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,這些情況較為嚴重時會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),單純使用瀝青鋪設路面,不能獲得較為理想的結(jié)果,所以許多研究都嘗試向瀝青中添加改性劑,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)絡結(jié)構體系,其結(jié)構是由環(huán)狀分子鏈構成的“類晶體”結(jié)構,具有耐高溫、隔絕空氣、保護內(nèi)部物質(zhì)不被氧化的特點。

有學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,同時還會導致瀝青易于發(fā)生離析,不利于瀝青長時間存儲。

為此,本試驗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領域,同時性能較好,兼具環(huán)保效果,成為眾多研究者關注的新型材料[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,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,同時還能修補路面上出現(xiàn)的各種缺陷。目前地聚合物被廣泛應用在混凝土、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,濟南運澤化工有限公司;NaOH(分析純),濟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。

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

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,使用機械攪拌機再攪拌20 min,停止攪拌后迅速將混合漿體倒入模具中,同時為了保證水分不會快速蒸發(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置為150 ℃,將瀝青基料置于其中使得瀝青基料轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃有螒B(tài)的漿體。從烘箱中將熔化后的瀝青去除,置于試驗用小電爐上,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)使用手動方式攪拌混合瀝青,肉眼觀測混合瀝青中未出現(xiàn)明顯地聚合物粉末后,再利用高速剪切機剪切攪拌混合瀝青,該剪切機初始剪切速率設置為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,確保混合瀝青保持溶脹發(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 性能測試

1.4.1濕輪磨耗性能

測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。該實驗過程中調(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規(guī)范》JTGF40中的相關規(guī)定開展本節(jié)試驗。

1.4.2耐低溫開裂性能

評價耐低溫開裂性能的指標包含2個方面:一是地聚合物改性瀝青混合料的蠕變勁度;另一個則是蠕變的速率。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于變形的抵抗能力,一定程度反應出地聚合物改性瀝青混合料的耐久性;蠕變速率時受到荷載作用影響,地聚合物改性瀝青混合料的勁度會出現(xiàn)變化,通過計算時間對數(shù)曲線和勁度對數(shù)斜率的絕對值獲得,該數(shù)值能夠體現(xiàn)出應力松弛情況與勁度時間敏感性。蠕變勁度與低溫柔性呈現(xiàn)反比例關系;蠕變速率與抗裂性能呈現(xiàn)出正比例關系,蠕變速率越高,耐低溫開裂性能越高。SHRP PG標準中規(guī)定,蠕變速率需要超過0.3,蠕變勁度需要不超過300 MPa。對各個地聚合物改性瀝青混合料分別在-10、-15、-20和-25 ℃的試驗環(huán)境下開展低溫小梁彎曲蠕變勁度試驗。

1.4.3凍融循環(huán)下耐久性能

本文驗證凍融循環(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)量分數(shù)13%鹽溶液模擬凍融循環(huán),設定-20～35 ℃為凍融循環(huán)溫度,按照公路實際面臨的凍融循環(huán)經(jīng)驗,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,此程序為凍融循環(huán)一次,按照試驗需求調(diào)整凍融循環(huán)次數(shù)。

利用萬能試驗機開展凍融循環(huán)后的地聚合物改性瀝青混合料的四點彎曲試驗,通過恒應變控制方式實現(xiàn)對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,通過萬能試驗機實現(xiàn)地聚合物改性瀝青混合料耐久性抗疲勞試驗。

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試驗后的濕輪磨耗值變化情況如圖1所示。相關規(guī)定,在60 min時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,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,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,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,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)過長時間試驗反應,地聚合物改性瀝青混合料的濕輪磨耗值變化更大,但基本變化趨勢與圖1(a)的趨勢相同。瀝青用量為9%,地聚合物用量較高時,抗水損害能力較強,同時確定瀝青的最小用量。

負荷輪粘附試驗也是驗證地聚合物改性瀝青混合料耐久性能的一個重要指標,同時通過該試驗還能驗證出瀝青的最大用量,試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 負荷輪粘附分析

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荷輪粘附砂呈現(xiàn)下降趨勢,二者呈反比例關系。相關規(guī)范中要求改性瀝青的負荷輪粘附砂量應低于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,并不符合該規(guī)范,地聚合物含量低于5.5%時,能夠獲得較好狀態(tài)。因此,通過該試驗確定地聚合物含量為5.5%時,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結(jié)果如表1所示。

表1 低溫彎曲梁流變性試驗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,蠕變速率呈現(xiàn)下降趨勢。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,同時抗裂性能也出現(xiàn)變化。SHRP PG標準中規(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,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,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)后四點彎曲疲勞試驗

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 四點彎曲疲勞試驗結(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耗散能變化趨勢基本相同,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,同時累計耗散能發(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證該材料的耐久性能,試驗發(fā)現(xiàn),地聚合物含量在5.5%時,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,會在凍融循環(huán)影響下,導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。