硅藻土/玄武岩纤维复合改性沥青混合料性能试验研究

2021-03-03宋书彬

合成材料老化与应用 2021年1期

宋书彬

（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南郑州450000）

玄武岩纤维是通过玄武岩矿石在1450℃～1500℃条件下呈熔融状态时拉丝形成的一种无机环保型材料，它具有强度高、耐久性好、耐高温、化学性能稳定等优点。实践经验证明，玄武岩纤维加入沥青中可增强沥青混合料的高温、低温和耐疲劳性能。Morova 通过试验发现玄武岩纤维可以大幅度改善混合料的高温抗车辙变形性能[1]；Liu 等研究了不同纤维对沥青及其混合料的低温性能变化规律，结果发现玄武岩纤维能够使沥青或沥青混合料的低温性能得到提升[2]；陈建荣等利用四点弯曲试验分析验证了玄武岩纤维沥青混合料具备优良的耐疲劳特性[3]。但大量研究结果表明，玄武岩纤维对于沥青混合料的抗水损害性能不佳[4-5]。

硅藻土本质上是一种含有较多微空隙的沉积岩，其有着比表面积大、热稳定性好、吸附性强的特点。相关研究表明硅藻土用于沥青路面材料中具有很好的路用性能，集中体现在低温抗裂性和抗水损害性能[6-7]。关于硅藻土改性沥青与玄武岩纤维改性沥青，及其混合料的性能研究比较多，但是对于两种掺加剂复合改性的研究很少，本文基于两种材料的各自特点，拟通过硅藻土与玄武岩纤维复合改性沥青，研究其对沥青路面各方面路用性能的影响规律，以期这种复合材料能够在沥青路面的实际应用提供参考。

1 试验原材料与配合比设计

1.1 原材料

试验采用70#A 级石油沥青，沥青的技术性质都满足规范要求，见表1。

表1 A-70# 基质沥青技术指标Table 1 Technical indexes of A-70# base asphalt

粗集料采用性能较好的石灰岩，表观相对密度2.688，洛杉矶磨耗值为10.1%，压碎值为12.4%，针片状含量是4.9%。细集料采用石灰岩机制砂，其表观相对密度为2.722，含泥量为1.15%。填料是石灰岩磨细后的矿粉，其表观相对密度为2.783，含泥量是0.19%。经试验，矿料的各项性质都满足规范要求。硅藻土为临江市某化工公司产，主要成分为SiO2，质量分数为83.34%，还含有Al2O3、Fe2O3和CaO 等成分，其用量为沥青用量的11%～13%。玄武岩纤维选择常州某公司产的短切纤维，纤维长6mm，厂家推荐用量范围为0.2%～0.4%。

1.2 配合比设计

沥青混合料级配采用AC-13 型级配中值，见表2。按照马歇尔试验确定最佳油石比的方法确定基质沥青、硅藻土改性沥青、玄武岩纤维改性沥青及硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青等四种沥青混合料的最佳油石比为4.7%、5.0%、5.1%、5.3%。其中硅藻土和玄武岩纤维已根据前期大量室内试验确定，硅藻土最佳用量为12%，玄武岩纤维最佳用量为0.3%。

表2 AC-13 矿料级配Table 2 AC-13 Mineral aggregate gradation

2 混合料性能试验研究

2.1 高温性能

沥青混合料作为一种粘塑性材料，在高温及车轮荷载共同作用下会发生塑性变形，路面出现车辙、拥包等形式的破坏。为缓解或避免病害的发生，在铺筑沥青路面前应选用高温性能好的沥青混合料，对沥青混合料进行大量试验验证。评价沥青混合料高温性能的方法比较多，本文采用国内广泛使用的车辙试验对硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青混合料的高温性能进行室内试验评价。试验温度选择60℃，采用42min 至60min 之间产生的车辙变形量对应的动稳定度作为评价指标。试验结果见表3 和图1。

表3 车辙试验结果Table 3 Results of rutting test

图1 四种混合料的动稳定度Fig.1 Dynamic stability of four kinds of mixture

从图1 和表3 可以发现，四种沥青混合料的动稳定度从小到大分别是70# 基质沥青＜玄武岩纤维＜硅藻土＜复合改性沥青，单掺硅藻土或玄武岩纤维时，硅藻土改性沥青混合料和玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度相对于70# 基质沥青分别提高了102%、48%。硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青混合料的动稳定度最大，是70#基质沥青的2.45 倍。说明硅藻土和玄武岩纤维都可以改善沥青混合料的高温性能，其中硅藻土的改善效果更明显。一方面，由于硅藻土加入沥青中依靠其自身的多孔结构特点能够吸附沥青中的轻质组分和自由沥青，使结构沥青的比重增加，从而增加了沥青胶结料的粘度，提高了感温性能。除此之外，硅藻土具有比表面积大的特点，掺入沥青后，提高了沥青胶结料与集料的界面粘结力[8]。另一方面，玄武岩纤维加入沥青后可以与沥青形成相互缠绕的三维密集网络结构，一定程度上降低了沥青的流动性，不但增加了沥青的黏度，加强了沥青与集料的界面力，而且可以起到加筋阻裂的效果。硅藻土与玄武岩纤维发挥各自的特点共同作用改善了沥青混合料的高温抗变形能力，使硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青混合料的高温性能得到最显著的提升。

2.2 低温性能

在气温急剧变化时，路面会因为温缩应力的积累而开裂，通常我们称这种裂缝为温缩裂缝。由于裂缝的存在，路表的水会浸入路面结构内部，水一旦浸入路面内部，就会在行车作用下形成动水压力，对矿料间的沥青薄膜进行切削和冲刷，导致路面结构产生水损害，严重时使路面出现局部凹陷，最终出现网裂和坑槽恶化道路的行使质量。

本文通过低温劈裂试验来评价硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青混合料的低温抗裂特性，试验温度为-10℃，荷载施加速度为1mm/min，直至试件破坏，得到荷载极值和竖向最大位移，从而计算出劈裂强度、破坏应变和劲度模量等技术参数。试验结果见表4 和图2。

表4 低温劈裂试验结果Table 4 Results of low temperature splitting test

图2 四种混合料的低温破坏应变和劲度模量Fig.2 Low temperature failure strain and stiffness modulus of four mixtures

从图2 和表4 可知，加入硅藻土或者玄武岩纤维后沥青混合料的低温破坏应变增加，劲度模量减小，但显然硅藻土对低温性能的作用效果更加显著，硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青的破坏应变最大，劲度模量最小。说明硅藻土或者玄武岩纤维对沥青混合料的低温抗裂性都有一定的改善作用，硅藻土和玄武岩纤维两种改性剂共同作用时的效果更佳。一方面，由于玄武岩纤维加入到沥青内部与沥青结合在一起形成了网状结构，在沥青与集料之间起到了增韧加强和桥接锚固的作用，沥青路面在低温和荷载的作用下，玄武岩纤维能够起到抑制裂纹继续发展的作用。另一方面，硅藻土加入沥青后增大了沥青胶结料的薄膜厚度，提高了沥青与集料的粘附性，而且硅藻土具备多孔性质，多余的自由沥青会浸入孔隙内部形成结构沥青，提高了沥青胶结料与集料的机械咬合力，改善了混合料的低温抗裂性。

2.3 水稳定性

在雨季或春融季节，不可避免地会有大量的雨水流经沥青路面，由于车辆的冲击荷载和自重荷载会使进入沥青路面结构内部的空隙水产生很大的动水压力或负压抽吸作用，空隙水在动水圧力的作用下对沥青与集料的接触面产生切削和冲刷作用，使其粘附性减小，沥青膜逐渐从集料表面脱落，最终使沥青路面因掉粒、松散等形成水损害。特别是南方降雨量大和北方高寒积雪地区，路面水损害情况更为严重。

本文采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验对硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青混合料的抗水损害性能进行评价。试验结果见表5 和图3。

表5 浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果Table 5 Test results of immersion Marshall and freeze-thaw splitting

图3 四种混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比Fig.3 Residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio of four mixtures

从图3 和表5 可以看出，四种沥青混合料的浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验结果具有一致的趋势。加入玄武岩纤维的沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比较70# 基质沥青都有一定程度的降低，而加入硅藻土后得到了有效的改善和提高。说明玄武岩纤维对沥青混合料的抗水损害性能起到相反的效果，硅藻土能显著增强沥青混合料的水稳定性，硅藻土/ 玄武岩纤维复合改性沥青混合料的抗水损害性能仅次于硅藻土改性沥青混合料。由于加入玄武岩纤维后，部分纤维存在于沥青和集料的结合面上，导致这部分结合面区域比较脆弱，水分会沿着纤维到达结合面，在低温冻融的条件下，水分发生冻胀反应，沥青结合料逐渐从集料表面散落，降低了其粘附性，最终使混合料的水稳定性变差。而硅藻土加入沥青后吸附多余的自由沥青形成较多的结构沥青，增加了沥青的粘附性，从而改善了混合料的水稳定性。