掺硅微粉沥青混凝土的路用性能研究

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(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 宁夏银川750021；2.中交基础设施养护集团有限公司， 北京100000；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心， 宁夏银川750021；4.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心， 宁夏银川750021)

0 引言

据统计，2017年我国公路新增里程6 000多km，2018年公路新增里程将达到5 000 km，尤其对正处于建设中的西北地区，公路网尚未完善，高速公路仍处于大规模的建设状态。西北地区由于其特殊的气候环境对公路性能有更高要求，西北地区冬季气温低，对沥青路面的低温性能有更高要求，由于夏季日照强度较高对沥青路面的高温性能以及抗老化性能又有较高要求，因此为满足西北地区公路建设要求并考虑经济性，需探究一种合适本地区的外加剂来提高其路用性能。

我国沥青混凝土研究的学者对不同外加剂进行了很多研究：马士宾等[1]通过试验研究，在沥青混凝土中掺加0.4 %的铸造废砂等质量的替代0～5 mm集料，可保证沥青混凝土的路用性能；李祉颉等[2]将矿粉用Cv/Cs相对浓度等于或者接近临界浓度1.0的纤维素灰代替矿粉，通过试验对比验证了其可以提高沥青混凝土45.3 %～48.6 %的抗老化性；为解决城市垃圾问题，谭巍等[3]通过分析城市生活垃圾焚烧飞灰的物理性能以及对沥青混凝土的影响，飞灰掺量(质量分数)为2 %的沥青混凝土其路用性能满足规范要求；韩民等[4-6]分别从玄武岩纤维、消石灰和玻璃纤维三个方面研究了对提高沥青混凝土耐久性的影响因素，主要有掺量、长度和种类；CELAURO等[7]研究发现玄武岩纤维改性沥青混合料的抗永久变形性能比传统混合物好。SOCRATES等[8]通过研究不同含量粉煤灰微硅纤维对微硅水泥的性能、微观结构和水化性能的影响得出：在低含量(15 %)时，各项性能均满足规范要求，含量超过30 %时，其碱度和水化性能明显下降，所以含量为15 %～30 %时碱度和水化性能较好；JIA等[9]利用XRD和SEM技术，对掺加微硅和未加微硅的白炭黑结合铝土矿—红柱石基浇注料进行了抗热强度和抗震性能的比较，结果表明高温时掺加微硅的浇注料容易形成莫来石；陈伟等[10]通过掺加不同量的硅微粉取代水泥，分析了其对复合浆体流变性能的影响，在掺量为10 %时复合浆体的屈服应力、塑性粘度最小和流变性最好；杜中燕等[11]用硅微粉部分代替钛白粉，施工工艺为70 kN喷涂电压、180 ℃固化温度和20 min固化时间，发现硅微粉的添加提高了漆膜的硬度、冲击力和耐磨性，降低了生产成本；为研究硅微粉对黄土和盐渍土的影响，李宏波等[12-13]将2 %的水泥和10 %的硅微粉掺加到黄土和盐渍土中，通过三轴试验和冻融三轴试验最终得出：相较于素土，黄土和盐渍土的抗剪强度均有提高。

硅微粉因其耐温性、耐腐蚀性、高导热系数、化学性能稳定和硬度大等优良性能被广泛应用于工业建筑、电子工业和耐火材料等领域，目前国内外有很多研究表明硅微粉对建筑材料的性能有明显提高，并且在西北地区硅微粉产量较高，但目前国内外对掺硅微粉沥青混凝土的研究比较少，因此需要探究硅微粉对沥青混合料性能的影响，以0、0.3 %、0.5 %、0.7 %和0.9 %掺量的中性硅微粉作为外加剂，探究硅微粉对沥青混合料性能的影响，为硅微粉作为沥青混凝土外加剂的设计提供依据和参考。

1 原材料性能及配合比设计

1.1 原材料性能

试验采用90#基质石油沥青，依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[14]的相关技术要求，严格按照试验规范流程对沥青的延度、软化点、针入度、60 ℃动力粘度和针入度指数各项指标进行测定，测定结果见表1。

表1 沥青技术指标Tab.1 Asphalt technical indicators

试验所用集料经检测各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。硅微粉是一种比表面积大，活性高的火山灰物质，因其优良的性能，被广泛用于化工、电子、电器、塑料、油漆、橡胶和国防等领域中。硅微粉的种类可分为普通、电工级、电子级、超细和“球形”硅微粉。试验采用200目的普通硅微粉，其比表面积大质地轻，同时价格低廉，在工程应用中具有良好的经济性。物理指标见表2，硅微粉的主要化学成分为SiO2，结构为非结晶相无定形的圆球状颗粒。

表2 硅微粉物理指标Tab.2 Physical indicators of silicon powder

1.2 配合比和最佳沥青用量的确定

本试验采用AC-13沥青混凝土，配合比设计依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中配合比设计的中值法进行调整确定，矿料级配见表3，矿料级配曲线如图1所示。

表3 矿料级配Tab.3 Mineral grading

图1 AC-13矿料级配曲线Fig.1 AC-13 mineral grading curve

根据经验以0.5 %间隔增长，在3.5 %～5.5 %范围内确定该级配的油石比，共采用5个不同的油石比制作马歇尔试件。试验方法严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[15]执行，采用165 ℃的拌和温度，150 ℃的压实温度，沥青混合料双面击实各75次，成型试件冷却至室温(不少于12 h)，脱模后测定毛体积相对密度并采用真空法测出沥青混合料的最大理论密度，计算空隙率、矿料骨架间隙率和有效沥青饱和度等指标。在60 ℃恒温水浴中浸泡0.5 h后测定试件的马歇尔稳定度及流值，根据结果绘制油石比与各技术指标的关系曲线，如图2所示。根据油石比与技术指标间的关系确定出最佳沥青用量。

(a) 毛体积相对密度与油石比关系

(b) 空隙率与油石比关系

(c) 有效沥青饱和度与油石比关系

(d) 稳定度与油石比关系

(f) 矿料间隙率与油石比关系

根据试验结果确定最佳沥青用量的初始值为5.00 %，最佳沥青用量中值为4.89 %，由此确定出最佳沥清用量为4.95 %。为分析硅微粉对沥青混凝土的影响，分别掺加占矿料质量0、0.3 %、0.5 %、0.7 %、0.9 %的硅微粉，通过试验研究不同掺量硅微粉沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。

2 试验结果与分析

2.1 高温稳定性

根据确定的级配及最佳沥青用量，采用轮碾法成型试件并对其进行车辙试验，通过车辙试验分析不同掺量的硅微粉对AC-13沥青混凝土高温稳定性的影响，郭瑞等[16]通过试验研究认为温度对沥青混合料高温稳定性影响较大，在试验操作中对温度要进行严格的控制，在车辙作用下避免温度过高造成沥青混合料的破坏影响试验结果，试验结果见表4。

表4 不同掺量下的动稳定度Tab.4 Dynamic stability under different dosages

图3 硅微粉不同掺量下的动稳定度趋势Fig.3 Trend of dynamic stability of silicon powder under different dosages

由表4试验结果和图3的趋势图可以看出，随着硅微粉掺量的增加，AC-13沥青混凝土在45 min时的变形量呈逐渐减小趋势，60 min最终累积变形量与45 min变形量之差几乎为零；动稳定度(DS)随着硅微粉掺量增加呈逐渐增大的趋势，由于硅微粉莫氏硬度为7，比表面积较大，能够在沥青混凝土中均匀填充集料间的空隙，有效提高了沥青混合料的硬度，在反复碾压后的抗车辙效果良好，与未掺加硅微粉的沥青混凝土相比较，硅微粉沥青混凝土的高温稳定性得到了增强。

2.2 低温抗裂性

在我国北方地区，沥青路面在寒冷季节开裂现象处处可见，为研究硅微粉对沥青混凝土低温抗裂性的相关影响，试验机采用试验温度(-10±0.5)℃，加载速率1 mm/min，泊松比μ取值为0.25，对AC-13沥青混凝土的低温抗裂性能进行评价。在沥青用量为4.95 %的条件下，不同的硅微粉用量对沥青混凝土的稳定度(MS)和流值(FL)见表5，混凝土表处劈裂强度产生的影响如图4所示。

图4 硅微粉掺量对低温抗裂性能的影响Fig.4 Effect of silicon powder content on low temperature crack resistance

表5 掺加硅微粉的混凝土的稳定度和流值Tab.5 Stability and flow value of concrete with silicon powder

由图4硅微粉掺量对低温抗裂性能的影响可知，在沥青用量一定的情况下，随着硅微粉掺量的增加，沥青混凝土表面处在-10 ℃达到最大，劈裂强度为0.88 MPa；硅微粉掺量为0.9 %时，劈裂强度值最小，主要原因是硅微粉可以提高沥青混合料的密实性，掺量较少时可以有效提高沥青混凝土的低温抗裂性，但含量过高时，一方面硅微粉过大的比表面积会增大对沥青的吸附，致使吸附在集料上的沥青膜较薄粘结性较差，另一方面硅微粉形态为圆形，其阻力较小，在试验加载条件下圆形颗粒的硅微粉容易与集料产生剥离，影响沥青混凝土的粘结性，导致硅微粉沥青混凝土的低温抗裂性能降低。

2.3 水稳定性

水稳定性主要研究路面水在冻融循环过程中对沥青混凝土产生的破坏影响，按照规程中沥青混凝土冻融劈裂试验，对AC-13沥青混凝土试件进行冻融劈裂试验，测定沥青混凝土试件在受到水作用前后劈裂破坏的强度比，试验结果见表6。

表6 掺加硅微粉的混凝土冻融劈裂强度Tab.6 Freeze-thaw splitting strength of concrete with silicon powder

图5 不同条件下的劈裂强度变化Fig.5 Variation of splitting strength under different conditions

由表6的试验结果和图5中强度变化趋势可知，随着硅微粉掺量增加沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度比呈现逐渐减小趋势，主要是由于硅微粉具有一定的保水性，通过恒温水箱的养护后其保水性会对马歇尔试验产生不利影响，硅微粉掺量越大影响越大。硅微粉掺量在0.9 %时，冻融劈裂抗拉强度比为66.7 %，在不同掺量的冻融劈裂抗拉强度比值中最小。

考虑硅微粉在形成过程中受到张力的影响，表面形成了较为光滑的非结晶无定形圆球状颗粒，为保证硅微粉在沥青混凝土中充分发挥作用及确定最佳掺量，在试验中增加了肯塔堡飞散试验，通过肯塔堡飞散试验研究硅微粉对集料和矿粉之间粘结性的影响，试验方法采用沥青混合料肯塔堡飞散试验，技术要求参照SMA混合料肯塔堡飞散试验，其试验结果见表7。

图6 不同掺量下的飞散损失Fig.6 Separation loss under different dosages

表7 肯塔堡飞散试验损失量Tab.7 Loss of the cantabro test

图6为硅微粉在不同掺量下飞散损失的变化趋势图，通过肯塔堡飞散试验，验证了硅微粉形态对沥青混凝土集料间粘结性的影响，由图6中的变化趋势可以看出：随着硅微粉掺量的增加，沥青混凝土试件的损失量不断增加。原因主要是沥青混凝土在拌和时，硅微粉出现了结团现象，在30～33 r/min的转速下旋转300转时，结团的硅微粉在循环撞击下加剧了沥青混凝土的剥落，降低了沥青混凝土的粘结性。

3 结论

为研究硅微粉对沥青混合料的影响，在相同级配及材料的沥青混凝土中，对不同掺量的硅微粉沥青混凝土进行检测试验，由车辙试验、低温抗劈裂试验和冻融劈裂试验结果可以得出。

① 硅微粉掺量不断增加会对沥青混凝土的低温抗裂性和水稳定性造成不利影响，肯塔堡飞散试验证明了硅微粉掺量增加，飞散损失量增大，说明沥青混合料粘结性随着硅微粉掺量的增加而下降。

② 硅微粉沥青混凝土高温稳定性随着掺量的增加逐步增加，硅微粉掺量为0.9 %时沥青混凝土的动稳定度是未掺硅微粉沥青混凝土的两倍。

③ 试验结果证明硅微粉能够有效提高沥青混合料抗车辙性能，对改善路面高温稳定性有明显效果，硅微粉掺量在0.3 %～0.5 %时，硅微粉对沥青混凝土的整体性能较好，考虑硅微粉对水稳定性的不利影响，在温差较大但少雨的地区有良好的适用效果。