改性C的動(dòng)穩(wěn)定度與SBS相差不大，但改性D卻優(yōu)勢(shì)明顯，說明納米材料還具有提升SBS改性瀝青高溫改性效果的功能.

2.1.2 SPT 試驗(yàn)

美國NCHRP 465報(bào)告［5］將SPT試驗(yàn)定義為:對(duì)于不同交通和氣候條件，一種能夠準(zhǔn)確、可靠地測(cè)定瀝青混合料所引起相關(guān)路面損壞(例如開裂或車轍)的響應(yīng)特性或參數(shù)的試驗(yàn)方法.SPT試驗(yàn)主要包括動(dòng)態(tài)模量E*、流變時(shí)間Ft和流變次數(shù)Fn三個(gè)指標(biāo)，分別通過動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和重復(fù)加載永久變形試驗(yàn)獲得.

動(dòng)態(tài)模量E*和動(dòng)態(tài)模量指標(biāo) K(K=E*/sinΦ，Φ為相位角)主要受試驗(yàn)溫度和加載頻率的影響，與荷載大小無關(guān).研究發(fā)現(xiàn)，加載頻率為5，10 Hz時(shí)，E*和K能夠有效區(qū)分瀝青混合料抗車轍性能的優(yōu)劣，且E*和K越大，混合料抗車轍性能越好［10-12］.同時(shí)，為了模擬瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)采用的試驗(yàn)條件如下:加載頻率為5，10 Hz，圍壓為138 kPa，溫度為60 ℃.試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 不同加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

流變時(shí)間Ft是指試件加載過程中軸向應(yīng)變最小變化率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間.Ft越小，說明混合料越容易在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生車轍，即抗車轍性能越差.靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)條件如下:軸向壓力為0.7 MPa，圍壓為138 kPa，溫度為60℃.試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果 s

流變次數(shù)Fn是指試件加載過程中永久軸向應(yīng)變最小變化率所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù).Fn越大，所對(duì)應(yīng)的車轍深度越小，即抗車轍性能越優(yōu).重復(fù)加載永久變形試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)條件與靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)相同，試驗(yàn)結(jié)果見表5.

由表4和表5可以看出，不同類型瀝青混合料的參數(shù)E*從大到小順序?yàn)?改性D，SBS，改性C，改性 A，改性 B，基質(zhì).K，F(xiàn)t，F(xiàn)n也存在相同的規(guī)律.其中，改性A、改性B、改性C和SBS四者相差不大.由此表明，改性D的抗車轍性能最優(yōu);改性A、改性B、改性C的抗車轍性能和SBS之間相差不大，但均優(yōu)于基質(zhì)瀝瀝青混合料，這與2.1.1節(jié)分析結(jié)果相同.

2.2 低溫性能

通過－10℃條件下的瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同類型瀝青混合料的低溫特性.試驗(yàn)結(jié)果見表6.

表6 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出，與基質(zhì)瀝青相比，改性D的破壞應(yīng)變較大而勁度模量較小，改性A、改性B、改性C則相反.這說明改性D的低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料.其他3種納米改性瀝青混合料的低溫性能均有下降，但仍能滿足瀝青路面規(guī)范對(duì)低溫抗裂性能的要求.

2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)不同類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果分別見表7和表8.

表7 浸水殘留穩(wěn)定度

表8 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7和表8可以看出，改性A、改性B、改性C、改性D四種納米改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度分別為基質(zhì)瀝青混合料的 1.07，1.03，1.06，1.13倍，凍融劈裂強(qiáng)度比分別為基質(zhì)瀝青混合料的1.06，1.05，1.09，1.15 倍.這說明納米材料明顯提高了基質(zhì)瀝青混合料的抗水損害能力，其中又以改性D的效果最為明顯.改性A、改性B、改性C的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比與SBS相差不大，但改性D卻優(yōu)勢(shì)明顯，說明納米材料還可優(yōu)化SBS瀝青改性效果.

3 結(jié)論

1)6種不同類型瀝青混合料的車轍、SPT試驗(yàn)、浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面，納米SiO2改性瀝青混合料、膨潤土改性瀝青混合料、納米SiO2/膨潤土復(fù)合改性瀝青混合料較基質(zhì)瀝青明顯提高，與SBS改性瀝青相比則差別不大.納米SiO2/膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料較任一種混合料均有明顯優(yōu)勢(shì).由此表明，納米材料不僅能顯著提升基質(zhì)瀝青的高溫性能和抗水損害能力，還可優(yōu)化SBS改性瀝青改性效果.

2)低溫彎曲破壞和低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明，納米SiO2/膨潤土/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料.納米SiO2改性瀝青混合料、膨潤土改性瀝青混合料和納米SiO2/膨潤土復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能略有降低，但仍能夠滿足夠?yàn)r青路面規(guī)范對(duì)低溫性能的要求.

3)納米SiO2改性瀝青混合料、膨潤土改性瀝青混合料、納米SiO2/膨潤土復(fù)合改性瀝青混合料和納米SiO2/膨潤土/SB復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能與基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的對(duì)比結(jié)果表明，納米改性瀝青混合料具有優(yōu)良的綜合路用性能，納米材料適用于瀝青改性技術(shù)中.

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