火山灰SBS复合改性沥青混合料路用性能及改性机理研究

韩 娟

(郑州科技学院， 河南， 郑州 450064)

火山灰SBS复合改性沥青混合料路用性能及改性机理研究

韩 娟

(郑州科技学院， 河南， 郑州 450064)

研究火山灰作为填料型沥青改性剂的技术可行性，提出采用火山灰等量替代矿粉与SBS改性剂进行复配，并基于车辙、低温弯曲、冻融劈裂和三分点加载疲劳试验研究了火山灰SBS改性沥青混合料的综合路用性能，同时揭示了火山灰对SBS改性沥青混合料的改性机理。试验结果表明：火山灰等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的高温稳定性提高幅度最大可达36%，混合料水稳定性和低温抗裂性显著提高，火山灰SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达40%，用火山灰等量替代矿粉作为沥青混合料的改性剂是可行的。

路面工程； 火山灰； 复合改性沥青混合料； 路用性能； 改性机理

0 前言

近20 a来，我国公路建设发展迅速, 沥青路面无论在建设标准、规模和技术水平各个方面都取得了举世瞩目的成就[1-4]，但在复杂多变的自然条件和超载重载交通的综合作用下，沥青路面也出现了不同形式的病害，如高温车辙、低温开裂及水损坏等，尤其是寒冷地区病害尤为突出[5-7]。不断加厚的沥青面层来减少路面裂缝，但只抑制了裂缝出现时间，对减少裂缝的作用并不明显，单一改性沥青对沥青性能的提高有一的局限性，但对于一些地区来说，道路环境通常要经历-40～40 ℃的温度变化。现有的改性技术很难满足上述温度的要求。因此，国内开展了复合改性沥青材料的相关研究，如橡胶/SBS复合改性沥青，硅藻土纤维复合改性、胶粉和PE复合改性、岩沥青与BRA复合改性、复合纤维改性沥青混合料等[8-16]，并取得成效。随着矿物材料技术的发展，一些粉体矿物材料在沥青混合料中的应用已从单一的结构填充拓展到功能增强，起到了改性剂的作用。如硅藻土、炭黑、硫磺等矿物填料，但由于受提纯技术、材料来源、环保等方面的原因[15]，没有得到大规模的推广应用。火山灰是一种天然的建筑材料，是火山喷发时的熔岩碎屑和粉尘沉积在地表面形成的物质，在我国，火山灰资源十分丰富，现有火山600多座，主要分布在黑龙江、吉林、辽宁等地，仅吉林省火山灰储存量就达几十亿立方米，若能用于高速公路建设和作为公路养护材料，其经济效益相当可观。目前国内鲜见关于火山灰改性沥青混凝土方面的研究报道，以至于火山灰能否作为沥青混合料的改性剂及其改性效果等问题仍处于探索阶段，本文研究火山灰作为填料型改性剂改性沥青的技术可行性，研发了火山灰作为新型沥青改性剂，提出采用火山灰等量替代矿粉，以提高沥青路面使用质量，实现绿色、循环、低碳的公路建设目标。

1 原材料

为了使研究成果具有代表性，本文选用了4种不同产地的火山灰(见表1)，其分别为黑龙江五大连池(火山灰Ⅰ)、云南腾冲火山(Ⅱ)、新疆阿什库勒火山(Ⅲ)、长白山白头山(Ⅳ)，相比石灰岩矿粉，火山灰的总体粒度小于矿粉，比表面积最大为矿粉的34倍，火山灰材料中含有Si、Al、K、Na、Ca和Mg等多种元素以及有少量过渡性的金属元素如Fe、Ti、Mn、Cu、V和Zn，元素种类及含量的不同，势必影响火山灰与沥青的作用效果。SBS改性沥青为壳牌石油公司生产的成品SBS改性沥青(I-C)，经检测SBS改性沥青各项技术指标均满足规范要求，试验选用的粗集料为辉绿岩，细集料为机制砂，矿粉由石灰岩磨制而成[17]。

表1 4种类型火山灰材料性能检测结果平均值Table1 Fourtypesofvolcanicashmaterialpropertiestestresults比表面积/(g·m-2)吸附脱附性过渡金属元素含量/%K2O、Na2O含量/%4．1具有吸附性5．74．2

2 火山灰SBS复合改性沥青混合料配合比 设计

为了进一步发挥胶浆的性能，确定混合料合成级配时降低了1.18～0.075 mm筛孔档细集料用量，以增大火山灰沥青胶浆比例，混合料合成级配见表2。按照现行施工规范要求[17]，以马歇尔法确定火山灰SBS改性沥青混合料的最佳沥青用量，试验时根据合成级配的要求逐档添加筛分档的集料，按照矿粉质量百分比采用火山灰等量替代矿粉，成型马歇尔试件时控制矿料加热温度为190 ℃，沥青混合料拌合温度175 ℃，马歇尔试件击实温度165 ℃，通过对标准马歇尔试件物理指标、力学指标的测定，得出马歇尔试验结果见表3所示。

表2 AC—16混合料级配Table2 AC—16mixturegradation筛孔尺寸/mm通过率/%级配上限级配下限合成级配1910010010016901009613．2769285．69．5608069．94．75346249．02．36204834．21．18133625．60．692616．90．371811．40．155149．00．075487．6

表3 火山灰SBS改性沥青混合料马歇尔试验结果Table3 VolcanicashandSBSmodifiedasphaltmixturemarshalltestresults填料类型油石比/%毛体积密度/(g·cm-3)石灰岩矿粉4．542．422火山灰Ⅰ号4．692．435火山灰Ⅱ号4．722．439火山灰Ⅲ号4．662．433火山灰Ⅳ号4．652．448VMA/%VV/%VFA/%MS/kNFL/mm15．364．073．9611．753．615．144．073．5812．263．515．194．073．6712．433．715．104．073．5111．963．415．224．073．7212．653．3

配合比设计结果表明，采用火山灰等量替代矿粉后，复合改性沥青混合料的最佳油石比增大0.1%～0.2%，4种类型的火山灰SBS改性沥青混合料毛体积密度、马歇尔稳定度均大于SBS改性沥青混合料，而矿料间隙率(VMA)、空隙率(VV)、沥青饱和度(VFA)与SBS改性沥青混合料相差不大。

3 路用性能

3.1 高温稳定性

高温稳定性是在高温、反复车轮荷载作用下，沥青混合料抵抗永久变形的能力。由于沥青混合料的抗变形能力很大程度上受环境温度的影响，为了针对我国部分地区夏季高温持续时间长，特增加了70 ℃车辙试验，此外，为了得到不同温度下火山灰SBS改性沥青混合料的高温车辙试验对温度的敏感性，特增加了40 ℃车辙试验。按照表4最佳沥青用量试验结果拌合并成型300 mm×300 mm×50 mm的标准车辙板试件，分别在40、50、60、70 ℃的恒温烘箱中保温6 h，车辙试验轮压为0.7 MPa，试验胶轮行走速度为42±1次/min，试验轮的行走方向与成型车辙板时的碾压方向一致[18]，车辙试验动稳定度的对数与试验温度线性拟合结果图1。

图1 不同试验温度火山灰SBS改性沥青混合料车辙试验结果Figure 1 Volcanic ash and SBS modified asphalt mixturerut results with different test temperature

图1拟合结果表明:与SBS改性沥青混合料相比，相同试验温度下火山灰SBS改性沥青混合料的车辙试验稳定度普遍提高，且不同火山灰对SBS改性沥青混合料高温性能的提高程度不同，60 ℃动稳定度提高最大幅度达36%，其中40、50 ℃时火山灰Ⅱ号动稳定度最大，60、70 ℃时火山灰Ⅲ号动稳定度最大，以车辙试验动稳定度的对数与试验温度之间的线性拟合曲线斜率作为火山灰SBS改性沥青混合料感温性评价标准，4种火山灰SBS改性沥青混合料的拟合曲线斜率均明显小于SBS改性沥青混合料，可见其高温稳定性随温度的变化规律的敏感性弱于SBS改性沥青混合料。分析其主要原因， ①火山灰的加入改变了SBS改性沥青的胶体结构，使得沥青混合料中沥青的粘度变大，从而提高了混合料的高温稳定性；此外，火山灰中的过渡金属元素阳离子与沥青中的极性官能团发生反应生成配位络合物，活性氧化物Na2O和K2O的存在有利于火山灰与沥青酸和沥青酸酐发生酸碱反应以及火山灰反应，改善了SBS改性沥青的温度敏感性； ②火山灰与沥青共混后，硫化物与沥青的交联反应，在一定温度下，火山灰中硫分解生成活性较大的硫自由基，能够夺取沥青中的氢原子，沥青分子链产生自由基，产生自由基耦合形成交联键，使沥青分子链从二维结构变为三维网状结构，从而改善沥青的抗变形能力。

3.2 低温抗裂性

低温开裂是我国沥青混凝土路面主要的破坏形式之一，严重影响了道路的使用寿命和行车舒适性，按现行施工规范要求以低温小梁弯曲试验评价火山灰SBS复合改性沥青混合料的低温抗裂性。试验时根据JTG E20 — 2011中的要求成型车辙板，切割为30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件，试验温度为-10 ℃，试验时采用单点加载方式，支点间距为200 mm，加载速率为50 mm/min，一组三个平行试件，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表4。

(1)

(2)

(3)

式中：RB为试件破坏时的抗拉强度，MPa；Fmax为最大荷载，N；h、d、L分别为试件的高、宽、跨径，mm 。

4种不同类型火山灰SBS改性沥青混合料低温抗裂性试验结果见表4所示。

由低温弯曲试验结果可知，相比SBS改性沥青混合料，采用火山灰等量替代矿粉后4种复合改性沥青混合料的抗弯拉强度普遍增大4.6%～9.2%，低温弯拉应变指标明显大于SBS改性沥青混合料，尤其掺加火山灰Ⅳ号后复合改性沥青混合料低温弯曲指标提高幅度达21%，可见采用火山灰与SBS复合改性方案可显著提高沥青混合料的低温抗裂性。

表4 火山灰SBS改性沥青混合料小梁低温弯曲试验结果Table4 VolcanicashSBSmodifiedasphaltmixturetrabecularlow⁃temperaturebendingresults填料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa石灰岩矿粉12．053435．973492．46火山灰Ⅰ号12．603773．573339．01火山灰Ⅱ号13．173905．683372．01火山灰Ⅲ号12．793867．073307．41火山灰Ⅳ号12．864164．763087．81

分析火山灰对SBS改性沥青混合料的低温抗裂性的影响： ①相比矿粉颗粒，火山灰的比表面积较大，对沥青的吸附能力强，增加了复合改性沥青混合料的沥青膜厚，混合料柔性提高，且火山灰颗粒表面粗糙，有许多凸起的粒子，并形成间隙孔隙，具有活性吸附能力的内孔隙结构，有利于沥青分子进入，在外力作用下，火山灰内部的空隙对自由沥青起到缓冲作用，使混合料内部的沥青油膜处于比较稳定的状态； ②扫描电镜图像显示，火山灰颗粒表面存在褶皱和突起，使火山灰表面充分润湿，填料表面构造是影响润湿性的重要因素，填料表面越粗糙，沥青在其表面的润湿效果就越好，火山灰的加入提高了沥青与集料之间粘附性和握裹力，克服了结构沥青和集料颗粒之间的错位与滑移，将颗粒产生的单轴应力转移到其它基体上，同时均匀分散的火山灰在裂尖处起到了锚固和桥接作用，延缓裂缝的产生，约束裂纹的扩展，增加沥青混凝土的整体性。③如图2所示，火山灰表面的间隙孔使沥青分子和SBS分子的PE端产生桥接，起到机械嵌固作用，增强SBS沥青胶浆的空间网络结构，充分发挥高分子链“熵弹性”的作用，增加了胶浆低温下的柔韧性和延展性。

图2 火山灰对SBS的改性沥青混合料的改性机理示意图Figure 2 The modification mechanism of volcanic ash on SBSmodified asphalt mixture

3.3 水稳定性

现行规范要求采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验时成型标准马歇尔试件(正反75 次/面)，分成两组，一组放置在60 ℃水浴中保温48 h测其稳定度，另外一组放置在60 ℃水浴中保温30 min测其稳定度，以两组马歇尔试件稳定度平均值的比值，也就是残留稳定度作为评价指标。冻融劈裂试验采用击实法成型马歇尔试件(正反50次/面)，分成两组，一组放置在25 ℃水浴中保温至少2 h测其劈裂强度，另一组先在25 ℃水中0.09 MPa真空压力下饱水15 min，常压下浸泡30 min，之后放入-18 ℃±2 ℃的冰箱中冷冻16 h±1 h，再放入60 ℃恒温水浴中保温24 h，最后放入25 ℃水浴中浸泡至少2 h后测其劈裂强度，以两组试件劈裂强度平均值的比值作为评价指标(试验结果见表5)。

表5 火山灰SBS改性沥青混合料水稳定性试验结果Table5 volcanicashandSBSmodifiedasphaltmixturewaterstabilitytestresults填料类型冻融劈裂试验浸水马歇尔试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%石灰岩矿粉11．7510．6790．81．2391．06986．3火山灰Ⅰ号12．2611．3292．31．2791．13188．4火山灰Ⅱ号12．4311．6593．71．2861．16690．7火山灰Ⅲ号11．9611．3094．51．2641．15591．4火山灰Ⅳ号12．6512．2696．91．2991．22594．3

表5试验结果表明:火山灰等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的浸水前后劈裂强度和马歇尔稳定度均明显增大，冻融劈裂强度比和残留稳定度两个评价指标均高于SBS改性沥青混合料，不同种类火山灰对SBS改性沥青混合料水稳定性的改善程度略有差异，但总体而言，火山灰可改善沥青混合料的水稳定性。火山灰对SBS改性沥青混合料水稳定性的改性机理在于，掺加火山灰后沥青中的极性官能团与过渡性金属元素Fe3+、Ti4+、Mn4+、Cu2+、V5+、Zn2+发生络合反应形成配位键，从而改善SBS改性沥青的性质，沥青酸羧基(COOH) 中的氢与火山灰中金属阳离子Ca2+、K+、Na+反应，形成不溶于水的高价沥青酸盐，促进了与沥青的结合，提高沥青混合料和水稳定性。

3.4 火山灰SBS改性沥青混合料疲劳性能

通常采用2种研究方法研究沥青混凝土的疲劳破坏规律，即现象学法和力学近似法，现象学法采用疲劳曲线来表征材料的疲劳特性，侧重于研究裂缝形成的机理以及应力、应变与疲劳寿命之间的关系和各种因素对疲劳寿命和疲劳强度的影响，试验操作方便，是目前普遍采用的沥青混凝土疲劳性能行研究方法。本部分试验采用三分点加载小梁疲劳试验研究火山灰SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能，小梁试件尺寸为40 mm×40 mm×350 mm，试验温度为15 ℃，加载波形为连续式正弦波，加载频率为10 Hz，加载速率为50 mm/min，弯曲疲劳试验选用0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力比，加载模式为控制应力方式(控制应力的疲劳试验就是在重复加载的疲劳试验过程中，保持应力不变，以试件的疲劳断裂作为疲劳破坏的准则，达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命)，试验结果如图3所示。

图3 火山灰SBS改性沥青混合料双对数疲劳方程拟合图Figure 3 Volcanic ash SBS modified asphalt mixture doublelogarithm fatigue equation fitting

疲劳试验结果表明，火山灰等量替代矿粉后，火山灰与SBS复合改性沥青混合料的疲劳曲线双对数拟合曲线截距K增大，曲线斜率n值减小，K值表明了疲劳曲线的线位高低，K值越大，疲劳曲线的线位越高，材料的抗疲劳性能越好；n值越大，疲劳曲线越陡，表明疲劳寿命对应力水平的变化越敏感，可见火山灰改善了SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能，同时降低了混合料疲劳寿命对应力水平的敏感性。此外与SBS改性沥青混凝土相比，火山灰SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达40%，具有良好的抗疲劳特性。

4 试验路铺筑

本课题依托长白旅游公路路面工程四合同段，项目起点桩号为K53+100，终点桩号为K73+369，主线全长共20.269 km。采用全封闭、四车道高速公路标准，设计行车速度为100 km/h，主线整体式路基宽24.5 m，分离式路基宽12.25 m。主线、互通匝道上面层采用4 cm厚细粒式SBS改性沥青混凝土AC — 13C，中面层采用6 cm厚细粒式SBS改性沥青混凝土AC — 20C，下面层采用12 cm厚密级配沥青稳定碎石ATB — 30，基层采用17 cm厚水泥稳定碎石，底基层采用16 cm厚水泥稳定碎石。其中，在起点桩号为K72+750，终点桩号为K80+250的路段按照复合改性方法，采用长白火山灰等量替代矿粉对上面层采用4 cm厚火山灰SBS改性沥青混凝土AC — 13C，中面层采用6 cm厚火山灰SBS改性沥青混凝土AC — 20C，下面层采用12 cm厚密级配沥青稳定碎石ATB — 30。采用火山灰等量替代矿粉，不仅节约了施工成本，而且压实度、平整度等各项指标均符合设计要求，通过长达3 a的试验路检测该法有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，可见采用火山灰SBS改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著。

5 结论

① 通过系统的研究和试验路使用性能检测研究，证明了采用火山灰等量替代矿粉作为沥青混合料的改性剂是可行的。

② 相比矿粉SBS改性AC～16混合料，火山灰SBS改性沥青混合料具有优良的高温稳定性，60 ℃动稳定度提高最大幅度达36%，火山灰等量替代矿粉后复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度随温度的变化规律的敏感性弱于SBS改性沥青混合料。

③ 采用火山灰等量替代矿粉后复合改性沥青混合料的抗弯拉强度普遍增大4.6%～9.2%，低温弯拉应变指标明显大于SBS改性沥青混合料，采用火山灰与SBS复合改性方案可显著提高沥青混合料的低温抗裂性。

④ 火山灰等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的浸水前后劈裂强度和马歇尔稳定度均明显增大，冻融劈裂强度比和残留稳定度两个评价指标均高于SBS改性沥青混合料，火山灰可改善SBS改性沥青混合料的水稳定性。

⑤ 火山灰SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达40%，采用火山灰等量替代矿粉技术降低了混合料疲劳寿命对应力水平的敏感性。

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Study on volcanic ash and SBS Composite Modified Asphalt Mixture Road Performance and Modification Mechanism

HAN Juan

(Zhengzhou University of Science and Technology, Zhengzhou, Henan 450064, China)

To study The technical feasibility of the volcanic ash as the filler type asphalt modifier, Ash amount is proposed instead of mineral powder with SBS modifier for modifier, And based on rutting, low temperature bending, freeze-thaw splitting and three point loading fatigue test to study the road performance of volcanic ash and SBS modified asphalt mixture, at the same time reveals the modification mechanism of volcanic ash on SBS modified asphalt mixture. results show that： after the volcanic ash amount instead of mineral powder, high temperature stability of SBS modified asphalt mixture increase up to 36%, the mixture water stability and low temperature crack resistance increased significantly, the volcanic ash SBS composite modified asphalt mixture fatigue life under different stress level are higher than common SBS modified asphalt mixture, the fatigue life of increase rate of 40%, ash equivalent substitute mineral powder was used as modifier of asphalt mixture is feasible.

road engineering； road engineering； volcanic ash； composite modified asphalt mixture； road performance； modification mechanism

2015 — 06 — 11

国家自然科学基金项目(51301023)

韩 娟(1980 — )，女，河南商丘人，硕士，讲师，从事岩土工程研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0256 — 06