纳米SiO2/岩沥青/SBS复合改性沥青混合料性能研究.pdf

为进一步提高 改性沥青性能，降低 改性沥青初始成本，提出了一种由 改性剂、纳米 （）和岩沥青（）组成的复合改性沥青混合料，并进行了改性沥青及其混合料基本性能、车辙、低温弯曲小梁、水稳定性、疲劳和耐老化试验，以评估其路面性能。研究发现：在岩沥青 纳米 复合改性沥青中加入 改性剂提高了改性沥青的抗变形性、稳定性和耐老化性能；和 复合改性沥青混合料比 改性沥青混合料具有更高的动稳定度和更小的总变形；当 用量 时，复合改性沥青混合料比 改性沥青混合料具有更高的低温抗裂性和水稳定性，且其疲劳性能优于其他组合。改性沥青混合料比 改性沥青高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和耐久性更好，且二者疲劳寿命相似。关键词：复合改性沥青；纳米 ；岩沥青；改性剂；路用性能中图分类号：文献标志码：引言随着交通运输的发展，超载和渠化现象越来越普遍。道路路面的损坏越来越多，包括车辙、坑洞、隆起和裂缝 。选择合适的路面材料对提高路面性能至关重要 。改性沥青高低温性能优良，逐渐成为了道路工程中的主流选择。但是，它还具有初始成本高、加工困难和储存稳定性差的缺点 。鉴于 改性沥青的上述缺陷，许多学者对复合改性沥青进行了研究，以期获得经济效益更佳的改性沥青，如加入岩沥青（）和纳米材料 。陈文甫 为提高复合改性沥青的路用性能，在 改性沥青中添加一定量的岩沥青，发现当 的岩沥青掺入 改性沥青中时，复合改性沥青的路用性能最佳；且在 改性沥青中添加一定量的岩沥青可显著改善沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，但一定程度上会损坏混合料的低温抗裂性。李书飞等 发现岩沥青的掺入使 改性沥青中沥青质含量增大，导致黏度增大，改性沥青混合料抗车辙能力和抗疲劳性能增强。综合考虑技术与经济因素并结合工程经验，推荐工程中使用 岩沥青 复合改性沥青混合料。李鑫等 发现应用较高掺量旧沥青路面材料（）时，采用 纳米 复合改性沥青会显著改善再生沥青混合料的抗裂性能。刘军等 采用表面改性纳米 和硅烷偶联剂作为改性材料，通过外掺改性沥青和湿法石料表面处理的方式，制备了一种综合性能优异的复合改性沥青混合料。童浩等 发现掺入高灰分 使得沥青混合料的高温性能显著提高，且高温性能等级提高了约。综上所述，岩沥青和纳米 对提升 改性沥青性能均具有一定的效果，但目前关于纳米 岩沥青 （）复合改性沥青的研究较少。为降低成本，减小 改性沥青中改性剂掺量，本文采用岩沥青和纳米 对低掺量 改性剂的沥青进行复配，并研究其相关性能。期袁亚军，等：纳米 岩沥青 复合改性沥青混合料性能研究 试验材料与方案 材料与改性沥青的制备 材料本文选用的纳米 基本参数如表 所示，岩沥青相关性能指标如表 所示，改性剂为 ，沥青选择 基质沥青，沥青基本性能指标如表 所示，掺量 改性沥青性能指标如表 所示。表 纳米 基本参数外观二氧化硅含量 平均粒度 表观密度（）比表面积（）白色粉末 表 岩沥青性能指标沥青含量 灰分含量 密度（）闪点加热损失含水量 表 基质沥青基本性能指标针入度（）（）软化点 延度（）旋转黏度（）（）质量损失 针入度比 表 改性沥青基本性能针入度（）（）软化点 延度（）旋转黏度（）（）质量损失 针入度比 复合改性沥青的制备比较了 和 对改性沥青流变性能的影响后，确定 纳 米 掺 量 为 ，岩 沥 青 掺 量 ，纳米 和岩沥青对沥青的低温性能均有负面影响。为了改善 改性沥青的低温性能，在 改性沥青中加入、和 的 改性剂，共有 组试验组，如表 所示。表 改性沥青组合组合简称 改性沥青 改性沥青 改性沥青 改性沥青 改性沥青 改性沥青 改性沥青由于 的比表面积大，很难在沥青中实现均匀分散。因此，采用 硅烷偶联剂对其表面进行处理。首先，加热基质沥青至流动状态，按照表的掺量将 、和 改性剂添入其中。然后在 下用玻璃棒手动搅拌 ，再以 的剪切速率高速剪切 。随后发育 ，获得改性沥青，对 组沥青的基本性能指标进行测试，结果如表 所示。从表 中可以发现，基质沥青的针入度最高，而其软化点和旋转黏度最低。当 和 （、和）添加到基质沥青中时，软化点和旋转黏表 改性沥青的基本性能指标沥青种类针入度（）（）软化点 延度（）旋转黏度（）（）质量损失 针入度比 延度（）基质沥青 测试方法 度都有所改善，但针入度降低，这表明这 种改性剂改善了沥青的硬度和高温稳定性。的结湖南交通科技 卷果也显示 和 增强了基质沥青的抗老化性能。同时，下的延度降低，表明其对低温抗变形能力有负面影响。与 改性沥青、改性沥青和 改 性 沥 青 相 比，改 性 沥 青（、和）具有更高的软化点、延度、旋转黏度和更低的针入度。配合比设计按照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）（以下简称 试验规程）中 要求，采用 级配进行设计，如表 所示，采用马歇尔设计方法确定最佳油石比，获得最佳油石比如表 所示。表 级配类别以下筛孔（）的通过百分率 级配范围 级配中值 合成级配 表 最佳油石比结果基质沥青 试验方法 车辙试验根据 试 验 规 程 进 行 了 车 辙 试 验（），以评估沥青混合料的高温稳定性。试验温度为 ，轮压为 。从试验中获得的主要参数之一是动稳定度（）。由于 反映的是变形稳定阶段的应变，而不是整个过程，因此同时也测试了总变形（），考虑了整个过程，但它更容易受到传感器精度的影响。因此，通过动稳定度和总变形对高温性能进行综合评价。低温弯曲小梁试验评估沥青混合料低温性能的试验很多，如低温弯曲小梁、弯曲蠕变、间接拉伸和收缩试验。根据实 验 室 现 有 设 备，选 择 低 温 弯 曲 小 梁 试 验（），以评估沥青混合料在 下的低温性能。根据 试验规程，梁的尺寸为 ，以 的速度加载。测量跨中截面的峰值荷载 和挠度 ，计算弯曲强度 和弯曲应变，以比较不同改性沥青混合料的低温性能。水稳定性试验选择浸水马歇尔试验（）和冻融劈裂试验（）来评估改性沥青混合料的水稳定性。在浸水马歇尔试验中，个马歇尔试样被分为两组。第 组测试在 水浴中浸水 ，第 组则在 水浴中浸水 ，然后进行马歇尔试验，计算残余稳定度。冻融劈裂试验也由 个试验组组成，一组在干燥条件下，另一组在 真空冷冻 ，然后冷冻组在 水浴中保温 ，随后，将所有试样在 水浴中保温。最后，进行劈裂试验，获得了拉伸强度比（），以评估其水稳定性。四点弯曲疲劳试验采用四点弯曲试验评估混合料的疲劳性能，试样为 矩形梁。归一化刚度疲劳寿命（）是 推荐的估算沥青混合料疲劳性能方法之一。在加载循环模量图中，峰值定义为归一化模量，可通过式（）计算。（）式中：是加载循环次数；是第 次荷载下的模量；表示 次；是第 次载荷下的模量。耐老化试验在 试验规程中，老化过程模拟如下：将未成型的沥青混合料在 的温度下加热并通风。由于老化过程主要影响混合料的低温性能和疲劳性能，因此对处理后的沥青混合料进行低温弯曲小梁试验和疲劳性能试验。成型好低温弯曲小梁试验和疲劳性能试验的试样后，将其置于通风烘箱中，在 的温度下放置 。试验结果分析 高温稳定性按照 碾 压 成 型 的 方 式 制 作 长 、宽 、厚 的车辙板试件，试验过程如图所示，试验结果如图 所示。可以发现，、期袁亚军，等：纳米 岩沥青 复合改性沥青混合料性能研究 和 改性剂的加入使沥青动稳定度增加，总变形减少。这是因为 吸收了沥青的轻质组分，将沥青类型从可溶性凝胶型转变为凝胶型。此外，增加了沥青的黏度，且与基质沥青具有良好的相容性，使得二者混合均匀。充当较小的填料，增加了结构沥青并改善了沥青和骨料之间的黏合性，从而提高了沥青混合料的高温稳定性。从图 还可以看出，和 沥青混合料的高温稳定性略差于 改性沥青混合料。与 改性沥青相比，复合改性沥青具有更高的动稳定度和更小的总变形。随着 掺量增加，抗高温永久变形能力不断提高。种沥青混合料的车图 车辙试验（）动稳定度（）总变形图 车辙试验结果辙等级为：基质沥青，复合改性沥青混合料具有较好的高温稳定性。低温抗裂性能低温弯曲小梁试件如图 所示，试验结果见图。从图 可以发现基质沥青混合料的弯拉强度和弯曲应变最低，而 沥青混合料最高。当沥青中添加 和 后，增强了沥青与集料的黏附力；图 低温弯曲小梁试件（）弯拉强度（）应变图 低温弯曲小梁试验结果湖南交通科技 卷此外，分散在混合料间隙中，建立了更稳定的结构体系，充当沥青混合料里的最小填料，因此，提高了沥青混合料在低温下抵抗变形的能力。必须注意到的是，含有 的改性沥青比 改性沥青具有更高的弯曲拉伸强度和弯曲应变。随着 掺量增加，改性沥青低温性能不断提高，与 时延度结果规律一致。然而，改性沥青的延度比复合改性沥青的延度更好，原因是在拉伸过程中 和 颗粒可能会导致应力集中。水稳定性能浸水马歇尔试验图如图 所示，图 为水稳定性试验结果，从图 可以发现，沥青混合料的水稳定性均高于未改性沥青混合料。粒径小，比表面积大，可以吸收更多的游离沥青，增加结构沥青的用量；加之 中的极性官能团，使得改性沥青混合料的水稳定性大大降低。表 为各种沥青图 浸水马歇尔试验的残留稳定度和拉伸强度比，从表 可以看出，分别含有 和 的 和 改性沥青混合料比 改性沥青混合料稳定性和拉伸强度比更优异，这些值都接近 。（）浸水马歇尔试验结果（）冻融劈裂试验结果图 水稳定性试验结果表 各种沥青的残余稳定度与拉伸强度比项目基质沥青 残余稳定度 拉伸强度比 疲劳特性图 为 试验机测试沥青混合料的四点弯曲疲劳试验图，试验结果见表 。从表 数据分析可以发现，沥青混合料的疲劳寿命最高，其次是 改性沥青混合料、沥青混合料、沥青混合料、沥青混合料以及 沥青混合料。与未改性沥青混合料相比，沥青混合料的疲劳寿命分别提高了 、和 。这是由于 中有许多极性官能团，如羟基和羧基，可以显著增强与沥青的结合力。用作较小的填料，可以提高与骨料的黏合强度。所有上述因素都提高了混合料的疲劳性能。此外，含 的 沥青混合料具有与 改性沥青几乎相同的疲劳寿命值。随着 增加，沥青混合料疲劳寿命不断提高。抗老化性能耐老化试验结果如表 所示，基质沥青混合料、改性沥青混合料和 沥青混合料老期袁亚军，等：纳米 岩沥青 复合改性沥青混合料性能研究图 四点弯曲疲劳试验化后的弯曲抗拉强度与未处理试样相比分别提高了 、和 ，弯曲应变分别降低了 、和 。根据以上分析，老化后的低温性能排序为 改性沥青 基质沥青混合料。复合改性沥青混合料老化后的低温性能优于 改性沥青混合料。从疲劳寿命的变化来看，沥青混合料的疲劳寿命最高，其次是 改性沥青混合料、沥青混合料、沥青混合料、沥青混合料、沥青混合料和表 四点弯曲疲劳试验结果混合料类型初始模量 疲劳寿命 次混合料类型初始模量 疲劳寿命 次基质沥青混合料 沥青混合料 改性沥青混合料 沥青混合料 沥青混合料 沥青混合料 沥青混合料 沥青混合料 表 耐老化试验结果混合料类型拉伸强度 应变 疲劳寿命 次老化前老化后老化前老化后老化前老化后基质沥青混合料 改性沥青混合料 改性沥青混合料 改性沥青混合料 改性沥青混合料 改性沥青混合料 改性沥青混合料 改性沥青混合料 沥青混合料，基质沥青混合料的疲劳寿命最小。当改性沥青混合料含有超过 的 时，老化后的疲劳性能相当于 的 改性沥青混合料。这可能是因为 经历了长时间的沉淀硬化，老化后具有更稳定的性能。除此之外，的稳定分散性和 的黏度特性也提高了沥青混合料的抗老化性能。结论）沥青基本性能试验结果表明，具有较高的软化点、延度、旋转黏度，的加入提高了改性沥青的变形性、稳定性和抗老化性能。）根据车辙试验结果，、和 种改性剂均能提高沥青混合料的抗车辙性能。且 和 混合料比 改性沥青混合料具有更高的动态稳定度和更小的总变形，复合改性沥青混合料的高温性能优于 改性沥青混合料。）从低温弯曲小梁试验和水稳定性试验结果来看，的弯曲抗拉强度、弯曲应变、稳定性和抗拉强度比最大，而基质沥青混合料的最小。当 用量 时，复合改性沥青混合料比 改性沥青混合料具有更高的低温抗裂性和水稳定性。）、和 的加入均能改善沥青混合料的疲劳性能，且 沥青混合料的疲劳性能和耐老化性能最好。的稳定分散、的极性官能团和 的黏度特性提高了复合改性沥青混合料的抗老化性能。（下转第 页）期吴愈建，等：低成本路面养护技术在地方公路的应用研究 结论）为保证 沥青混合料的密实型，建议室内成型击实次数为 次，在此基础上采用马歇尔试验方法确定了 沥青混合料最佳油石比为 。）室内试验表明，沥青混合料具有良好的高温性能、低温性能和水稳定性。）工程应用研究表明，沥青路面的平整度、渗水系数和抗滑性能均满足规定要求。参考文献：王佩卿，呙润华，周游佳，等 公路快速养护技术的应用研究 公路工程，（）：郭晶，张军，靳明，等 精表处技术在公路沥青路面预防性养护中的应用研究 公路工程，（）：，王向峰，雍黎明 公路沥青路面预防性养护路况标准与时机决策研究 公路工程，（）：，李闯民，王涛 基于 车辙深度的 沥青混合料体积参数的标准 公路交通科技，（）：李闯民，李元元，邬镇伦 热拌沥青混合料薄层罩面 及设计技术问题 公路，（）：王涛，李闯民 薄层罩面 沥青混合料体积参数试验研究 公路，（）：李睿，傅琴 改进型薄层罩面 沥青混凝土性能室内试验研究 西部交通科技，（）：陈云耀，李睿 热拌薄层 沥青混合料体积参数及矿料级配范围研究 公路与汽运，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）参考文献：何兆益，陈龙，冉龙飞，等 耦合老化条件下沥青性能与分子结构特征分析 长安大学学报（自然科学版），（）：孙璐，辛宪涛，于鹏 纳米 改性沥青混合料的路用性能 公路交通科技，（）：韩明哲，李祖仲，赵泽鹏，等 改性沥青老化及防老化研究进展 科技导报，（）：王玉华，孙拴虎 纳米 改性纤维增强普通硅酸盐水泥 硫铝酸盐水泥复合材料早期性能及微观结构 硅酸盐通报，（）：，祝文强，曾梦澜，吴国荣，等 生物沥青 岩沥青复合改性沥青混合料的使用性能 公路交通科技，（）：陈文甫 岩沥青 复合改性沥青混合料路用性能研究 交通世界，（）：李书飞，徐世法，高玉梅，等 岩沥青对 复合改性沥青混合料路用性能的影响评价 石油沥青，（）：李鑫，余红杰 纳米 复合改性再生沥青混合料抗裂性能研究 城市道桥与防洪，（）：，刘军，孙明志，常荣华 偶联剂 改性纳米 复合改性沥青混合料性能评价 公路交通科技（应用技术版），（）：童浩，金光来，豆莹莹 高灰分天然岩沥青与 复合改性沥青混合料配合比设计及性能研究 公路工程，（）：，：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 （上接第 页）为 时达到最大值。参考文献：周刚，王庆，孙潜，等聚酯纤维温拌再生沥青混合料性能及压实温度研究 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：张勤玲，杨保存，王荣，等玄武岩纤维改善再生沥青混合料路用性能研究 公路工程，（）：，董德全高掺配率 型温拌再生沥青混合料组成设计与路用性能评价 中外公路，（）：吕玉蓉，袁盛杰，廖亚雄，等掺有 及钢纤维的温拌沥青混合料力学性能研究 武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：，张荣，王彬复掺芳纶纤维和玻璃纤维再生沥青混合料路用性能研究 硅酸盐通报，（）：王玉林，卢东，徐宁木质素纤维对再生透水沥青混合料路用性能研究 公路，（）：董吉福抗剥落剂和纤维对热（温）再生沥青混合料水稳定性及抗裂性能的影响 公路工程，（）：王国方，李波，肖鹏，等玄武岩纤维再生沥青混合料抗裂性能分析 扬州大学学报（自然科学版），（）：李超，潘科，王岚基于逐级加载的弯曲蠕变试验分析沥青混合料低温开裂性能 中南大学学报（自然科学版），（）：闫科伟，苏鑫，朱月风，等沥青混合料低温抗裂性能分析及断裂过程模拟 广西大学学报（自然科学版），（）：