蔣符發(fā)

(廣西壯族自治區(qū)高速公路發(fā)展中心,廣西 南寧 530028)

公路鋪設(shè)離不開瀝青,在瀝青路面行駛具有較高的舒適性、速度更快、駕駛更安全[1]。但受到外部自然環(huán)境侵蝕,導(dǎo)致瀝青公路發(fā)生不同程度的破壞,現(xiàn)有公路破壞情況包括瀝青開裂、路面坑槽、瀝青起鼓、混凝土松散等情況,這些情況較為嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅公路行駛車輛的安全,在一定程度上還影響公路的使用壽命[2-4]。越來越多研究發(fā)現(xiàn),單純使用瀝青鋪設(shè)路面,不能獲得較為理想的結(jié)果,所以許多研究都嘗試向?yàn)r青中添加改性劑,提升瀝青的穩(wěn)定性與安全性[5]。公路用地聚合物改性瀝青混合料是一種氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系,其結(jié)構(gòu)是由環(huán)狀分子鏈構(gòu)成的“類晶體”結(jié)構(gòu),具有耐高溫、隔絕空氣、保護(hù)內(nèi)部物質(zhì)不被氧化的特點(diǎn)。

有學(xué)者嘗試使用納米材料改性瀝青的黏度與剪切模量,研究發(fā)現(xiàn),添加納米材料以后,瀝青的使用性能得到極大程度改善[6];但該方法改性的瀝青成本較高,尚處于研究階段。使用彈性體作為改性材料添加在瀝青中,改善瀝青的性能[7];大量研究發(fā)現(xiàn),這種材料不能保證改性瀝青后的穩(wěn)定性,同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致瀝青易于發(fā)生離析,不利于瀝青長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。

為此,本試驗(yàn)嘗試使用地聚合物改性瀝青混合料,研究確定混合地聚合物的瀝青混合料耐久性能變化情況。地聚合物是一種成本較低的膠凝型材料,不但能夠適用于各個(gè)領(lǐng)域,同時(shí)性能較好,兼具環(huán)保效果,成為眾多研究者關(guān)注的新型材料[8]。通常情況下適用工業(yè)廢料制作地聚合物,且這種材料耐久性較高、穩(wěn)定性較強(qiáng),耐腐蝕、耐高溫性能均較為可觀,添加在瀝青中,能夠改善瀝青的性能,同時(shí)還能修補(bǔ)路面上出現(xiàn)的各種缺陷。目前地聚合物被廣泛應(yīng)用在混凝土、水泥等建筑材料中。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

主要材料:去離子水(分析純),臨沂市蘭山區(qū)萊邵思凈水;Na2SiO3,濟(jì)南運(yùn)澤化工有限公司;NaOH(分析純),濟(jì)南嘉華化工科技有限公司;鋼渣,靈壽縣川青礦產(chǎn)品有限公司;偏高嶺土,河北省鐸聚建材有限公司;高純硅粉,遼寧德盛特種陶瓷制造有限公司;瀝青基料,云南雨舟防水科技有限公司。

主要設(shè)備:YGCH-G恒溫干燥箱,吳江市新盛電熱設(shè)備科技有限公司;WK-1000KG機(jī)械攪拌機(jī),東莞市清溪五星通用機(jī)械有限公司;30B磨粉機(jī),常州市邁順機(jī)械有限公司;JG-FS150高速剪切機(jī),東莞市醬冠機(jī)械設(shè)備有限公司;XM-DZSC001萬能試驗(yàn)機(jī),深圳市祥敏儀器設(shè)備有限公司。

1.2 地聚合物的制備

制備地聚物前需要先制作出堿激發(fā)劑,制作過程中需要使用35 ℃恒溫的去離子水,在該去離子水中緩慢倒入適量Na2SiO3和NaOH,并且攪拌均勻,使用保鮮膜將混合物密封避免水分蒸發(fā),得到堿激發(fā)劑備用。

將適量鋼渣、偏高嶺土、高純硅粉以及礦渣粉在65 ℃恒溫干燥箱中去除水分,取出后充分混合并攪拌均勻,獲得鋁硅酸鹽[9-11]。把制備的堿激發(fā)劑倒入鋁硅酸鹽之中,傾倒過程中使用玻璃棒不斷攪拌,確保2種物質(zhì)成分混合。為使2種物質(zhì)混合更加充分,使用機(jī)械攪拌機(jī)再攪拌20 min,停止攪拌后迅速將混合漿體倒入模具中,同時(shí)為了保證水分不會(huì)快速蒸發(fā),使用保鮮膜將模具密封固化。把充分固化后的地聚合物材料從模具中取出,人工敲碎固態(tài)地聚合物后,使用磨粉機(jī)將固態(tài)地聚合物磨成粉末,挑選篩孔直徑為0.075 mm的篩子,將地聚合物粉末過篩,獲得地聚合物改性劑[12-13]。

1.3 地聚合物改性瀝青混合料制備

使用外摻法制備地聚合物改性瀝青混合料。把恒溫烘箱的溫度設(shè)置為150 ℃,將瀝青基料置于其中使得瀝青基料轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)形態(tài)的漿體。從烘箱中將熔化后的瀝青去除,置于試驗(yàn)用小電爐上,保持瀝青溫度為150 ℃。將制備的地聚合物改性劑緩慢添加到恒溫的瀝青料中(地聚合物改性劑添加量分別為3.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%),添加過程始終使用玻璃棒攪拌瀝青,其中要緩慢、多次添加,避免地聚合物傾倒過多導(dǎo)致地聚合物改性劑溢出容器之外[14-15]。等待所制備的全部地聚合物改性劑都添加在瀝青基料中后,繼續(xù)使用手動(dòng)方式攪拌混合瀝青,肉眼觀測(cè)混合瀝青中未出現(xiàn)明顯地聚合物粉末后,再利用高速剪切機(jī)剪切攪拌混合瀝青,該剪切機(jī)初始剪切速率設(shè)置為2 000 r/min,攪拌30 min后將剪切速率升至5 000 r/min,之后繼續(xù)攪拌30 min[16-17]。攪拌過程中始終使用小電爐保持混合瀝青處于加熱狀態(tài),不斷調(diào)整混合瀝青容器的位置,確保容器中每一部分都能被剪切[18-20]。待混合瀝青全部剪切完成后,將混合瀝青置于150 ℃的恒溫箱中,確?；旌蠟r青保持溶脹發(fā)育1 h。從恒溫箱中取出混合瀝青后,使用玻璃棒攪拌混合瀝青,消除混合地聚合物瀝青上的氣泡,得到最終地聚合物改性瀝青混合料。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1濕輪磨耗性能

測(cè)試地聚合物改性瀝青混合料濕輪磨耗性能主要是為了檢驗(yàn)本文所制備的改性瀝青混合料在水損害作用下的耐久性能。該實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)整瀝青基料的用量分別為7%、8%、9%。按照《大路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40中的相關(guān)規(guī)定開展本節(jié)試驗(yàn)。

1.4.2耐低溫開裂性能

評(píng)價(jià)耐低溫開裂性能的指標(biāo)包含2個(gè)方面:一是地聚合物改性瀝青混合料的蠕變勁度;另一個(gè)則是蠕變的速率。地聚合物改性瀝青混合料抵抗恒定荷載的度量則為蠕變勁度,該指標(biāo)主要體現(xiàn)出地聚合物改性瀝青混合料受到低溫影響后對(duì)于變形的抵抗能力,一定程度反應(yīng)出地聚合物改性瀝青混合料的耐久性;蠕變速率時(shí)受到荷載作用影響,地聚合物改性瀝青混合料的勁度會(huì)出現(xiàn)變化,通過計(jì)算時(shí)間對(duì)數(shù)曲線和勁度對(duì)數(shù)斜率的絕對(duì)值獲得,該數(shù)值能夠體現(xiàn)出應(yīng)力松弛情況與勁度時(shí)間敏感性。蠕變勁度與低溫柔性呈現(xiàn)反比例關(guān)系;蠕變速率與抗裂性能呈現(xiàn)出正比例關(guān)系,蠕變速率越高,耐低溫開裂性能越高。SHRP PG標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,蠕變速率需要超過0.3,蠕變勁度需要不超過300 MPa。對(duì)各個(gè)地聚合物改性瀝青混合料分別在-10、-15、-20和-25 ℃的試驗(yàn)環(huán)境下開展低溫小梁彎曲蠕變勁度試驗(yàn)。

1.4.3凍融循環(huán)下耐久性能

本文驗(yàn)證凍融循環(huán)作用之下,地聚合物改性瀝青混合料的耐久性能。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%鹽溶液模擬凍融循環(huán),設(shè)定-20～35 ℃為凍融循環(huán)溫度,按照公路實(shí)際面臨的凍融循環(huán)經(jīng)驗(yàn),將地聚合物改性瀝青混合料置于鹽溶液中低溫冷凍12 h,取出后再置于35 ℃鹽溶液中融化8 h,此程序?yàn)閮鋈谘h(huán)一次,按照試驗(yàn)需求調(diào)整凍融循環(huán)次數(shù)。

利用萬能試驗(yàn)機(jī)開展凍融循環(huán)后的地聚合物改性瀝青混合料的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),通過恒應(yīng)變控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)于地聚合物改性瀝青混合料的偏正弦加載,加載頻率為15 Hz;當(dāng)勁度模量下降至原始數(shù)值的一般就停止破壞加載,通過萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)地聚合物改性瀝青混合料耐久性抗疲勞試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐水損傷能力分析

不同地聚合物和不同瀝青基料用量下,改性瀝青混合料在60 min和7 d試驗(yàn)后的濕輪磨耗值變化情況如圖1所示。相關(guān)規(guī)定,在60 min時(shí)地聚合物改性瀝青混合料的濕輪磨耗不能超過530 g/m2。

(a)60 min濕輪磨耗值

在圖1(a)中,不同瀝青用量的地聚合物改性瀝青混合料隨著地聚合物用量的增加,濕輪磨耗值出現(xiàn)明顯降低趨勢(shì),地聚合物用量越多,地聚合物改性瀝青混合料的濕輪磨耗值越低。同時(shí),在瀝青用量較多情況下,地聚合物改性瀝青混合料的濕輪磨耗值也更低,地聚合物用量為3.5%時(shí),7%瀝青用量的地聚合物改性瀝青混合料濕輪磨耗值為440 g/m2;地聚合物用量為3.5%時(shí),9%瀝青用量的地聚合物改性瀝青混合料的濕輪磨耗值降至320 g/m2。在圖1(b)中,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)反應(yīng),地聚合物改性瀝青混合料的濕輪磨耗值變化更大,但基本變化趨勢(shì)與圖1(a)的趨勢(shì)相同。瀝青用量為9%,地聚合物用量較高時(shí),抗水損害能力較強(qiáng),同時(shí)確定瀝青的最小用量。

負(fù)荷輪粘附試驗(yàn)也是驗(yàn)證地聚合物改性瀝青混合料耐久性能的一個(gè)重要指標(biāo),同時(shí)通過該試驗(yàn)還能驗(yàn)證出瀝青的最大用量,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 負(fù)荷輪粘附分析

由圖2可知,相同瀝青用量下,地聚合物用量越多,地聚合物改性瀝青混合料的負(fù)荷輪粘附砂呈現(xiàn)下降趨勢(shì),二者呈反比例關(guān)系。相關(guān)規(guī)范中要求改性瀝青的負(fù)荷輪粘附砂量應(yīng)低于450 g,7%和8%瀝青用量的地聚合物改性瀝青混合料中地聚合物含量發(fā)生變化也符合該規(guī)定;但瀝青含量為9%的地聚合物改性瀝青混合料地聚合物含量超過5.5%時(shí),并不符合該規(guī)范,地聚合物含量低于5.5%時(shí),能夠獲得較好狀態(tài)。因此,通過該試驗(yàn)確定地聚合物含量為5.5%時(shí),地聚合物改性瀝青混合料的性能最好。

2.2 耐低溫開裂性能分析結(jié)果

不同地聚合物含量改性瀝青混合料,經(jīng)過2種老化處理后,地聚合物改性瀝青混合料的低溫彎曲梁流變性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 低溫彎曲梁流變性試驗(yàn)Tab.1 Low-temperature bending beam rheology test

由表1可知,隨著溫度降低,地聚合物改性瀝青混合料的勁度模量呈現(xiàn)上升趨勢(shì),蠕變速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說明低溫環(huán)境中,地聚合物改性瀝青混合料喪失低溫柔性,同時(shí)抗裂性能也出現(xiàn)變化。SHRP PG標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,蠕變速率需要超過0.3,蠕變勁度需要不超過300 MPa,但超過-15 ℃時(shí),地聚合物改性瀝青混合料的蠕變勁度和蠕變速率均不符合該規(guī)范,說明低溫環(huán)境中地聚合物改性瀝青混合料抗裂性能較差。盡管低于-15 ℃時(shí),地聚合物改性瀝青混合料耐裂性能較差,但地聚合物含量超過4.5%時(shí)能夠保證地聚合物改性瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性能。說明適當(dāng)增加地聚合物含量,能夠提升地聚合物改性瀝青混合料耐低溫開裂性能。

2.3 凍融循環(huán)后四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

經(jīng)過凍融循環(huán)處理后,地聚合物改性瀝青混合料的耐疲勞性能會(huì)發(fā)生變化,該材料的損失率與耗散能情況如表2所示。

表2 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Four-point bending fatigue test results

從表2可以看出,盡管地聚合物含量不同,但是受到凍融循環(huán)影響,地聚合物改性瀝青混合料的荷載損失率與累計(jì)耗散能變化趨勢(shì)基本相同,凍融循環(huán)的次數(shù)越多,地聚合物改性瀝青混合料的損失率越高,同時(shí)累計(jì)耗散能發(fā)生降低。這說明受到凍融循環(huán)影響,地聚合物改性瀝青混合料的耐久性能遭受破壞,同時(shí)地聚合物含量越高,地聚合物改性瀝青混合料的損失率越高,累計(jì)耗散能也更低。

3 結(jié)語

本文使用高嶺土、高純硅粉和鋼渣等原料制備地聚合物,利用地聚合物改變?yōu)r青性質(zhì)。調(diào)整地聚合物的添加量,制備地聚合物改性瀝青混合料并驗(yàn)證該材料的耐久性能,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),地聚合物含量在5.5%時(shí),地聚合物改性瀝青混合料的耐水損傷性能最好,但大量使用地聚合物,會(huì)在凍融循環(huán)影響下,導(dǎo)致地聚合物改性瀝青混合料的損失率上升,不利于提升地聚合物改性瀝青混合料的耐久性。