外掺剂对SMA-13沥青混合料高温性能影响试验研究

罗楚凡，康爱红，吴帮伟，孙庆浩，范 钊

扬州大学 建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127

0 引言

沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)沥青路面以其优异的高温稳定性、低噪音、耐久性、耐磨性等特点被认为解决车辙问题的最优答案,在现代高等级道路建设中得到了广泛应用.然而,随着物流业和交通运输业爆发式的增长,SMA路面的各项性能也受到了巨大考验,车辙病害[1]时有发生,道路的使用寿命也随之降低,行车舒适度和驾驶安全受到了很大的影响.在SMA路面中掺入各种外掺剂成为了改善其路用性能的普遍选择.目前,我国大部分地区均采用木质素纤维(下文简称LF)掺入SMA沥青路面中,其作用是防止沥青滴漏.然而木质素纤维较好的吸附沥青能力是一把双刃剑,纤维内部吸附的沥青既不增加沥青油膜厚度,也不提高路面强度,反而增加了沥青用量,使道路造价成本提高.抗车辙剂是一种广泛使用的外掺剂,可以大幅提高SMA的高温性能[2].

此外,玄武岩纤维(下文简称BF)是近年来逐渐兴起的一种外掺剂,以其优良的性能、原材料分布广且低廉等优点,在沥青路面建设中受到越来越多的重视.现阶段,国内外学者[3-5]对各级配沥青混合料的路用性能进行了大量的研究,发现将玄武岩纤维的掺入能够全面提高沥青混凝土路面的高温抗车辙能力、抗低温开裂能力、抗水损害能力、抗疲劳开裂能力等路用性能.抗车辙剂和纤维此类外掺剂使用方便、存储安全、与沥青的匹配性较好,在施工阶段不需要改变施工流程,在混合料拌合阶段适当延长拌合时间和升高拌合温度即可,聚合物改性剂在使用过程中会发生降解，因此在使用初期并不一定导致沥青混合料抗车辙性能最弱.

目前，学者[6]对此类外掺剂的研究尚不够全面,仅限于刚投入服役的沥青路面路用性能的提升效果进行研究,对于服役一定年限后的沥青路面,其外掺剂在长期路用性能方面是否具有同样的增强效果缺少深入研究.因此,需要考察沥青混合料长期性能试验[7].

本文基于车辙试验和单轴贯入度试验,对外掺挤在SMA-13沥青混合料的路用性能进行研究,外掺挤对于沥青混合料的长期作用将通过长期老化的方法进行研究,为实际施工过程中外掺剂的选用、路用性能的提高提供一定的理论支撑.

1 原材料及其性能检测

1.1 原材料性能检测

1.1.1 集料和填料

本文的粗集料选用玄武岩集料,石质坚硬、洁净、表面粗糙、坚韧有棱角；细集料采用石灰岩集料；填料为石灰岩矿粉,粉体干燥洁净、不成团、无杂质.根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)相关规定,对其进行筛分实验和性能检测,结果见表1,表2.

表1 填料性能指标及试验结果Table 1 Packing performance indicators and test results

表2 集料密度试验结果Table 2 Aggregate density test results

1.1.2 沥青

本文采用SBS成品改性沥青,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中相关试验方法对沥青性能指标进行试验,试验结果见表3,改性沥青的各项指标均满足规范要求.

表3 SBS改性沥青性能指标及试验结果Table 3 SBS modified asphalt performance indicators and test results

1.1.3 外加剂

本试验选用的玄武岩纤维为江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产的玄武岩短切纤维,纤维呈金褐色,平直、无杂质,根据课题组前期研究成果及调研相关学者研究[8],选取6 mm长度的短切玄武岩纤维应用于SMA-13沥青混合料中.玄武岩短切纤维的技术性能试验结果见表4.

本试验选用的木质素纤维为瑞登梅父子公司生产的ZZ8/1型絮状纤维,色泽呈现白色或灰色,其技术性能符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)的要求.木质素纤维的技术性能试验结果见表5.

表5 木质素纤维性能指标及检测数据Table 5 Lignin fiber performance indicators and test data

抗车辙剂是多种高分子聚合物复合而成的沥青混合料抗车辙专用添加剂,本文所采用的的抗车辙剂外观呈黑色扁平状的固体颗粒,可在常温下长期保存,其技术性能试验结果见表6.

表6 抗车辙剂技术指标测试结果Table 6 Rutting-resistance test results

2 SMA-13沥青混合料组成设计

采用马歇尔设计法对3种SMA-13沥青混合料进行设计,根据实际工程经验,玄武岩纤维、木质素纤维和抗车辙剂的掺量分别为沥青混合料质量的0.4 %,0.3 %和0.5 %,3种沥青混合料的最佳油石比和相应的马歇尔指标如表7所示.

表7 玄武岩纤维SMA-13体积参数试验结果Table 7 Rutting-resistance test results

3 不同外掺剂SMA-13沥青混合料高温性能测试

3.1 试验方法和测试结果

本文分别采用车辙试验和单轴贯入试验测试沥青混合料的高温性能,其中车辙试验是一种工程模拟式的试验,模拟实际车轮在沥青路面上的行驶,分析沥青路面产生的车辙变形量与轮碾次数之间的关系,以动稳定度指标来评价沥青混合料高温性能.

单轴贯入试验最早是由同济大学孙立军教授提出的,该试验方法的原理是利用小直径钢压头对圆柱体试件进行加压,因为钢压头的直径远小于试件的直径,所以在试验过程中,混合料会对压头产生侧向的约束力,产生横向约束,其受力状态与实际路面受力相似.该方法以贯入强度评价沥青混合料高温性能.

车辙试验和单轴贯入试验分别见图1，图2,测试结果分别见表8，表9.

图1 车辙试验Fig.1 Rutting test

图2 单轴贯入试验Fig.2 Single-axis penetration test

表8 老化前后SMA-13沥青混合料高温车辙试验测试结果Table 8 High temperature rutting test results of SMA-13 asphalt mixture before and after aging

表9 老化前后SMA-13沥青混合料单轴贯入试验测试结果Table 9 SMA-13 asphalt mixture uniaxial penetration test results before and after aging

同时,为了考察3种SMA13沥青混合料在长期服役过程中高温性能的变化趋势,本文分别对沥青混合料进行了短期和长期老化,以模拟沥青混合料的不同服役年限,其中短期老化模拟沥青混合料在生产和施工过程中的老化行为,长期老化模拟沥青混合料服役5年～7年后的老化.按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJE20-2011)中的热拌沥青混合料加速老化方法(T 0734-2000)进行试验,具体方法如下:

短期老化:将拌和好的松散沥青混合料均匀摊铺在搪瓷盘中,放入135 ℃±1 ℃的烘箱内,连续加热240 min±5 min.加热阶段每小时翻拌一次,4 h后从烘箱中取出混合料成型试件.

长期老化:先将沥青混合料进行短期老化并成型相应试件,冷却脱模后放入85 ℃±3 ℃烘箱中连续加热5 d(120 h±0.5 h),冷却后取出试件,进行相应试验.

3.2 试验结果分析

3.2.1 沥青混合料短期高温性能分析

相较于传统的木质素纤维SMA-13沥青混合料,复掺抗车辙剂和木质素纤维的SMA-13动稳定度提高150 %,贯入强度提高31 %;玄武岩纤维SMA-13动稳定度提高25 %,贯入强度提高30 %.说明玄武岩纤维和抗车辙剂的掺入都能显著提高SMA-13沥青混合料的动稳定度和贯入强度,抗车辙剂对动稳定度的提高效果尤为显著.此外,与车辙试验相比,抗车辙剂对贯入强度的提高幅度没有动稳定度的提高幅度明显.

由表8可知,复掺抗车辙剂和木质素纤维的沥青混合料车辙深度最浅,说明抗车辙剂溶解于沥青、矿粉和纤维胶结形成的沥青玛蹄脂中,提高了沥青玛蹄脂的粘聚力,增强了沥青混合料抵抗高温变形的能力.对比玄武岩纤维SMA-13和木质素纤维SMA-13沥青混合料的辙槽深度,发现在20 min之后玄武岩纤维沥青混合料的车辙变形速率明显降低,说明玄武岩纤维在混合料中起到了加筋作用,使沥青混合料抗车辙、抗变形能力增强,在车辙作用下产生的相对位移要小于木质素纤维沥青混合料.此外，沥青混合料的韧性得到了极大的提高,从而有效地提高了沥青混合料抗剪切变形的能力.

3.2.2 沥青混合料长期高温性能分析

由试验结果可知,沥青混合料的长期性能的变化趋势在短期老化阶段变化尤为明显,短期老化阶段沥青混合料的性能变化幅度最大,而长期老化后的混合料性能与短期老化相比变化较小.

对比3种混合料动稳定度的变化趋势,随着沥青混合料的老化时间增加,动稳定度迅速减弱,长期老化结束后,复掺抗车辙剂与木质素纤维的SMA-13沥青混合料的动稳定度已经和玄武岩纤维SMA-13沥青混合料相差无几,相较于玄武岩纤维SMA-13沥青混合料仅提高2 %,较木质素纤维提高70 %.

对比玄武岩纤维SMA-13和木质素纤维SMA-13的老化前后车辙试验结果,可以发现玄武岩纤维SMA-13沥青混合料的动稳定度随老化时间的延长呈增大趋势,车辙变形随老化时间的延长呈减小趋势,短期老化、长期老化后的动稳定度较未老化、短期老化时分别提高14 %和7 %.与此同时,木质素纤维SMA-13沥青混合料的动稳定度随老化时间的延长呈减小趋势,短期老化、长期老化后的动稳定度较未老化、短期老化时分别减少6 %和3 %,二者的变化趋势呈现相反的结果.

这是因为玄武岩纤维和木质素纤维都是通过“复合材料化”的方法对沥青进行改性,不同的纤维对SBS改性沥青所产生的作用也不一样.相关学者研究发现,SBS改性沥青中的SBS改性剂会随着老化时间的增加而析出挥发,降低SBS改性沥青的各项性能[9].此外,玄武岩纤维在SBS改性沥青中各项性能的提升幅度最优[10],说明玄武岩纤维与SBS改性沥青的结合性更好，文献[11]也印证了这一点.

综上所述,在长期性能方面,通过长期老化的沥青混合料进行车辙试验和单轴贯入度试验，可以得出玄武岩纤维沥青混合料会随着老化时间的延长而增大,然而木质素纤维沥青混合料与外掺挤与木质素纤维的沥青混合料随着老化时间的延长而降低,尤其是外掺挤与木质素纤维的沥青混合料,降低速度特别迅速.

4 结论

本文对玄武岩纤维SMA-13混合料、木质素纤维SMA-13混合料、复掺抗车辙剂与木质素纤维的SMA-13混合料的路用性能进行了研究,得出主要结论如下:

(1) 沥青混合料的老化过程主要集中在短期老化阶段,短期老化阶段沥青混合料的性能变化幅度最大,而长期老化后聚合物改性剂会发生降解导致其高温性能衰减，而玄武岩纤维可以避免这一现象.

(2) 抗车辙剂的掺入可以大幅改善沥青混合料的高温性能，玄武岩纤维的掺入能够有效提升沥青混合料的高温稳定性.

(3) 在经历长期老化作用，复掺抗车辙剂与木质素纤维对沥青混合料性能的改善程度低于玄武岩纤维沥青混合料,并且与之相比衰减速度迅速.