橡维联/纳米膨润土复合改性沥青混合料的路用性能研究

孙吉书，张雪妮，李明扬

（河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401）

0 引言

有机膨润土作为道路工程常用材料，能使沥青线性黏弹性能得到改善，显示出明显的结构增强和高温稳定性，但是低温性能改善效果不明显[1-2]。橡胶类材料低温性能良好且经济效益高，可以被广泛应用作为外掺剂加入到沥青混合料中改善沥青路面的路用性能。

国外学者对此做了大量研究，Seyed Amid Taham等[3]研究发现在沥青混合料中固化过程中掺入非常细小的碎屑橡胶粉，可以明显提高沥青混合料对失效的抵抗力；Franesqui等[4]研究结果表明沥青橡胶的使用可以很大程度改善沥青的抗车辙性，抗水损性和低温稳定性；Camargo等[5]通过定期监测以及模拟使用混合橡胶沥青混合物作为表面层的试验段，混合橡胶沥青表现出良好的功能效果。

国内学者也对此进行了大量实验研究，于江等[6]发现橡胶掺入新疆岩沥青（XRA）和天然湖沥青（TLA）后，天然改性沥青的黏性和弹性得到相应的改善；任瑞波等[7]研究表明废旧橡塑改性沥青及其沥青混合料具有高温稳定性和水稳定性优势；甄俊杰[8]研究得出四川胶粉+ESSO-70号类型橡胶沥青低温性能最好，且胶粉掺量为21%时，低温性能最好。

同时，杨伟燕等[9]研究表明黏土的加入橡胶中可大幅度提高橡胶的强度、热稳定性；张宝昌[10]研究表明丁苯橡胶和膨润土的复合改性沥青复合性良好，且丁苯橡胶和膨润土质量比为3/5时，其改性沥青温度敏感性最低；赵哲[11]改性膨润土和橡胶胶乳分子具有较好的相容性，达到了纳米级分散，得到的复合材料具有优良的力学性能。

这些研究表明，橡胶能改善沥青的黏性和弹性，具有良好的低温稳定性，高温稳定性，抗车辙性，抗水损性和稳定性。且橡胶与膨润土具有很好的相容性，可降低其温度敏感性。因此，通过引进新型颗粒状的橡维联材料来对沥青进行改性，在纳米膨润土改性沥青中加入橡维联改性剂，来提高纳米膨润土改性沥青的路用性能，以期可以广泛推广，为道路材料的发展提供新思路。

1 实验

1.1 实验原料

实验所用的基质沥青为伦特70#，其技术指标见表1。

表1 基质沥青的技术指标Tab.1 Matrix asphalt technical indicators

纳米膨润土改性沥青的技术指标见表2。

表2 纳米膨润土的技术指标Tab.2 Technical specifications of nano bentonite

矿粉试验指标见表3。

表3 矿粉试验指标Tab.3 Mineral powder test indicators

添加剂橡维联的技术指标见表4。

表4 添加剂橡维联的技术指标Tab.4 Additive performance index

矿料岩性为石灰岩，根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）[12]对矿料各项指标的要求，对矿料各指标进行试验，粗集料试验指标见表5。细集料试验指标见表6。

表5 粗集料试验指标Tab.5 coarse aggregate test indicators

表6 细集料试验指标Tab.6 Fine aggregate test indicators

1.2 试验方法

通过熔融插层法制得纳米膨润土复合沥青，采用针入度、延度以及软化点研究纳米有机膨润土的复合材料的基本物理性能，采用干法分别对基质沥青以及橡维联掺量为0、0.05%、0.1%、0.15%的纳米膨润土复合沥青混合料进行掺拌，而后进行室内车辙试验、冻融劈裂试验、小梁弯曲试验及间接拉伸试验，来检验沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性及耐疲劳性能，之后利用灰色关联度来评价在不同橡维联掺量的纳米膨润土复合沥青混合料对路用性能的影响。

1.3 混合料级配设计

采用AC-13 和SMA-13 型级配作为试验研究对象。矿料依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）[13]中级配范围的要求，确定级配组成，并基于数解法应对配合比设计的优化计算，求得各档集料的最佳用量[14]，级配组成如图1。

图1 级配组成Fig.1 Grade composition

其中，AC-13型沥青混合料的油石比采用4.8%，成型温度170 ℃，焖料时间30 min；SMA-13型沥青混合料的油石比采用6.1%，成型温度180 ℃，焖料时间30 min。

2 结果与分析

2.1 物理试验指标

本试验以伦特70#沥青作为沥青基，以纳米有机膨润土作为分散相，以沥青熔融状态机械搅拌的方式进行改性沥青的制备，具体为：称好质量的沥青以及纳米有机膨润土和橡维联备用，先将沥青在烘箱中加热至145 ℃，之后将准备好的膨润土在5 min之内缓慢降入沥青中，后将温度升至170～180 ℃，用高速剪切乳化剂进行剪切，剪切速率为4 000 r/min，剪切时间为30 min。结束后进行人工搅拌30 min，并保持温度为170～180 ℃，确保沥青发育良好。

针入度、延度以及软化点试验以伦特70#作为基体，以4%的纳米有机膨润土和橡维联作为分散相，试验结果如图2。

图2 纳米有机膨润土复合改性沥青物理试验指标Fig.2 Physical test index of nano-organic bentonite composite modified asphalt

由图2可知，随着橡维联掺量的增加，针入度呈下降趋势，软化点呈上升趋势，说明随着橡维联掺量的增加，沥青的稠度增加，高温性能提高。由表1和图2可以看出，加入膨润土的改性沥青对比于基质沥青来说，其针入度和延度有所降低，软化点有所提高，这说明有机膨润土有助于提高沥青的高温稳定性，与橡维联的效果一致，但是其低温性能却明显下降，而当同时加入有机膨润土和橡维联时，延度相对增加，这说明有机膨润土与橡维联形成的复合结构对低温有良好的抵抗作用。当橡维联掺量大于0.1%之后，延度和软化点增加缓慢，针入度降低的速度变快，表明当掺量为0.1%左右时，纳米有机膨润土改性沥青复合材料达到了最大程度的复合，即达到了最大程度的剥离型，超过这一范围，开始转变为插层型结构。

2.2 高温稳定性

对基质沥青、有机膨润土掺量为4%，橡维联掺量为0、0.05%、0.1%、0.15%的纳米膨润土复合沥青混合料进行室内车辙试验，采用动稳定度指标来评价沥青混合料的抗车辙能力。其中，AC-13型基质沥青的动稳定度为2 539次/mm，SMA-13型基质沥青的动稳定度为3 072次/mm，其它试验结果如图3。

由测试结果以及图3 可知，掺加橡维联和有机膨润土可明显增加基质沥青动稳定度，且随着橡维联掺量的增加，动稳定度逐渐升高，且掺量为0～0.1%时，上升效果显著，大于0.1%后效果逐渐趋于平缓。掺量为0.1%的AC-13型沥青混合料的动稳定度较没有添加改性剂的沥青混合料至少提高32.5%，同样的，SMA-13型沥青混合料至少提高18.4%。表明改性剂对高温稳定性有增强作用，符合我国高温、重载、大流量交通对动稳定度技术指标的要求。改性剂对动稳定度提高的原因如下：橡维联和有机膨润土在熔融后，混合料的微观结构发生了改变，在集料骨架作用下，橡维联和有机膨润土混合被拉成纤维状丝，从而起到了桥接作用，抗拉伸效果显著，从而沥青的软化点以及黏度均提升，改性效果显著。

图3 车辙实验结果Fig.3 Rutting experiment results

2.3 水稳定性

对基质沥青、有机膨润土掺量为4%，橡维联掺量为0、0.05%、0.1%、0.15%的纳米膨润土复合沥青混合料进行冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，试验方法采用冻融劈裂比来评价沥青混合料的抗水毁能力。其中，AC-13型基质沥青的的冻融劈裂比83.9%，SMA-13 型基质沥青的冻融劈裂比80.9%，其它结果如图4所示。

由测试结果和图4可知，橡维联和有机膨润土对水稳定性有促进作用，且随着橡维联掺量的增加，冻融劈裂比逐渐增大，沥青混合料的冻融劈裂强度比均有所提高。橡维联和有机膨润土提高水稳定性的原因在于干拌于沥青混合料时，能熔融于集料表面，因而提高了沥青与集料的黏结性，并且改性后沥青形成胶结状，整体的黏附性上升。

图4 水稳定性试验结果Fig.4 Freeze-thaw split test results

2.4 低温稳定性

对基质沥青、有机膨润土掺量为4%，橡维联掺量为0、0.05%、0.1%、0.15%的纳米膨润土复合沥青混合料进行低温弯曲试验，试验方法采用极限弯拉应变来评价沥青混合料的低温能力。其中，AC-13型基质沥青的极限弯拉应变为2 453 με，SMA-13 型基质沥青的极限弯拉应变为2 981 με，其他结果如图5所示。

由图5可知，随着掺量的增加，极限弯拉应变逐渐升高，且掺量为0～0.1%时，上升效果显著，大于0.1%后效果有所下降。掺量为0.1%的AC-13 型沥青混合料的极限弯拉应变较未添加改性剂的沥青混合料至少提高48.1%，SMA-13 型沥青混合料至少提高23.4%。橡维联对低温性能提高显著，并且已达我国严寒区对低温要求。

图5 低温弯曲实验结果Fig.5 Low temperature bending experiment results

由结果可知，有机膨润土对低温性能有不利影响，主要因为沥青分子的自由运动受到膨润土与其的桥接作用的影响而减缓，使其延展性下降，抗变形能力变差。在低温条件下，这些膨润土片层容易产生应力集中。而掺加橡维联对沥青混合料起到了纤维加筋的作用，使膨润土橡维联与沥青分子很好的融合，产生了自由的离子，增强了其沥青分子的自由活动，且减少了土颗粒之间应力集中，混合料抗弯拉能力增强。

2.5 耐疲劳性

耐疲劳性采用间接拉伸试验，通过应力控制模型进行重复加载，在控制应力模式下的沥青混合料疲劳特征可由式（1）表示：

式中：Nf表示疲劳寿命；σ表示弯拉应力；K、n表示沥青混合料的疲劳方程系数，与混合料性质、温度等试验条件有关。式（1）可化为以下公式：

由式（2）可见logNf与logσ成线性关系，即以应力水平σ为X轴，Nf为Y轴的双对数坐标成线性关系。由实验结果得出的AC-13的线性相关系数R2以及回归系数K、n如表7。

由实验结果得出的SMA-13的线性相关系数R2以及回归系数K、n如表8。

表8 SMA-13 型沥青混合料的疲劳方程相关系数Tab.8 Correlation coefficient of fatigue equation for SMA-13 asphalt mixture

其中，K值越大，回归直线越高，则耐疲劳性能越好；n越大，沥青混合料的应力的变化越敏感，表示耐疲劳性越差；R2越高，则疲劳试验的离散性越低，结果越精确。由表7～8可知，同等温度条件下，掺有改性剂的沥青混合料沥青混凝土K、R2均远大于没有掺加改性剂的沥青混合料，n正好相反。这是由于改性剂中的弹性成分可以改善使路面的变形，使其进行了部分弹性，降低了永久变形对于相同种类的沥青混合料的影响，且不等温时，可以看出温度与n呈正相关，回归系数K以及疲劳寿命呈负相关，说明温度对疲劳寿命影响显著。当温度升高时，沥青混合料的抗变形能力随之减小，当存在应力加载时，应变量增长较大，疲劳寿命减小。

表7 AC-13 型沥青混合料的疲劳方程相关系数Tab.7 Correlation coefficient of fatigue equation for AC-13 asphalt mixture

2.6 灰色关联度

运用灰色系统对橡维联掺量为0、0.05%、0.1%、0.15%的AC-13 型的纳米膨润土复合沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及耐疲劳性能进行分析，选取动稳定度、极限拉应变、冻融劈裂强度比，10 ℃的回归系数K，进行路用性能灰色关联分析时，以橡维联掺量为参考序列，以路用性能指标为比较序列，其中，原始数据如表9所示。

表9 原始数据Tab.9 Raw data

按照邓氏灰色关联度，计算得到各关联序列结果如下：r0,1=（0.523，0.834，0.934，0.490），r0,2=（0.545，0.863，1.000，0.502），r0,3=（0.468，0.842，0.848，0.466），r0,4=（0.477，0.845，0.859，0.473）。计算不同种类混合料与各项路用性能指标的关联度，分析橡维联掺量的影响程度差异，计算结果为r(x0,x1)=0.695，r(x0,x2)=0.728，r(x0,x3)=0.656，r(x0,x4)=0.663。由关联度计算结果可知，橡维联掺量与低温抗裂性指标的关联度最大，平均达到0.728；与高温稳定性指标的关联度次之，平均达到0.695；与耐疲劳性指标的关联度次之，平均达到0.663；与水稳定性指标的关联度最小，平均达到0.656，表明不同掺量的橡维联的沥青混合料对各项路用性能影响程度大小依次为低温抗裂性＞高温稳定性＞耐疲劳性>水稳定性。

3 结论

1）当纳米膨润土掺量为4%，橡维联掺量为0.1%时，针入度、延度以及软化点的结果表明沥青、橡维联和纳米膨润土达到了最大程度的复合。

2）橡维联和膨润土能提高纳米膨润土复合沥青混合料的水稳定性、耐疲劳性以及动稳定度，对高温稳定性影响尤其显著。当橡维联掺量为0.1%时，AC-13型橡维联/纳米膨润土复合改性沥青混合料较只添加膨润土的动稳定度至少提高32.5%，同样的，SMA-13型复合改性沥青混合料至少提高18.4%。

3）膨润土对低温性能有负面影响，但经过与橡维联的复合后对低温稳定性有改善作用，且橡维联掺量为0.1%时，AC-13 型橡维联/纳米膨润土改性复合沥青混合料较只添加膨润土的极限弯拉应变至少提高48.1%，同样的，SMA-13型复合改性沥青混合料至少提高23.4%。

4）橡维联的掺量对沥青混合料各项路用性能影响程度大小依次为：低温抗裂性＞高温稳定性＞耐疲劳性>水稳定性。