無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青混合料路用-性能研究

作者簡介：黃先濱（1980—），高級工程師，主要從事施工技術(shù)管理工作。

為實現(xiàn)納米材料及膠粉對瀝青改性的改進(jìn)及優(yōu)勢集成，文章采用碳納米管、納米二氧化鈦及丁腈橡膠對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性研究。在通過試驗獲得各組分最佳摻量為碳納米管1%、納米二氧化鈦2%和丁腈橡膠2%的基礎(chǔ)上，進(jìn)行混合料的配合比設(shè)計及車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，評價瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性。結(jié)果表明：無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%，并具有良好的水穩(wěn)定性及高溫抗車轍性能。

道路工程；無機(jī)納米粒子樹脂；改性瀝青；橡膠改性瀝青；水穩(wěn)定性；高溫抗車轍性能

U414.1A020053

0?引言

納米材料及橡膠材料均為良好的瀝青改性劑［1］，能對瀝青的高溫性能、低溫性能、老化性能及疲勞性能等起到良好的改性效果［2］，因而被廣泛地使用并獲得相關(guān)的研究。本文提出使用納米材料與橡膠材料對基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性實現(xiàn)二者的優(yōu)勢集成，從而制備出性能更加優(yōu)異的改性瀝青，而國內(nèi)相關(guān)的研究報道較少，對該改性瀝青的性能特點(diǎn)了解甚少，因此，針對無機(jī)納米粒子及樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青開展研究顯得十分必要［3］。同時，結(jié)合料的性能最終會影響混合料的性能［4］，因此必須要對制備的混合料的性能進(jìn)行評價，明確混合料的性能特點(diǎn)，從而使混合料得到更好的發(fā)展和應(yīng)用［5］，使其更好地服務(wù)于交通基礎(chǔ)建設(shè)和交通強(qiáng)國建設(shè)的事業(yè)中。

1?原材料性能

1.1?瀝青

本文所用無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青經(jīng)單組分摻配試驗制得，且其組分最佳摻量為1%碳納米管、2%納米二氧化鈦和2%丁腈橡膠，無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青在下文簡稱為1T/2N/2D，所用基質(zhì)瀝青及復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)分別見表1、表2。

由表1、表2可知，無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青具有良好的性能，表現(xiàn)出良好的改性效果，使改性瀝青具有更優(yōu)的高溫性能及低溫性能，從而提高瀝青路面的使用品質(zhì)。

1.2?集料與填料

本文所用的集料為輝綠巖，填料為石灰石礦粉。嚴(yán)格按照《公路工程集料試驗》（JTG E42-2005）對粗、細(xì)集料和礦粉進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表3及下頁表4～5，所有輝綠巖粗集料、輝綠巖石屑細(xì)集料和石灰石礦粉的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2?瀝青混合料組成設(shè)計

2.1?級配設(shè)計

本文采用連續(xù)級配AC-13型，級配設(shè)計選擇AC-13級配范圍的中值（見表6）。

2.2?最佳油石比的確定

采用馬歇爾試驗配合比設(shè)計法。按照規(guī)范JTG F40-2004的要求，選取4.3%、4.6%、4.9%、5.2%以及5.5%共5個油石比，每組油石比制備5個馬歇爾試件。制備完畢后測試各個瀝青混合料試件的空隙率、毛體積相對密度、飽和度、礦料間隙率、穩(wěn)定度和流值，最后通過式（1）～（3）獲得最佳油石比：

式中：a1、a2、a3、a4[WB]——[ZK（]毛體積相對密度、穩(wěn)定度最大值時瀝青使用量、空隙率、飽和度范圍的中值時瀝青使用量；

OACmin、OACmax[DW]——[ZK（]瀝青共同用量范圍的最小值和最大值。

計算得到的1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%。

3?混合料路用性能

3.1?水穩(wěn)定性

水損害是瀝青路面服役過程中的主要破壞形式之一。在大氣因素和車輪荷載的作用下，水分進(jìn)入瀝青路面的空隙中，經(jīng)過動水壓力及真空負(fù)壓反復(fù)抽吸作用侵入瀝青膜，降低瀝青與集料之間的粘附性。這導(dǎo)致粘附在集料上的瀝青剝落，混合料整體強(qiáng)度降低，造成瀝青路面的承載能力下降，進(jìn)而容易產(chǎn)生松散、坑槽以及唧漿等路面病害，嚴(yán)重影響瀝青路面的使用耐久性和行車安全性［6］。水穩(wěn)定性是指瀝青混合料抵抗水損害的能力。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程完整版》（JTG E20-2011）（以下簡稱《試驗規(guī)程》，本文通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評估1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.1.1?浸水馬歇爾試驗

浸水殘留穩(wěn)定度為馬歇爾試件在長時間浸水后的殘留強(qiáng)度，是瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價指標(biāo)，其值越大，則水穩(wěn)定性越好。制備8個1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料馬歇爾試件和8個基質(zhì)瀝青混合料馬歇爾（高度均為63.5 mm±1.3 mm，直徑均為101.6 mm），將其隨機(jī)分成兩組，每組4個。將成型的試件放置在60 ℃的恒溫水槽中保溫。第一組浸泡30 min，第二組浸泡48 h，測試其穩(wěn)定度值并取平均值。每次測試均在取出試件后30 s內(nèi)完成，以降低誤差。通過式（4）計算出各瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度。

基質(zhì)瀝青和1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度見圖1。

從圖1中可以看出，1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的MS0大于基質(zhì)瀝青混合料的85.43%，并滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）（以下簡稱《規(guī)范》）中潮濕區(qū)（年降雨量＞1 000 mm）的要求。1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料經(jīng)過48 h浸泡后的MS0為94.67%，比基質(zhì)瀝青混合料高9.24%，說明在基質(zhì)瀝青中添加1T/2N/2D后，提高了瀝青混合料抵抗水損害的能力。這是因為1T/2N/2D的摻入提高了瀝青的黏度，增強(qiáng)了瀝青與石料之間的粘結(jié)能力，使瀝青能更大程度地吸附在集料上，水分即便經(jīng)過長時間侵蝕也難以穿過瀝青薄膜將瀝青與集料剝離，具有更大的殘留穩(wěn)定度。所以，1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青的水穩(wěn)定性相對于基質(zhì)瀝青有所提高。

3.1.2?凍融劈裂試驗

當(dāng)凍融劈裂強(qiáng)度能模擬溫度變化波動大時，真空飽水對瀝青混合料的損害狀況能更準(zhǔn)確地評估瀝青混合料的水穩(wěn)定性。按《試驗規(guī)程》的要求，每種瀝青制備2組馬歇爾試件，每組4個，一組置于室溫作為對照組，另一組進(jìn)行凍融循環(huán)處理，之后將兩組試件放入25 ℃的恒溫水槽保溫2 h，最后以50 mm/min的加載速率進(jìn)行試驗，測試試件的極限荷載并通過式（5）求出凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比（TSR）。

如圖2所示顯示了基質(zhì)瀝青與1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比。由圖2可以得出以下結(jié)論：改性瀝青混合料的TSR大于基質(zhì)瀝青混合料的75.24%，并滿足《規(guī)范》的要求。當(dāng)在瀝青中添加1T/2N/2D，瀝青混合料的TSR增加到了84.61%，提高了9.37%。說明1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青經(jīng)過凍融循環(huán)后，劈裂強(qiáng)度變化較小，抗水損害的能力比基質(zhì)瀝青混合料強(qiáng)很多。

3.2?高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是指瀝青路面在高溫條件下受到外界荷載作用時抵抗變形的能力。瀝青混合料在服役過程中受到溫度的影響極大，溫度越高，則瀝青路面在交通荷載作用下越容易產(chǎn)生車轍等病害，嚴(yán)重影響行車安全。因此，有必要測試瀝青混合料在高溫條件下抵抗變形的能力。

本文用車轍試驗研究基質(zhì)瀝青、1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。車轍板在試驗前應(yīng)在60 ℃下保溫5 h，荷載輪壓為0.7 MPa，采用動穩(wěn)定度（DS）來評估高溫條件下瀝青混合料抗變形能力。

具體試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，基質(zhì)瀝青混合料的DS為1 463次/mm，1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的DS為2 839次/mm，是基質(zhì)瀝青混合料的1.94倍，均滿足《規(guī)程》（JTG F40-2004）中最炎熱地區(qū)的要求，說明1T/2N/2D能明顯改善瀝青混合料的高溫性能，這是因為1T/2N/2D本身就具有優(yōu)異的高溫性能。其次，碳納米管均勻分散在瀝青表面附近的灰分增大了瀝青與石料之間的摩擦力，受到外界荷載作用時不容易發(fā)生永久變形。因此，1T/2N/2D復(fù)合改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力較好。

4?結(jié)語

本文通過配合比設(shè)計、水穩(wěn)定性分析和高溫穩(wěn)定性分析，對無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能展開研究，主要結(jié)論如下：

（1）無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%。

（2）無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青混合料經(jīng)過凍融循環(huán)及高溫浸水后，強(qiáng)度變化較小，具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性。

（3）無機(jī)納米粒子樹脂橡膠復(fù)合改性瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍能力。

參考文獻(xiàn)

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