納米抗剝落劑Zycosoil路用性能試驗研究

鐘志鋒，丁海波

(1.河海大學 力學與材料學院，江蘇 南京 211100；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

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納米抗剝落劑Zycosoil路用性能試驗研究

鐘志鋒1，丁海波2

(1.河海大學 力學與材料學院，江蘇 南京 211100；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

研究了納米材料Zycosoil對瀝青混合料水損害的影響.對具有代表性的兩種集料類型石灰巖和花崗巖進行了評估.為評估Zycosoil對熱拌瀝青混合料水損害的影響，對照組混合料(無Zycosoil)和含有Zycosoil的混合料，在干燥和潮濕條件下進行了測試，使用間接抗拉強度(ITS)和間接拉伸疲勞(ITF)試驗.結果表明，與花崗巖相比石灰巖具有較低的水損害可能.對兩種類型的集料而言，含有Zycosoil的混合料ITST和ITFT的潮濕/干燥下值的比值高于對照組的值.然而，采用花崗巖集料的混合料采用Zycosoil后更加有效.

納米技術；水損害；瀝青混合料；路面工程

0 引言

世界范圍內瀝青路面的水損壞已經被認為是一個普遍的問題.水滲入路面結構可能引起瀝青路面早起損壞.水損壞一般分為兩種機理:①粘附性的損失;②內聚力的損失.粘附性的損失是由于水分進入瀝青膠結料和集料之間，且使瀝青薄膜剝落.內聚力的損失是由于瀝青瑪蹄脂的軟化.這兩種機理是相互關聯的，路面的水損害可能是由于兩種機理共同作用的結果[1].使用抗剝落劑(ASA)是提高瀝青混合料水敏感性最常用的方法.如今使用的典型抗剝落劑為脂肪胺類和脂肪酰氨基胺類.應該指出的是，一個高效的外加劑必須提高無水分條件及有水分條件下的特性，為了確保良好的長期性能，這一點常規的抗剝落劑常常不能做到[2].

本文研究中使用間接拉伸強度(ITS)和間接拉伸疲勞(ITF)試驗評估水損害對HMA的影響.ITS試驗用于檢測瀝青混合料由于水分引起的強度損失，而ITF試驗用于檢驗水分對瀝青混合料疲勞響應的作用.抗剝落劑采用美國進口的新型納米抗剝落劑Zycosoil(簡稱“Zy”).

1 研究目標

與典型的胺類抗剝落劑相反，Zycosoil納米技術在集料表面生成了一個疏水納米層，因為其使親水的硅醇基團轉變為疏水的硅氧基團.盡管Zycosoil和胺類抗剝落劑均降低了水損害，Zycosoil與胺類之間關鍵的差異為Zycosoil永久地消除水敏感的表面，使其親油，而胺類僅能使其表面濕潤，并沒有對表面進行化學改性.相反，其總是保持親水性，這導致對水的敏感性.

本研究的具體目的為：①評估Zycosoil作為一種外加劑對瀝青混合料的影響； ②對采用及未采用Zycosoil處置的集料的瀝青混合料在干燥及潮濕不同條件下進行ITS和ITF試驗以評估其行為；③對采用及未采用Zycosoil處置的集料的混合料給出相應的疲勞模型.

2 材料

2.1 集料和瀝青膠結料

在該研究中對兩種類型的集料(石灰巖及花崗巖)進行了評估.集料的化學組分列于表1.兩種集料的物理特性如表2所示. 瀝青膠結料的工程特性列于表3中.該研究中采用的集料級配(規范對AC-20的平均范圍)如表4所示.該級配的公稱粒徑為19.0 mm.

表1 兩種集料的化學組成

表2 集料的特性

表3 70號瀝青試驗結果

表4 該研究中使用的集料級配

2.2 外加劑

本研究使用的Zycosoil納米材料為美國進口的高級防水劑，由重慶智翔道路材料公司提供.該抗剝落劑的用量正常為集料重量的1%～1.6%之間.Zycosoil的物理和化學特性:性質為Zycosoil；形態為液體；顏色為淡黃色；閃點為220℃；25℃粘度為0.2～0.8 Pa·s.

3 試驗步驟和方法

3.1 配合比設計

首先，Zycosoil溶液噴灑在集料表面，與集料混合后暴露于空氣中干燥.然后，將集料加熱到160～170℃保持24 h，此后在165℃下與瀝青膠結料混合.最后，采用標準馬歇爾設計方法設計瀝青混合料.制備兩組馬歇爾試樣.第一組試樣用來確定最佳瀝青用量.第二組是在最佳瀝青用量下來評估HMA的力學特性.每組試驗至少制備3個試樣，以確定結果的再現性.

對石灰巖集料和花崗巖集料所確定的最佳瀝青用量分別為5.6%和5.1%.對干燥和潮濕條件下的試樣進行試驗，潮濕條件為將試樣放置于60℃的水中浸泡24 h.

3.2 間接拉伸強度試驗(ITST)

根據AASHTO T-283試驗方法采用經水浸泡后間接拉伸強度(ITS)來評價瀝青混合料的抗剝落(水敏感性)[3].對每種配比的6種試樣(干燥和潮濕)進行制備和壓實.壓實試樣的孔隙率將在6.5%和7.5%之間.一半壓實試樣經水作用后試驗.首先，對部分飽和的試樣施加真空，水平在55%和80%之間.真空飽和的試樣在60℃的水浴中保持24 h.其他三個試樣不經水作用.在25℃下記錄每個試樣的破壞荷載.

3.3 間接拉伸疲勞試驗(ITFT)

間接拉伸疲勞試驗能夠表征混合料的疲勞行為.在控制應變模式和控制應力模式下進行疲勞試驗.在控制應變模式下，應變保持恒定，通過減少對試樣的應力水平；在控制應力模式下，應力保持恒定，在試樣內增加應變水平[4].不同學者對每個材料建立了拉伸應變和至破壞循環的次數之間的關系，在對數坐標中得到了應變與至破壞循環次數之間的線性關系，且開發了疲勞壽命預測方程.使用回歸分析，開發了疲勞方程，具有與Wohler的疲勞預測模型(方程(1))相同的形式.

(3)

式中，Nf為試樣至破壞時的循環次數，εt為施加的應變，此外K1和K2為與混合料特性相關的系數.

采用諾丁漢瀝青測試儀(ZyT)通過施加重復荷載，同時固定試樣沿著直徑軸方向的振幅，以恒定應力模式測量試樣的疲勞壽命.重復荷載包括0.1 s的加載試件，接著是0.4 s的間隙時間.圓柱體試樣的直徑，高度和孔隙率分別為101.6 mm，40 mm和4%，在25℃下進行試驗.

4 結果和討論

4.1 間接拉伸強度試驗(ITS)

圖1和圖2顯示了兩種集料類型的HMA混合料干燥條件和潮濕條件下的拉伸強度(TS)和TSR特性.采用石灰巖的對照組(不含Zycosoil)的TSR高于采用花崗巖對照組混合料，這表明其具有較好的抗水損害能力.這是由于花崗巖與石灰巖相比含有較多的SiO2，而SiO2會引起了瀝青與集料之間的黏結降低.

圖1 干燥和潮濕條件下的拉伸強度(AASHTO T283)

圖2 拉伸強度比結果

數據同樣表明，對兩種集料而言采用Zycosoil均顯著提高了干燥條件及潮濕條件下的拉伸強度. 所有經Zycosoil處置后的混合料TSR值均大于80%.與對照組試樣相比，對石灰巖集料和花崗巖集料混合料添加Zycosoil后，TSR值分別提高3%和14%.因此，對花崗巖集料的混合料采用Zycosoil更加有效.Zycosoil移動到極性親水表面，與硅醇基團發生反應，且形成Si-O-Si硅氧鍵(自然界中最強的化學鍵)且形成分子級的疏水區域(排斥水分).該過程如圖3所示.

圖3 集料表面結構

4.2 間接拉伸疲勞試驗(ITFT)

間接拉伸疲勞試驗結果如圖4.圖中對每個應變水平下每個試樣的平均結果繪制了回歸直線.結果表明，施加的初始拉伸應變的對數和疲勞壽命(直到破壞施加的荷載重復次數)的對數之間通常存在線性關系.對干燥和潮濕條件下每個類型的集料的疲勞方程和疲勞壽命比如表5所示.

(a) 花崗巖混合料

(b) 石灰巖混合料

對獲得的疲勞試驗結果的分析表明，花崗巖混合料的疲勞壽命更高，由于花崗巖堅硬且具有更多的棱角，提高了瀝青混凝土混合料疲勞特性.此外，在瀝青混凝土中使用Zycosoil增加了他們的疲勞壽命.這是由于兩個原因，首先，采用Zycosoil裹覆集料可能增加填料的量，因此降低瀝青混凝土中的孔隙.其次，Zycosoil對集料的表面進行了改性，導致了瀝青混合料具有更好的壓實效果.

表5 HMA的疲勞預測方程

在石灰巖和花崗巖集料混合料中采用Zycosoil導致疲勞壽命比分別增加了6%和25%.由于花崗巖集料的化學組成大約含有68.1%SiO2，采用花崗巖集料試樣的疲勞壽命提高19%.

5 結論

(1)由于花崗巖硅醇基團密度更高，且Zycosoil使花崗巖集料轉變為疏水硅氧基團，在采用花崗巖集料的混合料中更加有效；

(2)與對照組試樣相比，在石灰巖和花崗巖集料混合料中采用Zycosoil，分別可使TSR分別提高3%和14%；

(3)由于花崗巖集料堅硬且有更多的棱角，采用花崗巖集料的瀝青混合料具有更高的疲勞壽命；

(4)瀝青混合料中采用Zycosoil提高了疲勞壽命，這是可能由于兩個原因，首先，采用Zycosoil裹覆集料可能增加填料的量，因此降低了瀝青混合料中的孔隙.其次，Zycosoil對集料的表面進行了改性，使其組成的瀝青混合料更加容易壓實；

(5)在石灰巖和花崗巖集料混凝土中采用Zycosoil導致疲勞壽命分別提高6%和25%；

(6)Zycosoil納米抗剝落劑與傳統的胺類抗剝落劑相比有明顯的優勢，而在我國應用較少，缺乏長期性能的觀測數據，建議鋪筑相應的試驗路，以觀測納米抗剝落劑的長期效果.

[1]沈金安,瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社,2001.

[2]PETER E, SEBAALY PE.Comparison of lime and liquid additives on the moisture damage of hot mix asphalt mixtures[M]. USA: Prepared for the National Lime Association,2007.

[3]YONGJIE X, HAOBO H, SHUJING Z,et al.Utilization of municipal solid waste incineration ash in stone mastic asphalt mixture: pavement performance and environmental impact[J].Construction and Building Materials,2009,23:989-996.

[4]ARABANI M,MIRABDOLAZIMI SM,SASANI AR.The effect of waste tire thread mesh on the dynamic behavior of asphalt mixtures[J].Construction and Building Materials,2010,24:1060-1080.

Study of Nano-Antistripping Agent Zycosoil Performance Test Research

ZHONG Zhifeng1, DING Haibo2

(1.College of Mechanics and Materials, Hehai University, Nanjing 211100,China;2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031,China)

The effects of nanomaterial, namely Zycosoil on the moisture damage of asphalt mixtures were studied. Two types of aggregates that represent a considerable range in mineralogy, limestone and granite, were evaluated. To assess the impact of Zycosoil on moisture damage of hot mix asphalt, the control mixes without Zycosoil and the mixes containing Zycosoil in dry and wet conditions were evaluated using indirect tensile-strength (ITS) and indirect tensile fatigue (ITF) tests. The results show that limestone has less moisture damage potential compared to granite. The ratio of wet/dry values of ITST and ITFT for the mixes containing Zycosoil is higher than the control mix for two types of aggregate. However, the mixtures made of granite aggregate with Zycosoil is more effective.

nano-technology; moisture damage; asphalt concrete; pavement engineering

1673- 9590(2016)02- 0065- 04

2015- 09-14

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2014BAG05B05)

鐘志鋒(1990-)，男 ，碩士研究生，從事混凝土破損與修補技術的研究E- mail:1403893572@qq.com .

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