地聚合物胶凝改性沥青混合料粘附性及耐久性试验研究

蒋符发

(广西壮族自治区高速公路发展中心,广西 南宁 530028)

公路铺设离不开沥青,在沥青路面行驶具有较高的舒适性、速度更快、驾驶更安全[1]。但受到外部自然环境侵蚀,导致沥青公路发生不同程度的破坏,现有公路破坏情况包括沥青开裂、路面坑槽、沥青起鼓、混凝土松散等情况,这些情况较为严重时会威胁公路行驶车辆的安全,在一定程度上还影响公路的使用寿命[2-4]。越来越多研究发现,单纯使用沥青铺设路面,不能获得较为理想的结果,所以许多研究都尝试向沥青中添加改性剂,提升沥青的稳定性与安全性[5]。公路用地聚合物改性沥青混合料是一种氧化物网络结构体系,其结构是由环状分子链构成的“类晶体”结构,具有耐高温、隔绝空气、保护内部物质不被氧化的特点。

有学者尝试使用纳米材料改性沥青的黏度与剪切模量,研究发现,添加纳米材料以后,沥青的使用性能得到极大程度改善[6];但该方法改性的沥青成本较高,尚处于研究阶段。使用弹性体作为改性材料添加在沥青中,改善沥青的性能[7];大量研究发现,这种材料不能保证改性沥青后的稳定性,同时还会导致沥青易于发生离析,不利于沥青长时间存储。

为此,本试验尝试使用地聚合物改性沥青混合料,研究确定混合地聚合物的沥青混合料耐久性能变化情况。地聚合物是一种成本较低的胶凝型材料,不但能够适用于各个领域,同时性能较好,兼具环保效果,成为众多研究者关注的新型材料[8]。通常情况下适用工业废料制作地聚合物,且这种材料耐久性较高、稳定性较强,耐腐蚀、耐高温性能均较为可观,添加在沥青中,能够改善沥青的性能,同时还能修补路面上出现的各种缺陷。目前地聚合物被广泛应用在混凝土、水泥等建筑材料中。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器设备

主要材料:去离子水(分析纯),临沂市兰山区莱邵思净水;Na2SiO3,济南运泽化工有限公司;NaOH(分析纯),济南嘉华化工科技有限公司;钢渣,灵寿县川青矿产品有限公司;偏高岭土,河北省铎聚建材有限公司;高纯硅粉,辽宁德盛特种陶瓷制造有限公司;沥青基料,云南雨舟防水科技有限公司。

主要设备:YGCH-G恒温干燥箱,吴江市新盛电热设备科技有限公司;WK-1000KG机械搅拌机,东莞市清溪五星通用机械有限公司;30B磨粉机,常州市迈顺机械有限公司;JG-FS150高速剪切机,东莞市酱冠机械设备有限公司;XM-DZSC001万能试验机,深圳市祥敏仪器设备有限公司。

1.2 地聚合物的制备

制备地聚物前需要先制作出碱激发剂,制作过程中需要使用35 ℃恒温的去离子水,在该去离子水中缓慢倒入适量Na2SiO3和NaOH,并且搅拌均匀,使用保鲜膜将混合物密封避免水分蒸发,得到碱激发剂备用。

将适量钢渣、偏高岭土、高纯硅粉以及矿渣粉在65 ℃恒温干燥箱中去除水分,取出后充分混合并搅拌均匀,获得铝硅酸盐[9-11]。把制备的碱激发剂倒入铝硅酸盐之中,倾倒过程中使用玻璃棒不断搅拌,确保2种物质成分混合。为使2种物质混合更加充分,使用机械搅拌机再搅拌20 min,停止搅拌后迅速将混合浆体倒入模具中,同时为了保证水分不会快速蒸发,使用保鲜膜将模具密封固化。把充分固化后的地聚合物材料从模具中取出,人工敲碎固态地聚合物后,使用磨粉机将固态地聚合物磨成粉末,挑选筛孔直径为0.075 mm的筛子,将地聚合物粉末过筛,获得地聚合物改性剂[12-13]。

1.3 地聚合物改性沥青混合料制备

使用外掺法制备地聚合物改性沥青混合料。把恒温烘箱的温度设置为150 ℃,将沥青基料置于其中使得沥青基料转变为流动形态的浆体。从烘箱中将熔化后的沥青去除,置于试验用小电炉上,保持沥青温度为150 ℃。将制备的地聚合物改性剂缓慢添加到恒温的沥青料中(地聚合物改性剂添加量分别为3.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%),添加过程始终使用玻璃棒搅拌沥青,其中要缓慢、多次添加,避免地聚合物倾倒过多导致地聚合物改性剂溢出容器之外[14-15]。等待所制备的全部地聚合物改性剂都添加在沥青基料中后,继续使用手动方式搅拌混合沥青,肉眼观测混合沥青中未出现明显地聚合物粉末后,再利用高速剪切机剪切搅拌混合沥青,该剪切机初始剪切速率设置为2 000 r/min,搅拌30 min后将剪切速率升至5 000 r/min,之后继续搅拌30 min[16-17]。搅拌过程中始终使用小电炉保持混合沥青处于加热状态,不断调整混合沥青容器的位置,确保容器中每一部分都能被剪切[18-20]。待混合沥青全部剪切完成后,将混合沥青置于150 ℃的恒温箱中,确保混合沥青保持溶胀发育1 h。从恒温箱中取出混合沥青后,使用玻璃棒搅拌混合沥青,消除混合地聚合物沥青上的气泡,得到最终地聚合物改性沥青混合料。

1.4 性能测试

1.4.1湿轮磨耗性能

测试地聚合物改性沥青混合料湿轮磨耗性能主要是为了检验本文所制备的改性沥青混合料在水损害作用下的耐久性能。该实验过程中调整沥青基料的用量分别为7%、8%、9%。按照《大路沥青路面施工技术规范》JTGF40中的相关规定开展本节试验。

1.4.2耐低温开裂性能

评价耐低温开裂性能的指标包含2个方面:一是地聚合物改性沥青混合料的蠕变劲度;另一个则是蠕变的速率。地聚合物改性沥青混合料抵抗恒定荷载的度量则为蠕变劲度,该指标主要体现出地聚合物改性沥青混合料受到低温影响后对于变形的抵抗能力,一定程度反应出地聚合物改性沥青混合料的耐久性;蠕变速率时受到荷载作用影响,地聚合物改性沥青混合料的劲度会出现变化,通过计算时间对数曲线和劲度对数斜率的绝对值获得,该数值能够体现出应力松弛情况与劲度时间敏感性。蠕变劲度与低温柔性呈现反比例关系;蠕变速率与抗裂性能呈现出正比例关系,蠕变速率越高,耐低温开裂性能越高。SHRP PG标准中规定,蠕变速率需要超过0.3,蠕变劲度需要不超过300 MPa。对各个地聚合物改性沥青混合料分别在-10、-15、-20和-25 ℃的试验环境下开展低温小梁弯曲蠕变劲度试验。

1.4.3冻融循环下耐久性能

本文验证冻融循环作用之下,地聚合物改性沥青混合料的耐久性能。使用质量分数13%盐溶液模拟冻融循环,设定-20～35 ℃为冻融循环温度,按照公路实际面临的冻融循环经验,将地聚合物改性沥青混合料置于盐溶液中低温冷冻12 h,取出后再置于35 ℃盐溶液中融化8 h,此程序为冻融循环一次,按照试验需求调整冻融循环次数。

利用万能试验机开展冻融循环后的地聚合物改性沥青混合料的四点弯曲试验,通过恒应变控制方式实现对于地聚合物改性沥青混合料的偏正弦加载,加载频率为15 Hz;当劲度模量下降至原始数值的一般就停止破坏加载,通过万能试验机实现地聚合物改性沥青混合料耐久性抗疲劳试验。

2 结果与分析

2.1 耐水损伤能力分析

不同地聚合物和不同沥青基料用量下,改性沥青混合料在60 min和7 d试验后的湿轮磨耗值变化情况如图1所示。相关规定,在60 min时地聚合物改性沥青混合料的湿轮磨耗不能超过530 g/m2。

(a)60 min湿轮磨耗值

在图1(a)中,不同沥青用量的地聚合物改性沥青混合料随着地聚合物用量的增加,湿轮磨耗值出现明显降低趋势,地聚合物用量越多,地聚合物改性沥青混合料的湿轮磨耗值越低。同时,在沥青用量较多情况下,地聚合物改性沥青混合料的湿轮磨耗值也更低,地聚合物用量为3.5%时,7%沥青用量的地聚合物改性沥青混合料湿轮磨耗值为440 g/m2;地聚合物用量为3.5%时,9%沥青用量的地聚合物改性沥青混合料的湿轮磨耗值降至320 g/m2。在图1(b)中,经过长时间试验反应,地聚合物改性沥青混合料的湿轮磨耗值变化更大,但基本变化趋势与图1(a)的趋势相同。沥青用量为9%,地聚合物用量较高时,抗水损害能力较强,同时确定沥青的最小用量。

负荷轮粘附试验也是验证地聚合物改性沥青混合料耐久性能的一个重要指标,同时通过该试验还能验证出沥青的最大用量,试验结果如图2所示。

图2 负荷轮粘附分析

由图2可知,相同沥青用量下,地聚合物用量越多,地聚合物改性沥青混合料的负荷轮粘附砂呈现下降趋势,二者呈反比例关系。相关规范中要求改性沥青的负荷轮粘附砂量应低于450 g,7%和8%沥青用量的地聚合物改性沥青混合料中地聚合物含量发生变化也符合该规定;但沥青含量为9%的地聚合物改性沥青混合料地聚合物含量超过5.5%时,并不符合该规范,地聚合物含量低于5.5%时,能够获得较好状态。因此,通过该试验确定地聚合物含量为5.5%时,地聚合物改性沥青混合料的性能最好。

2.2 耐低温开裂性能分析结果

不同地聚合物含量改性沥青混合料,经过2种老化处理后,地聚合物改性沥青混合料的低温弯曲梁流变性试验结果如表1所示。

表1 低温弯曲梁流变性试验Tab.1 Low-temperature bending beam rheology test

由表1可知,随着温度降低,地聚合物改性沥青混合料的劲度模量呈现上升趋势,蠕变速率呈现下降趋势。这说明低温环境中,地聚合物改性沥青混合料丧失低温柔性,同时抗裂性能也出现变化。SHRP PG标准中规定,蠕变速率需要超过0.3,蠕变劲度需要不超过300 MPa,但超过-15 ℃时,地聚合物改性沥青混合料的蠕变劲度和蠕变速率均不符合该规范,说明低温环境中地聚合物改性沥青混合料抗裂性能较差。尽管低于-15 ℃时,地聚合物改性沥青混合料耐裂性能较差,但地聚合物含量超过4.5%时能够保证地聚合物改性沥青混合料具有较好的低温抗裂性能。说明适当增加地聚合物含量,能够提升地聚合物改性沥青混合料耐低温开裂性能。

2.3 冻融循环后四点弯曲疲劳试验

经过冻融循环处理后,地聚合物改性沥青混合料的耐疲劳性能会发生变化,该材料的损失率与耗散能情况如表2所示。

表2 四点弯曲疲劳试验结果Tab.2 Four-point bending fatigue test results

从表2可以看出,尽管地聚合物含量不同,但是受到冻融循环影响,地聚合物改性沥青混合料的荷载损失率与累计耗散能变化趋势基本相同,冻融循环的次数越多,地聚合物改性沥青混合料的损失率越高,同时累计耗散能发生降低。这说明受到冻融循环影响,地聚合物改性沥青混合料的耐久性能遭受破坏,同时地聚合物含量越高,地聚合物改性沥青混合料的损失率越高,累计耗散能也更低。

3 结语

本文使用高岭土、高纯硅粉和钢渣等原料制备地聚合物,利用地聚合物改变沥青性质。调整地聚合物的添加量,制备地聚合物改性沥青混合料并验证该材料的耐久性能,试验发现,地聚合物含量在5.5%时,地聚合物改性沥青混合料的耐水损伤性能最好,但大量使用地聚合物,会在冻融循环影响下,导致地聚合物改性沥青混合料的损失率上升,不利于提升地聚合物改性沥青混合料的耐久性。