高黏改性玄武巖纖維開級配瀝青混合料性能研究*

孫 黎，邵景干，黃運軍，李文凱

（1 河南中州路橋建設有限公司，河南 周口 466000；2 河南交院工程技術集團有限公司，河南 鄭州 450046；3 綠色高性能材料應用技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450046）

為改善OGFC開級配瀝青混合料的承載能力及礦料之間的黏結能力，需對常規(guī)SBS改性瀝青進一步改性，其中高黏劑是最常用的改性劑[1]。玄武巖纖維是一種礦物纖維，被譽為21世紀新型綠色高性能材料，與瀝青混合料具有良好的相融性，能夠均勻亂相分散到礦料之間，具有吸附、穩(wěn)定瀝青及在混合料中起到加筋、搭橋的作用，從而改善OGFC開級配瀝青路面結構層的承載能力及抗飛散能力。

近年來，相關學者針對高黏劑及玄武巖礦物纖維對瀝青路面路用性能的改善效果也開展了大量研究。譚由容[2]以增黏、增韌劑作為原材料自制出T-HVA 高黏、高韌瀝青來彌補常規(guī)高黏瀝青黏結能力的不足，與常規(guī)高黏瀝青相比，T-HVA 高黏、高韌瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性。馬嘉琛[3]利用廢舊胎粉、再生塑料對道路石油瀝青進行復合改性，并制備復合高黏改性瀝青，通過 RTFOT、PAV老化試驗評價復合高黏改性瀝青的抗老化能力，選用動力黏度試驗、頻率溫度掃描試驗及BBR 試驗評價復合高黏改性瀝青與礦料的黏附能力及黏彈特性，結果表明，廢舊胎粉、再生塑料的摻入使瀝青的高低溫性能得到增強，溫度敏感性降低。賀玉瑩等[4]將不同摻量的高黏劑摻入到瀝青當中開展延度試驗，提出了拉伸柔量理論，并與傳統(tǒng)延度試驗結果進行比較，同時對開級配瀝青混合料進行路用性能試驗，評價飛散損失、析漏損失、穩(wěn)定度及車轍試驗結果與拉伸柔量的相關性，結果表明，JTG E20-2011中的延度試驗指標評價瀝青路面的低溫性能與實踐應用效果存在較大差異。曹學禹等[5]將玄武巖礦物纖維與TiO2/ZnO摻入到AC-13C瀝青混合料中，并開展相關路用性能試驗得出，玄武巖礦物纖維摻量為6%（占瀝青質量）時，瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性能及抗疲勞性能均得到了顯著改善。

課題組選用HVA-H高黏改性劑及玄武巖纖維開展OGFC開級配瀝青混合料性能研究，并以HVA、SEBS兩種常見的高黏劑作為對比，評價HVA-H高黏改性劑及玄武巖纖維對OGFC開級配瀝青混合料路用性能的改善效果，為高黏改性玄武巖纖維瀝青混合料在工程中的應用提供理論支撐。

1 原材料與試驗

1.1 瀝青

瀝青作為瀝青路面的膠凝材料，其性能直接影響瀝青路面的使用年限及路用性能。本研究選用的SBS I-D聚合物改性瀝青由佛山市創(chuàng)立信化工有限公司生產(chǎn)，其主要指標試驗結果見表1。

表1 瀝青主要指標試驗結果Table 1 Test results of main indicators of asphalt

1.2 高黏劑

隨著技術的進步，高黏劑的種類逐漸增多，市場上高黏劑的品質參差不齊，其對瀝青路面的改性效果存在較大差異。本研究選用的HVA-H型高黏劑由深圳路特新材料科技有限公司生產(chǎn)，同時選用HVA 型及SEBS型兩種高黏劑作為對比。三種高黏劑主要指標試驗結果見表2。

表2 高黏劑主要指標試驗結果Table 2 Test results of main indicators of high viscosity agents

1.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維是一種新型綠色高性能礦物纖維，由玄武巖礦石通過高溫熔融、拉絲等一定工藝制備而成，與瀝青混合料具有較強的相融性，能夠均勻分散到礦料之間，起到吸附、穩(wěn)定瀝青的效果。本研究選用的玄武巖纖維由炬石玄纖科技(安陽)有限公司生產(chǎn)，規(guī)格型號為BF9mm-17μm，主要指標試驗結果見表3。

表3 玄武巖纖維主要指標試驗結果Table 3 Test results of main indicators of basalt fiber

1.4 高黏改性瀝青

1.4.1 高黏改性瀝青制備

通過前期課題組大量試驗研究表明，當HVA-H、HVA、SEBS在SBS改性瀝青中的摻量為8%（占瀝青質量）時，高黏改性瀝青的整體性能較好，因此本研究中三種高黏劑在瀝青中的摻量均為8%。將SBS改性瀝青加熱至185℃?zhèn)溆茫瑢r青質量8%的高黏劑加入到SBS改性瀝青中，在185℃溫度下用高速剪切機以4000r/min的轉速高速剪切25min，然后在175℃的烘箱中靜置15min，制得高黏改性瀝青。

1.4.2 三大指標試驗

參照JTG E20-2011試驗規(guī)程對SBS I-D改性瀝青、HVA-H 高黏改性瀝青、HVA 高黏改性瀝青、SEBS高黏改性瀝青開展針入度、延度、軟化點試驗，試驗結果見表4。

表4 三大指標試驗結果Table 4 Test results of three major indicators

由表4可知，三種高黏劑的摻入，SBS改性瀝青的針入度試驗結果均降低，延度、軟化點試驗結果均升高，表明三種高黏劑均能改善瀝青的高溫性能及低溫韌性，其中HVA-H型高黏劑改善效果最優(yōu)。

1.4.3 黏度試驗

60℃動力黏度是表征瀝青高溫性能的重要指標之一，與瀝青路面的抗塑性變形能力息息相關，60℃動力黏度試驗結果大于50000Pa·s是判定是否為高黏瀝青的重要控制指標。布氏旋轉黏度對瀝青路面的施工溫度有著重要影響，是評價施工和易性的重要指標。動力黏度試驗結果如圖1所示，布氏旋轉黏度試驗結果如圖2所示。

圖1 動力黏度試驗結果 Fig.1 Dynamic viscosity test results

圖2 布氏黏度試驗結果Fig.2 Brinell viscosity test results

由圖1可知，HVA-H、HVA、SEBS三種高黏劑的摻入，使SBS改性瀝青60℃動力黏度試驗結果分別增加至2746721、2257906、1868250 Pa·s，較SBS改性瀝青分別提高了109.8倍、91.1倍、74.4倍，其中HVA-H對SBS改性瀝青60℃動力黏度試驗結果改善效果最優(yōu)。究其原因，三種高黏劑的摻入能夠吸附瀝青中的輕組分，并與瀝青發(fā)生相融、溶脹反應，改善瀝青的黏性。

由圖2可知，HVA-H、HVA、SEBS三種高黏劑的摻入使SBS改性瀝青135℃、155℃和175℃布氏旋轉黏度試驗結果均得到顯著增加，其中HVA-H高黏劑的增幅最大，但三種高黏改性瀝青175℃布氏旋轉黏度均小于 3Pa·s，表明三種高黏改性瀝青混合料均具有良好的施工和易性，易于攤鋪碾壓，且不會出現(xiàn)膠凝材料流淌現(xiàn)象，其中HVA-H高黏改性瀝青對礦料的黏結能力最強。

2 配合比設計

本文選用開級配OGFC-13瀝青混合料展開研究，粗集料為玄武巖碎石，細集料為機制砂，填料為礦粉，玄武巖纖維摻量為0.4%（占瀝青混合料質量）。礦料級配設計結果見表5，不同改性瀝青混合料主要技術指標試驗結果見表6。

表5 礦料級配設計結果Table 5 Design results of mineral aggregate grading

表6 最佳油石比及馬歇爾試驗結果Table 6 Optimal oil-stone ration and Marshall test results

3 路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

OGFC-13屬于開級配瀝青路面結構層，其設計空隙率為18%～25%，礦料之間的嵌擠能力易存在不足，高溫環(huán)境下，在瀝青路面車輛軸載作用下會因抗塑性變形能力不足而發(fā)生車轍病害[6-7]。隨著溫室效應的作用，近年來極端炎熱天氣逐年增多，常規(guī)60℃車轍試驗評價瀝青路面的高溫抗車轍能力已不能滿足要求，本研究選用60℃和70℃室內(nèi)車轍試驗來評價SBS、HVA-H+SBS、HVA+SBS、SEBS+SBS四種瀝青混合料的高溫性能，試驗結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 60℃動穩(wěn)定度試驗結果Fig.3 60℃ Dynamic stability test results

圖4 70℃動穩(wěn)定度試驗結果Fig.4 70℃ Dynamic stability test results

由圖3、圖4可知，HVA-H、HVA、SEBS的摻入，60℃動穩(wěn)定度試驗結果較SBS瀝青混合料分別提高了154.4%、113.6%、82.3%，70℃動穩(wěn)定度試驗結果較SBS瀝青混合料分別提高了215.5%、134.4%、96.9%，且隨著試驗溫度的增加提高效果越顯著；隨著試驗溫度的增加，四種瀝青混合料的動穩(wěn)定度均有顯著降低，但HVA-H、HVA、SEBS三種高黏改性瀝青混合料的70℃動穩(wěn)定度試驗結果均不低于6000次/mm。表明三種高黏劑的摻入對瀝青混合料高溫抗車轍能力均有顯著改善，其中HVA-H高黏劑對OGFC-13瀝青混合料高溫抗車轍能力的改善效果最優(yōu)。

3.2 低溫抗裂性

低溫環(huán)境下，瀝青膠結料脆性增強、韌性降低，開級配OGFC-13瀝青混合料具有較大的內(nèi)部孔隙，北方季節(jié)性冰凍區(qū)，因晝夜溫差的存在會在瀝青路面結構層內(nèi)部出現(xiàn)溫縮應力，當溫縮應力大于礦料之間的允許拉應力時，瀝青路面就會發(fā)生開裂[8-9]。本研究選用-10℃室內(nèi)低溫小梁彎曲試驗來評價SBS、HVA-H+SBS、HVA+SBS、SEBS+SBS四種瀝青混合料的低溫抗開裂能力，試驗結果如圖5所示。

圖5 彎曲破壞應變試驗結果Fig.5 Bending failure strain test results

由圖5可知，HVA-H、HVA、SEBS的摻入，三種混合料的彎曲破壞應變試驗結果較SBS瀝青混合料分別提高了48.3%、21.2%、13.3%，且均不低于改性瀝青混合料2500με的要求，表明三種高黏劑的摻入均能顯著改善瀝青路面的低溫性能，其中HVA-H高黏劑對OGFC-13瀝青混合料低溫抗開裂能力改善效果最優(yōu)。

3.3 水穩(wěn)定性

水損害是南方季節(jié)性多雨地區(qū)最常見的路面病害形式，開級配OGFC-13瀝青混合料設計空隙率較大，導致結構層內(nèi)部的孔隙相互貫通，瀝青路面中的瀝青膠結材料長期在車輛軸載、動水壓力、紫外線照射及空氣氧化等綜合外界環(huán)境作用下逐漸老化，瀝青與礦料之間的黏附能力降低，瀝青膠漿極易從結構層礦料間剝落，坑槽、松散等路面病害的出現(xiàn)是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式[10-12]。研究選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗來評價SBS、HVA-H+SBS、HVA+SBS、SEBS+SBS四種瀝青混合料的抗水損害能力，試驗結果如圖6和圖7所示。

圖6 浸水馬歇爾試驗結果Fig.6 Immersion Marshall test results

圖7 凍融劈裂試驗結果Fig.7 Results of freeze-thaw splitting test

由圖6、圖7可知，HVA-H、HVA、SEBS的摻入，三種混合料的殘留穩(wěn)定度試驗結果較SBS瀝青混合料分別提高了8.3%、5.9%、2.6%，殘留強度比試驗結果較SBS瀝青混合料分別提高了12.6%、6.8%、8.6%，其中HVA-H高黏劑對OGFC-13瀝青混合料抗水損害能力改善效果最優(yōu)，HVA+SBS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度試驗結果優(yōu)于SEBS+SBS瀝青混合料，但SEBS+SBS瀝青混合料的殘留強度比試驗結果優(yōu)于HVA+SBS瀝青混合料，因此，HVA、SEBS兩種高黏劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性改善效果的優(yōu)劣不易判定。

4 結論

（1）高黏劑摻量為8%時，三種高黏劑均能改善瀝青的高溫性能及低溫韌性，其中HVA-H型高黏劑改善效果最優(yōu)；HVA-H高黏改性瀝青對礦料的黏結能力最強。

（2）HVA-H、HVA、SEBS三種高黏劑摻入后，OGFC-13瀝青混合料的60℃和70℃動穩(wěn)定度、彎曲破壞應變、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比均得到顯著提高，且70℃動穩(wěn)定度均不低于6000次/mm，其中HVA-H高黏劑對OGFC-13瀝青混合料高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害能力改善效果均最優(yōu)。