橡維聯(lián)/納米膨潤土復(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

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

0 引言

有機膨潤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。

國外學(xué)者對此做了大量研究，Seyed Amid Taham等[3]研究發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中固化過程中摻入非常細小的碎屑橡膠粉，可以明顯提高瀝青混合料對失效的抵抗力；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]通過定期監(jiān)測以及模擬使用混合橡膠瀝青混合物作為表面層的試驗段，混合橡膠瀝青表現(xiàn)出良好的功能效果。

國內(nèi)學(xué)者也對此進行了大量實驗研究，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；甄俊杰[8]研究得出四川膠粉+ESSO-70號類型橡膠瀝青低溫性能最好，且膠粉摻量為21%時，低溫性能最好。

同時，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度、熱穩(wěn)定性；張寶昌[10]研究表明丁苯橡膠和膨潤土的復(fù)合改性瀝青復(fù)合性良好，且丁苯橡膠和膨潤土質(zhì)量比為3/5時，其改性瀝青溫度敏感性最低；趙哲[11]改性膨潤土和橡膠膠乳分子具有較好的相容性，達到了納米級分散，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。且橡膠與膨潤土具有很好的相容性，可降低其溫度敏感性。因此，通過引進新型顆粒狀的橡維聯(lián)材料來對瀝青進行改性，在納米膨潤土改性瀝青中加入橡維聯(lián)改性劑，來提高納米膨潤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 實驗

1.1 實驗原料

實驗所用的基質(zhì)瀝青為倫特70#，其技術(shù)指標見表1。

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

納米膨潤土改性瀝青的技術(shù)指標見表2。

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

礦粉試驗指標見表3。

表3 礦粉試驗指標Tab.3 Mineral powder test indicators

添加劑橡維聯(lián)的技術(shù)指標見表4。

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

礦料巖性為石灰?guī)r，根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）[12]對礦料各項指標的要求，對礦料各指標進行試驗，粗集料試驗指標見表5。細集料試驗指標見表6。

表5 粗集料試驗指標Tab.5 coarse aggregate test indicators

表6 細集料試驗指標Tab.6 Fine aggregate test indicators

1.2 試驗方法

通過熔融插層法制得納米膨潤土復(fù)合瀝青，采用針入度、延度以及軟化點研究納米有機膨潤土的復(fù)合材料的基本物理性能，采用干法分別對基質(zhì)瀝青以及橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤土復(fù)合瀝青混合料進行摻拌，而后進行室內(nèi)車轍試驗、凍融劈裂試驗、小梁彎曲試驗及間接拉伸試驗，來檢驗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)度來評價在不同橡維聯(lián)摻量的納米膨潤土復(fù)合瀝青混合料對路用性能的影響。

1.3 混合料級配設(shè)計

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

圖1 級配組成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 ℃，燜料時間30 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理試驗指標

本試驗以倫特70#瀝青作為瀝青基，以納米有機膨潤土作為分散相，以瀝青熔融狀態(tài)機械攪拌的方式進行改性瀝青的制備，具體為：稱好質(zhì)量的瀝青以及納米有機膨潤土和橡維聯(lián)備用，先將瀝青在烘箱中加熱至145 ℃，之后將準備好的膨潤土在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行剪切，剪切速率為4 000 r/min，剪切時間為30 min。結(jié)束后進行人工攪拌30 min，并保持溫度為170～180 ℃，確保瀝青發(fā)育良好。

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

圖2 納米有機膨潤土復(fù)合改性瀝青物理試驗指標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，軟化點呈上升趨勢，說明隨著橡維聯(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，加入膨潤土的改性瀝青對比于基質(zhì)瀝青來說，其針入度和延度有所降低，軟化點有所提高，這說明有機膨潤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)同時加入有機膨潤土和橡維聯(lián)時，延度相對增加，這說明有機膨潤土與橡維聯(lián)形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)對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，納米有機膨潤土改性瀝青復(fù)合材料達到了最大程度的復(fù)合，即達到了最大程度的剝離型，超過這一范圍，開始轉(zhuǎn)變?yōu)椴鍖有徒Y(jié)構(gòu)。

2.2 高溫穩(wěn)定性

對基質(zhì)瀝青、有機膨潤土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤土復(fù)合瀝青混合料進行室內(nèi)車轍試驗，采用動穩(wěn)定度指標來評價瀝青混合料的抗車轍能力。其中，AC-13型基質(zhì)瀝青的動穩(wěn)定度為2 539次/mm，SMA-13型基質(zhì)瀝青的動穩(wěn)定度為3 072次/mm，其它試驗結(jié)果如圖3。

由測試結(jié)果以及圖3 可知，摻加橡維聯(lián)和有機膨潤土可明顯增加基質(zhì)瀝青動穩(wěn)定度，且隨著橡維聯(lián)摻量的增加，動穩(wěn)定度逐漸升高，且摻量為0～0.1%時，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型瀝青混合料的動穩(wěn)定度較沒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%。表明改性劑對高溫穩(wěn)定性有增強作用，符合我國高溫、重載、大流量交通對動穩(wěn)定度技術(shù)指標的要求。改性劑對動穩(wěn)定度提高的原因如下：橡維聯(lián)和有機膨潤土在熔融后，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)和有機膨潤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，從而瀝青的軟化點以及黏度均提升，改性效果顯著。

圖3 車轍實驗結(jié)果Fig.3 Rutting experiment results

2.3 水穩(wěn)定性

對基質(zhì)瀝青、有機膨潤土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤土復(fù)合瀝青混合料進行凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，試驗方法采用凍融劈裂比來評價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。

由測試結(jié)果和圖4可知，橡維聯(lián)和有機膨潤土對水穩(wěn)定性有促進作用，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度比均有所提高。橡維聯(lián)和有機膨潤土提高水穩(wěn)定性的原因在于干拌于瀝青混合料時，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)定性試驗結(jié)果Fig.4 Freeze-thaw split test results

2.4 低溫穩(wěn)定性

對基質(zhì)瀝青、有機膨潤土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的納米膨潤土復(fù)合瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，試驗方法采用極限彎拉應(yīng)變來評價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，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)對低溫性能提高顯著，并且已達我國嚴寒區(qū)對低溫要求。

圖5 低溫彎曲實驗結(jié)果Fig.5 Low temperature bending experiment results

由結(jié)果可知，有機膨潤土對低溫性能有不利影響，主要因為瀝青分子的自由運動受到膨潤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，這些膨潤土片層容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。而摻加橡維聯(lián)對瀝青混合料起到了纖維加筋的作用，使膨潤土橡維聯(lián)與瀝青分子很好的融合，產(chǎn)生了自由的離子，增強了其瀝青分子的自由活動，且減少了土顆粒之間應(yīng)力集中，混合料抗彎拉能力增強。

2.5 耐疲勞性

耐疲勞性采用間接拉伸試驗，通過應(yīng)力控制模型進行重復(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)、溫度等試驗條件有關(guān)。式（1）可化為以下公式：

由式（2）可見logNf與logσ成線性關(guān)系，即以應(yīng)力水平σ為X軸，Nf為Y軸的雙對數(shù)坐標成線性關(guān)系。由實驗結(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。

由實驗結(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均遠大于沒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，使其進行了部分彈性，降低了永久變形對于相同種類的瀝青混合料的影響，且不等溫時，可以看出溫度與n呈正相關(guān)，回歸系數(shù)K以及疲勞壽命呈負相關(guān)，說明溫度對疲勞壽命影響顯著。當(dāng)溫度升高時，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，應(yīng)變量增長較大，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

運用灰色系統(tǒng)對橡維聯(lián)摻量為0、0.05%、0.1%、0.15%的AC-13 型的納米膨潤土復(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行分析，選取動穩(wěn)定度、極限拉應(yīng)變、凍融劈裂強度比，10 ℃的回歸系數(shù)K，進行路用性能灰色關(guān)聯(lián)分析時，以橡維聯(lián)摻量為參考序列，以路用性能指標為比較序列，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）。計算不同種類混合料與各項路用性能指標的關(guān)聯(lián)度，分析橡維聯(lián)摻量的影響程度差異，計算結(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)度計算結(jié)果可知，橡維聯(lián)摻量與低溫抗裂性指標的關(guān)聯(lián)度最大，平均達到0.728；與高溫穩(wěn)定性指標的關(guān)聯(lián)度次之，平均達到0.695；與耐疲勞性指標的關(guān)聯(lián)度次之，平均達到0.663；與水穩(wěn)定性指標的關(guān)聯(lián)度最小，平均達到0.656，表明不同摻量的橡維聯(lián)的瀝青混合料對各項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)納米膨潤土摻量為4%，橡維聯(lián)摻量為0.1%時，針入度、延度以及軟化點的結(jié)果表明瀝青、橡維聯(lián)和納米膨潤土達到了最大程度的復(fù)合。

2）橡維聯(lián)和膨潤土能提高納米膨潤土復(fù)合瀝青混合料的水穩(wěn)定性、耐疲勞性以及動穩(wěn)定度，對高溫穩(wěn)定性影響尤其顯著。當(dāng)橡維聯(lián)摻量為0.1%時，AC-13型橡維聯(lián)/納米膨潤土復(fù)合改性瀝青混合料較只添加膨潤土的動穩(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）膨潤土對低溫性能有負面影響，但經(jīng)過與橡維聯(lián)的復(fù)合后對低溫穩(wěn)定性有改善作用，且橡維聯(lián)摻量為0.1%時，AC-13 型橡維聯(lián)/納米膨潤土改性復(fù)合瀝青混合料較只添加膨潤土的極限彎拉應(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)的摻量對瀝青混合料各項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。