橡維聯(lián)/納米膨潤(rùn)土復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能研究

孫吉書，張雪妮，李明揚(yáng)

（河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

0 引言

有機(jī)膨潤(rùn)土作為道路工程常用材料，能使瀝青線性黏彈性能得到改善，顯示出明顯的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和高溫穩(wěn)定性，但是低溫性能改善效果不明顯[1-2]。橡膠類材料低溫性能良好且經(jīng)濟(jì)效益高，可以被廣泛應(yīng)用作為外摻劑加入到瀝青混合料中改善瀝青路面的路用性能。

國(guó)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究，Seyed Amid Taham等[3]研究發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中固化過(guò)程中摻入非常細(xì)小的碎屑橡膠粉，可以明顯提高瀝青混合料對(duì)失效的抵抗力；Franesqui等[4]研究結(jié)果表明瀝青橡膠的使用可以很大程度改善瀝青的抗車轍性，抗水損性和低溫穩(wěn)定性；Camargo等[5]通過(guò)定期監(jiān)測(cè)以及模擬使用混合橡膠瀝青混合物作為表面層的試驗(yàn)段，混合橡膠瀝青表現(xiàn)出良好的功能效果。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，于江等[6]發(fā)現(xiàn)橡膠摻入新疆巖瀝青（XRA）和天然湖瀝青（TLA）后，天然改性瀝青的黏性和彈性得到相應(yīng)的改善；任瑞波等[7]研究表明廢舊橡塑改性瀝青及其瀝青混合料具有高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)；甄俊杰[8]研究得出四川膠粉+ESSO-70號(hào)類型橡膠瀝青低溫性能最好，且膠粉摻量為21%時(shí)，低溫性能最好。

同時(shí)，楊偉燕等[9]研究表明黏土的加入橡膠中可大幅度提高橡膠的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性；張寶昌[10]研究表明丁苯橡膠和膨潤(rùn)土的復(fù)合改性瀝青復(fù)合性良好，且丁苯橡膠和膨潤(rùn)土質(zhì)量比為3/5時(shí)，其改性瀝青溫度敏感性最低；趙哲[11]改性膨潤(rùn)土和橡膠膠乳分子具有較好的相容性，達(dá)到了納米級(jí)分散，得到的復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

這些研究表明，橡膠能改善瀝青的黏性和彈性，具有良好的低溫穩(wěn)定性，高溫穩(wěn)定性，抗車轍性，抗水損性和穩(wěn)定性。且橡膠與膨潤(rùn)土具有很好的相容性，可降低其溫度敏感性。因此，通過(guò)引進(jìn)新型顆粒狀的橡維聯(lián)材料來(lái)對(duì)瀝青進(jìn)行改性，在納米膨潤(rùn)土改性瀝青中加入橡維聯(lián)改性劑，來(lái)提高納米膨潤(rùn)土改性瀝青的路用性能，以期可以廣泛推廣，為道路材料的發(fā)展提供新思路。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的基質(zhì)瀝青為倫特70#，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Matrix asphalt technical indicators

納米膨潤(rùn)土改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 納米膨潤(rùn)土的技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical specifications of nano bentonite

礦粉試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 礦粉試驗(yàn)指標(biāo)Tab.3 Mineral powder test indicators

添加劑橡維聯(lián)的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 添加劑橡維聯(lián)的技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Additive performance index

礦料巖性為石灰?guī)r，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）[12]對(duì)礦料各項(xiàng)指標(biāo)的要求，對(duì)礦料各指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，粗集料試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表5。細(xì)集料試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表5 粗集料試驗(yàn)指標(biāo)Tab.5 coarse aggregate test indicators

表6 細(xì)集料試驗(yàn)指標(biāo)Tab.6 Fine aggregate test indicators

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)熔融插層法制得納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青，采用針入度、延度以及軟化點(diǎn)研究納米有機(jī)膨潤(rùn)土的復(fù)合材料的基本物理性能，采用干法分別對(duì)基質(zhì)瀝青以及橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青混合料進(jìn)行摻拌，而后進(jìn)行室內(nèi)車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)及間接拉伸試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能，之后利用灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)評(píng)價(jià)在不同橡維聯(lián)摻量的納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青混合料對(duì)路用性能的影響。

1.3 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

采用AC-13 和SMA-13 型級(jí)配作為試驗(yàn)研究對(duì)象。礦料依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）[13]中級(jí)配范圍的要求，確定級(jí)配組成，并基于數(shù)解法應(yīng)對(duì)配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化計(jì)算，求得各檔集料的最佳用量[14]，級(jí)配組成如圖1。

圖1 級(jí)配組成Fig.1 Grade composition

其中，AC-13型瀝青混合料的油石比采用4.8%，成型溫度170 ℃，燜料時(shí)間30 min；SMA-13型瀝青混合料的油石比采用6.1%，成型溫度180 ℃，燜料時(shí)間30 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理試驗(yàn)指標(biāo)

本試驗(yàn)以倫特70#瀝青作為瀝青基，以納米有機(jī)膨潤(rùn)土作為分散相，以瀝青熔融狀態(tài)機(jī)械攪拌的方式進(jìn)行改性瀝青的制備，具體為：稱好質(zhì)量的瀝青以及納米有機(jī)膨潤(rùn)土和橡維聯(lián)備用，先將瀝青在烘箱中加熱至145 ℃，之后將準(zhǔn)備好的膨潤(rùn)土在5 min之內(nèi)緩慢降入瀝青中，后將溫度升至170～180 ℃，用高速剪切乳化劑進(jìn)行剪切，剪切速率為4 000 r/min，剪切時(shí)間為30 min。結(jié)束后進(jìn)行人工攪拌30 min，并保持溫度為170～180 ℃，確保瀝青發(fā)育良好。

針入度、延度以及軟化點(diǎn)試驗(yàn)以倫特70#作為基體，以4%的納米有機(jī)膨潤(rùn)土和橡維聯(lián)作為分散相，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 納米有機(jī)膨潤(rùn)土復(fù)合改性瀝青物理試驗(yàn)指標(biāo)Fig.2 Physical test index of nano-organic bentonite composite modified asphalt

由圖2可知，隨著橡維聯(lián)摻量的增加，針入度呈下降趨勢(shì)，軟化點(diǎn)呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明隨著橡維聯(lián)摻量的增加，瀝青的稠度增加，高溫性能提高。由表1和圖2可以看出，加入膨潤(rùn)土的改性瀝青對(duì)比于基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)，其針入度和延度有所降低，軟化點(diǎn)有所提高，這說(shuō)明有機(jī)膨潤(rùn)土有助于提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，與橡維聯(lián)的效果一致，但是其低溫性能卻明顯下降，而當(dāng)同時(shí)加入有機(jī)膨潤(rùn)土和橡維聯(lián)時(shí)，延度相對(duì)增加，這說(shuō)明有機(jī)膨潤(rùn)土與橡維聯(lián)形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)低溫有良好的抵抗作用。當(dāng)橡維聯(lián)摻量大于0.1%之后，延度和軟化點(diǎn)增加緩慢，針入度降低的速度變快，表明當(dāng)摻量為0.1%左右時(shí)，納米有機(jī)膨潤(rùn)土改性瀝青復(fù)合材料達(dá)到了最大程度的復(fù)合，即達(dá)到了最大程度的剝離型，超過(guò)這一范圍，開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)椴鍖有徒Y(jié)構(gòu)。

2.2 高溫穩(wěn)定性

對(duì)基質(zhì)瀝青、有機(jī)膨潤(rùn)土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)車轍試驗(yàn)，采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍能力。其中，AC-13型基質(zhì)瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度為2 539次/mm，SMA-13型基質(zhì)瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度為3 072次/mm，其它試驗(yàn)結(jié)果如圖3。

由測(cè)試結(jié)果以及圖3 可知，摻加橡維聯(lián)和有機(jī)膨潤(rùn)土可明顯增加基質(zhì)瀝青動(dòng)穩(wěn)定度，且隨著橡維聯(lián)摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸升高，且摻量為0～0.1%時(shí)，上升效果顯著，大于0.1%后效果逐漸趨于平緩。摻量為0.1%的AC-13型瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較沒(méi)有添加改性劑的瀝青混合料至少提高32.5%，同樣的，SMA-13型瀝青混合料至少提高18.4%。表明改性劑對(duì)高溫穩(wěn)定性有增強(qiáng)作用，符合我國(guó)高溫、重載、大流量交通對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)指標(biāo)的要求。改性劑對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度提高的原因如下：橡維聯(lián)和有機(jī)膨潤(rùn)土在熔融后，混合料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，在集料骨架作用下，橡維聯(lián)和有機(jī)膨潤(rùn)土混合被拉成纖維狀絲，從而起到了橋接作用，抗拉伸效果顯著，從而瀝青的軟化點(diǎn)以及黏度均提升，改性效果顯著。

圖3 車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Rutting experiment results

2.3 水穩(wěn)定性

對(duì)基質(zhì)瀝青、有機(jī)膨潤(rùn)土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)方法采用凍融劈裂比來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水毀能力。其中，AC-13型基質(zhì)瀝青的的凍融劈裂比83.9%，SMA-13 型基質(zhì)瀝青的凍融劈裂比80.9%，其它結(jié)果如圖4所示。

由測(cè)試結(jié)果和圖4可知，橡維聯(lián)和有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)水穩(wěn)定性有促進(jìn)作用，且隨著橡維聯(lián)摻量的增加，凍融劈裂比逐漸增大，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均有所提高。橡維聯(lián)和有機(jī)膨潤(rùn)土提高水穩(wěn)定性的原因在于干拌于瀝青混合料時(shí)，能熔融于集料表面，因而提高了瀝青與集料的黏結(jié)性，并且改性后瀝青形成膠結(jié)狀，整體的黏附性上升。

圖4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Freeze-thaw split test results

2.4 低溫穩(wěn)定性

對(duì)基質(zhì)瀝青、有機(jī)膨潤(rùn)土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)方法采用極限彎拉應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫能力。其中，AC-13型基質(zhì)瀝青的極限彎拉應(yīng)變?yōu)? 453 με，SMA-13 型基質(zhì)瀝青的極限彎拉應(yīng)變?yōu)? 981 με，其他結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著摻量的增加，極限彎拉應(yīng)變逐漸升高，且摻量為0～0.1%時(shí)，上升效果顯著，大于0.1%后效果有所下降。摻量為0.1%的AC-13 型瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變較未添加改性劑的瀝青混合料至少提高48.1%，SMA-13 型瀝青混合料至少提高23.4%。橡維聯(lián)對(duì)低溫性能提高顯著，并且已達(dá)我國(guó)嚴(yán)寒區(qū)對(duì)低溫要求。

圖5 低溫彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Low temperature bending experiment results

由結(jié)果可知，有機(jī)膨潤(rùn)土對(duì)低溫性能有不利影響，主要因?yàn)闉r青分子的自由運(yùn)動(dòng)受到膨潤(rùn)土與其的橋接作用的影響而減緩，使其延展性下降，抗變形能力變差。在低溫條件下，這些膨潤(rùn)土片層容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。而摻加橡維聯(lián)對(duì)瀝青混合料起到了纖維加筋的作用，使膨潤(rùn)土橡維聯(lián)與瀝青分子很好的融合，產(chǎn)生了自由的離子，增強(qiáng)了其瀝青分子的自由活動(dòng)，且減少了土顆粒之間應(yīng)力集中，混合料抗彎拉能力增強(qiáng)。

2.5 耐疲勞性

耐疲勞性采用間接拉伸試驗(yàn)，通過(guò)應(yīng)力控制模型進(jìn)行重復(fù)加載，在控制應(yīng)力模式下的瀝青混合料疲勞特征可由式（1）表示：

式中：Nf表示疲勞壽命；σ表示彎拉應(yīng)力；K、n表示瀝青混合料的疲勞方程系數(shù)，與混合料性質(zhì)、溫度等試驗(yàn)條件有關(guān)。式（1）可化為以下公式：

由式（2）可見(jiàn)logNf與logσ成線性關(guān)系，即以應(yīng)力水平σ為X軸，Nf為Y軸的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)成線性關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的AC-13的線性相關(guān)系數(shù)R2以及回歸系數(shù)K、n如表7。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的SMA-13的線性相關(guān)系數(shù)R2以及回歸系數(shù)K、n如表8。

表8 SMA-13 型瀝青混合料的疲勞方程相關(guān)系數(shù)Tab.8 Correlation coefficient of fatigue equation for SMA-13 asphalt mixture

其中，K值越大，回歸直線越高，則耐疲勞性能越好；n越大，瀝青混合料的應(yīng)力的變化越敏感，表示耐疲勞性越差；R2越高，則疲勞試驗(yàn)的離散性越低，結(jié)果越精確。由表7～8可知，同等溫度條件下，摻有改性劑的瀝青混合料瀝青混凝土K、R2均遠(yuǎn)大于沒(méi)有摻加改性劑的瀝青混合料，n正好相反。這是由于改性劑中的彈性成分可以改善使路面的變形，使其進(jìn)行了部分彈性，降低了永久變形對(duì)于相同種類的瀝青混合料的影響，且不等溫時(shí)，可以看出溫度與n呈正相關(guān)，回歸系數(shù)K以及疲勞壽命呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明溫度對(duì)疲勞壽命影響顯著。當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青混合料的抗變形能力隨之減小，當(dāng)存在應(yīng)力加載時(shí)，應(yīng)變量增長(zhǎng)較大，疲勞壽命減小。

表7 AC-13 型瀝青混合料的疲勞方程相關(guān)系數(shù)Tab.7 Correlation coefficient of fatigue equation for AC-13 asphalt mixture

2.6 灰色關(guān)聯(lián)度

運(yùn)用灰色系統(tǒng)對(duì)橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的AC-13 型的納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及耐疲勞性能進(jìn)行分析，選取動(dòng)穩(wěn)定度、極限拉應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比，10 ℃的回歸系數(shù)K，進(jìn)行路用性能灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)，以橡維聯(lián)摻量為參考序列，以路用性能指標(biāo)為比較序列，其中，原始數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 原始數(shù)據(jù)Tab.9 Raw data

按照鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算得到各關(guān)聯(lián)序列結(jié)果如下：r0,1=（0.523，0.834，0.934，0.490），r0,2=（0.545，0.863，1.000，0.502），r0,3=（0.468，0.842，0.848，0.466），r0,4=（0.477，0.845，0.859，0.473）。計(jì)算不同種類混合料與各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，分析橡維聯(lián)摻量的影響程度差異，計(jì)算結(jié)果為r(x0,x1)=0.695，r(x0,x2)=0.728，r(x0,x3)=0.656，r(x0,x4)=0.663。由關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果可知，橡維聯(lián)摻量與低溫抗裂性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度最大，平均達(dá)到0.728；與高溫穩(wěn)定性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度次之，平均達(dá)到0.695；與耐疲勞性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度次之，平均達(dá)到0.663；與水穩(wěn)定性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度最小，平均達(dá)到0.656，表明不同摻量的橡維聯(lián)的瀝青混合料對(duì)各項(xiàng)路用性能影響程度大小依次為低溫抗裂性＞高溫穩(wěn)定性＞耐疲勞性>水穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）當(dāng)納米膨潤(rùn)土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0.1%時(shí)，針入度、延度以及軟化點(diǎn)的結(jié)果表明瀝青、橡維聯(lián)和納米膨潤(rùn)土達(dá)到了最大程度的復(fù)合。

2）橡維聯(lián)和膨潤(rùn)土能提高納米膨潤(rùn)土復(fù)合瀝青混合料的水穩(wěn)定性、耐疲勞性以及動(dòng)穩(wěn)定度，對(duì)高溫穩(wěn)定性影響尤其顯著。當(dāng)橡維聯(lián)摻量為0.1%時(shí)，AC-13型橡維聯(lián)/納米膨潤(rùn)土復(fù)合改性瀝青混合料較只添加膨潤(rùn)土的動(dòng)穩(wěn)定度至少提高32.5%，同樣的，SMA-13型復(fù)合改性瀝青混合料至少提高18.4%。

3）膨潤(rùn)土對(duì)低溫性能有負(fù)面影響，但經(jīng)過(guò)與橡維聯(lián)的復(fù)合后對(duì)低溫穩(wěn)定性有改善作用，且橡維聯(lián)摻量為0.1%時(shí)，AC-13 型橡維聯(lián)/納米膨潤(rùn)土改性復(fù)合瀝青混合料較只添加膨潤(rùn)土的極限彎拉應(yīng)變至少提高48.1%，同樣的，SMA-13型復(fù)合改性瀝青混合料至少提高23.4%。

4）橡維聯(lián)的摻量對(duì)瀝青混合料各項(xiàng)路用性能影響程度大小依次為：低溫抗裂性＞高溫穩(wěn)定性＞耐疲勞性>水穩(wěn)定性。