火山灰 SBS 復合改性瀝青混合料路用性能及改性機理研究

火山灰 SBS 復合改性瀝青混合料路用性能及改性機理研究

韓娟

【摘 要】研究火山灰作為填料型瀝青改性劑的技術可行性，提出采用火山灰等量

替代礦粉與 SBS 改性劑進行復配，并基于車轍、低溫彎曲、凍融劈裂和三分點加

載疲勞試驗研究了火山灰 SBS 改性瀝青混合料的綜合路用性能，同時揭示了火山

灰對 SBS 改性瀝青混合料的改性機理。試驗結果表明：火山灰等量替代礦粉后，

SBS 改性瀝青混合料的高溫穩定性提高幅度最大可達36％，混合料水穩定性和低

溫抗裂性顯著提高，火山灰 SBS 復合改性瀝青混合料各應力水平下的疲勞壽命均

高于普通 SBS 改性瀝青混合料，疲勞壽命的提高幅度達40％，用火山灰等量替代

礦粉作為瀝青混合料的改性劑是可行的。%To study The technical feasibility of

the volcanic ash as the filler type asphalt modifier, Ash amount is propod

instead of mineral powder with SBS modifier for modifier,And bad on

rutting, low temperature bending,freeze-thaw splitting and three point

loading fatigue test to study the road per-formance of volcanic ash and

SBS modified asphalt mixture,at the same time reveals the modification

mechanism of volcanic ash on SBS modified asphalt s show

that:after the volcanic ash a-mount instead of mineral powder,high

temperature stability of SBS modified asphalt mixture increa up to

36%,the mixture water stability and low temperature crack resistance

incread significantly,the vol-canic ash SBS composite modified asphalt

mixture fatigue life under different stress level are higher than common

SBS modified asphalt mixture,the fatigue life of increa rate of 40%,ash

equivalent substitute mineral powder was ud as modifier of asphalt

mixture is feasible.

【期刊名稱】《公路工程》

【年(卷),期】2016(041)006

【總頁數】6頁(P256-261)

【關鍵詞】路面工程;火山灰;復合改性瀝青混合料;路用性能;改性機理

【作 者】韓娟

【作者單位】鄭州科技學院，河南，鄭州 450064

【正文語種】中 文

【中圖分類】U414.1

近20 a來，我國公路建設發展迅速, 瀝青路面無論在建設標準、規模和技術水平

各個方面都取得了舉世矚目的成就[1-4]，但在復雜多變的自然條件和超載重載交

通的綜合作用下，瀝青路面也出現了不同形式的病害，如高溫車轍、低溫開裂及水

損壞等，尤其是寒冷地區病害尤為突出[5-7]。不斷加厚的瀝青面層來減少路面裂

縫，但只抑制了裂縫出現時間，對減少裂縫的作用并不明顯，單一改性瀝青對瀝青

性能的提高有一的局限性，但對于一些地區來說，道路環境通常要經歷-40～40 ℃

的溫度變化?，F有的改性技術很難滿足上述溫度的要求。因此，國內開展了復合改

性瀝青材料的相關研究，如橡膠/SBS復合改性瀝青，硅藻土纖維復合改性、膠粉

和PE復合改性、巖瀝青與BRA復合改性、復合纖維改性瀝青混合料等[8-16]，

并取得成效。隨著礦物材料技術的發展，一些粉體礦物材料在瀝青混合料中的應用

已從單一的結構填充拓展到功能增強，起到了改性劑的作用。如硅藻土、炭黑、硫

磺等礦物填料，但由于受提純技術、材料來源、環保等方面的原因[15]，沒有得到

大規模的推廣應用?；鹕交沂且环N天然的建筑材料，是火山噴發時的熔巖碎屑和粉

塵沉積在地表面形成的物質，在我國，火山灰資源十分豐富，現有火山600多座，

主要分布在黑龍江、吉林、遼寧等地，僅吉林省火山灰儲存量就達幾十億立方米，

若能用于高速公路建設和作為公路養護材料，其經濟效益相當可觀。目前國內鮮見

關于火山灰改性瀝青混凝土方面的研究報道，以至于火山灰能否作為瀝青混合料的

改性劑及其改性效果等問題仍處于探索階段，本文研究火山灰作為填料型改性劑改

性瀝青的技術可行性，研發了火山灰作為新型瀝青改性劑，提出采用火山灰等量替

代礦粉，以提高瀝青路面使用質量，實現綠色、循環、低碳的公路建設目標。

為了使研究成果具有代表性，本文選用了4種不同產地的火山灰(見表1)，其分別

為黑龍江五大連池(火山灰Ⅰ)、云南騰沖火山(Ⅱ)、新疆阿什庫勒火山(Ⅲ)、長白

山白頭山(Ⅳ)，相比石灰巖礦粉，火山灰的總體粒度小于礦粉，比表面積最大為礦

粉的34倍，火山灰材料中含有Si、Al、K、Na、Ca和Mg等多種元素以及有少

量過渡性的金屬元素如Fe、Ti、Mn、Cu、V和Zn，元素種類及含量的不同，勢

必影響火山灰與瀝青的作用效果。SBS改性瀝青為殼牌石油公司生產的成品SBS

改性瀝青(I-C)，經檢測SBS改性瀝青各項技術指標均滿足規范要求，試驗選用的

粗集料為輝綠巖，細集料為機制砂，礦粉由石灰巖磨制而成[17]。

為了進一步發揮膠漿的性能，確定混合料合成級配時降低了1.18～0.075 mm篩

孔檔細集料用量，以增大火山灰瀝青膠漿比例，混合料合成級配見表2。按照現行

施工規范要求[17]，以馬歇爾法確定火山灰SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量，

試驗時根據合成級配的要求逐檔添加篩分檔的集料，按照礦粉質量百分比采用火山

灰等量替代礦粉，成型馬歇爾試件時控制礦料加熱溫度為190 ℃，瀝青混合料拌

合溫度175 ℃，馬歇爾試件擊實溫度165 ℃，通過對標準馬歇爾試件物理指標、

力學指標的測定，得出馬歇爾試驗結果見表3所示。

配合比設計結果表明，采用火山灰等量替代礦粉后，復合改性瀝青混合料的最佳油

石比增大0.1%～0.2%，4種類型的火山灰SBS改性瀝青混合料毛體積密度、馬歇

爾穩定度均大于SBS改性瀝青混合料，而礦料間隙率(VMA)、空隙率(VV)、瀝青

飽和度(VFA)與SBS改性瀝青混合料相差不大。

3.1 高溫穩定性

高溫穩定性是在高溫、反復車輪荷載作用下，瀝青混合料抵抗永久變形的能力。由

于瀝青混合料的抗變形能力很大程度上受環境溫度的影響，為了針對我國部分地區

夏季高溫持續時間長，特增加了70 ℃車轍試驗，此外，為了得到不同溫度下火山

灰SBS改性瀝青混合料的高溫車轍試驗對溫度的敏感性，特增加了40 ℃車轍試

驗。按照表4最佳瀝青用量試驗結果拌合并成型300 mm×300 mm×50 mm的

標準車轍板試件，分別在40、50、60、70 ℃的恒溫烘箱中保溫6 h，車轍試驗輪

壓為0.7 MPa，試驗膠輪行走速度為42±1次/min，試驗輪的行走方向與成型車

轍板時的碾壓方向一致[18]，車轍試驗動穩定度的對數與試驗溫度線性擬合結果圖

1。

圖1擬合結果表明:與SBS改性瀝青混合料相比，相同試驗溫度下火山灰SBS改性

瀝青混合料的車轍試驗穩定度普遍提高，且不同火山灰對SBS改性瀝青混合料高

溫性能的提高程度不同，60 ℃動穩定度提高最大幅度達36%，其中40、50 ℃時

火山灰Ⅱ號動穩定度最大，60、70 ℃時火山灰Ⅲ號動穩定度最大，以車轍試驗動

穩定度的對數與試驗溫度之間的線性擬合曲線斜率作為火山灰SBS改性瀝青混合

料感溫性評價標準，4種火山灰SBS改性瀝青混合料的擬合曲線斜率均明顯小于

SBS改性瀝青混合料，可見其高溫穩定性隨溫度的變化規律的敏感性弱于SBS改

性瀝青混合料。分析其主要原因， ①火山灰的加入改變了SBS改性瀝青的膠體結

構，使得瀝青混合料中瀝青的粘度變大，從而提高了混合料的高溫穩定性；此外，

火山灰中的過渡金屬元素陽離子與瀝青中的極性官能團發生反應生成配位絡合物，

活性氧化物Na2O和K2O的存在有利于火山灰與瀝青酸和瀝青酸酐發生酸堿反應

以及火山灰反應，改善了SBS改性瀝青的溫度敏感性； ②火山灰與瀝青共混后，

硫化物與瀝青的交聯反應，在一定溫度下，火山灰中硫分解生成活性較大的硫自由

基，能夠奪取瀝青中的氫原子，瀝青分子鏈產生自由基，產生自由基耦合形成交聯

鍵，使瀝青分子鏈從二維結構變為三維網狀結構，從而改善瀝青的抗變形能力。

3.2 低溫抗裂性

低溫開裂是我國瀝青混凝土路面主要的破壞形式之一，嚴重影響了道路的使用壽命

和行車舒適性，按現行施工規范要求以低溫小梁彎曲試驗評價火山灰SBS復合改

性瀝青混合料的低溫抗裂性。試驗時根據JTG E20 — 2011中的要求成型車轍板，

切割為30 mm×35 mm×250 mm的小梁試件，試驗溫度為-10 ℃，試驗時采用

單點加載方式，支點間距為200 mm，加載速率為50 mm/min，一組三個平行

試件，以抗彎拉強度、彎拉勁度模量和抗彎拉應變能來評價瀝青混合料的低溫抗裂

性能，試驗結果見表4。

4種不同類型火山灰SBS改性瀝青混合料低溫抗裂性試驗結果見表4所示。

由低溫彎曲試驗結果可知，相比SBS改性瀝青混合料，采用火山灰等量替代礦粉

后4種復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度普遍增大4.6%～9.2%，低溫彎拉應變指

標明顯大于SBS改性瀝青混合料，尤其摻加火山灰Ⅳ號后復合改性瀝青混合料低

溫彎曲指標提高幅度達21%，可見采用火山灰與SBS復合改性方案可顯著提高瀝

青混合料的低溫抗裂性。

分析火山灰對SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性的影響： ①相比礦粉顆粒，火山

灰的比表面積較大，對瀝青的吸附能力強，增加了復合改性瀝青混合料的瀝青膜厚，

混合料柔性提高，且火山灰顆粒表面粗糙，有許多凸起的粒子，并形成間隙孔隙，

具有活性吸附能力的內孔隙結構，有利于瀝青分子進入，在外力作用下，火山灰內

部的空隙對自由瀝青起到緩沖作用，使混合料內部的瀝青油膜處于比較穩定的狀態；

②掃描電鏡圖像顯示，火山灰顆粒表面存在褶皺和突起，使火山灰表面充分潤濕，

填料表面構造是影響潤濕性的重要因素，填料表面越粗糙，瀝青在其表面的潤濕效

果就越好，火山灰的加入提高了瀝青與集料之間粘附性和握裹力，克服了結構瀝青

和集料顆粒之間的錯位與滑移，將顆粒產生的單軸應力轉移到其它基體上，同時均

勻分散的火山灰在裂尖處起到了錨固和橋接作用，延緩裂縫的產生，約束裂紋的擴

展，增加瀝青混凝土的整體性。③如圖2所示，火山灰表面的間隙孔使瀝青分子

和SBS分子的PE端產生橋接，起到機械嵌固作用，增強SBS瀝青膠漿的空間網

絡結構，充分發揮高分子鏈“熵彈性”的作用，增加了膠漿低溫下的柔韌性和延展

性。

3.3 水穩定性

現行規范要求采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩定性。浸

水馬歇爾試驗時成型標準馬歇爾試件(正反75 次/面)，分成兩組，一組放置在60 ℃

水浴中保溫48 h測其穩定度，另外一組放置在60 ℃水浴中保溫30 min測其穩

定度，以兩組馬歇爾試件穩定度平均值的比值，也就是殘留穩定度作為評價指標。

凍融劈裂試驗采用擊實法成型馬歇爾試件(正反50次/面)，分成兩組，一組放置在

25 ℃水浴中保溫至少2 h測其劈裂強度，另一組先在25 ℃水中0.09 MPa真空

壓力下飽水15 min，常壓下浸泡30 min，之后放入-18 ℃±2 ℃的冰箱中冷凍

16 h±1 h，再放入60 ℃恒溫水浴中保溫24 h，最后放入25 ℃水浴中浸泡至少2

h后測其劈裂強度，以兩組試件劈裂強度平均值的比值作為評價指標(試驗結果見

表5)。

表5試驗結果表明:火山灰等量替代礦粉后，SBS改性瀝青混合料的浸水前后劈裂

強度和馬歇爾穩定度均明顯增大，凍融劈裂強度比和殘留穩定度兩個評價指標均高

于SBS改性瀝青混合料，不同種類火山灰對SBS改性瀝青混合料水穩定性的改善

程度略有差異，但總體而言，火山灰可改善瀝青混合料的水穩定性?；鹕交覍?/span>

SBS改性瀝青混合料水穩定性的改性機理在于，摻加火山灰后瀝青中的極性官能

團與過渡性金屬元素Fe3+、Ti4+、Mn4+、Cu2+、V5+、Zn2+發生絡合反應形

成配位鍵，從而改善SBS改性瀝青的性質，瀝青酸羧基(COOH) 中的氫與火山灰

中金屬陽離子Ca2+、K+、Na+反應，形成不溶于水的高價瀝青酸鹽，促進了與

瀝青的結合，提高瀝青混合料和水穩定性。

3.4 火山灰SBS改性瀝青混合料疲勞性能

通常采用2種研究方法研究瀝青混凝土的疲勞破壞規律，即現象學法和力學近似

法，現象學法采用疲勞曲線來表征材料的疲勞特性，側重于研究裂縫形成的機理以

及應力、應變與疲勞壽命之間的關系和各種因素對疲勞壽命和疲勞強度的影響，試

驗操作方便，是目前普遍采用的瀝青混凝土疲勞性能行研究方法。本部分試驗采用

三分點加載小梁疲勞試驗研究火山灰SBS改性瀝青混合料的抗疲勞性能，小梁試

件尺寸為40 mm×40 mm×350 mm，試驗溫度為15 ℃，加載波形為連續式正

弦波，加載頻率為10 Hz，加載速率為50 mm/min，彎曲疲勞試驗選用0.2、0.3、

0.4、0.5共4個應力比，加載模式為控制應力方式(控制應力的疲勞試驗就是在重

復加載的疲勞試驗過程中，保持應力不變，以試件的疲勞斷裂作為疲勞破壞的準則，

達到疲勞破壞的荷載作用次數為疲勞壽命)，試驗結果如圖3所示。

疲勞試驗結果表明，火山灰等量替代礦粉后，火山灰與SBS復合改性瀝青混合料

的疲勞曲線雙對數擬合曲線截距K增大，曲線斜率n值減小，K值表明了疲勞曲

線的線位高低，K值越大，疲勞曲線的線位越高，材料的抗疲勞性能越好；n值越

大，疲勞曲線越陡，表明疲勞壽命對應力水平的變化越敏感，可見火山灰改善了

SBS改性瀝青混合料的抗疲勞性能，同時降低了混合料疲勞壽命對應力水平的敏

感性。此外與SBS改性瀝青混凝土相比，火山灰SBS復合改性瀝青混合料各應力

水平下的疲勞壽命均高于普通SBS改性瀝青混合料，疲勞壽命的提高幅度達40%，

具有良好的抗疲勞特性。

本課題依托長白旅游公路路面工程四合同段，項目起點樁號為K53+100，終點樁

號為K73+369，主線全長共20.269 km。采用全封閉、四車道高速公路標準，設

計行車速度為100 km/h，主線整體式路基寬24.5 m，分離式路基寬12.25 m。

主線、互通匝道上面層采用4 cm厚細粒式SBS改性瀝青混凝土AC — 13C，中

面層采用6 cm厚細粒式SBS改性瀝青混凝土AC — 20C，下面層采用12 cm厚

密級配瀝青穩定碎石ATB — 30，基層采用17 cm厚水泥穩定碎石，底基層采用

16 cm厚水泥穩定碎石。其中，在起點樁號為K72+750，終點樁號為K80+250

的路段按照復合改性方法，采用長白火山灰等量替代礦粉對上面層采用4 cm厚火

山灰SBS改性瀝青混凝土AC — 13C，中面層采用6 cm厚火山灰SBS改性瀝青

混凝土AC — 20C，下面層采用12 cm厚密級配瀝青穩定碎石ATB — 30。采用

火山灰等量替代礦粉，不僅節約了施工成本，而且壓實度、平整度等各項指標均符

合設計要求，通過長達3 a的試驗路檢測該法有效地減少了瀝青路面的早期破壞，

目前沒有明顯的車轍和開裂病害，路面使用狀況良好，可見采用火山灰SBS改性

瀝青混凝土延長了道路的使用壽命，經濟、社會效益顯著。

① 通過系統的研究和試驗路使用性能檢測研究，證明了采用火山灰等量替代礦粉

作為瀝青混合料的改性劑是可行的。

② 相比礦粉SBS改性AC～16混合料，火山灰SBS改性瀝青混合料具有優良的高

溫穩定性，60 ℃動穩定度提高最大幅度達36%，火山灰等量替代礦粉后復合改性

瀝青混合料車轍試驗動穩定度隨溫度的變化規律的敏感性弱于SBS改性瀝青混合

料。

③ 采用火山灰等量替代礦粉后復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度普遍增大4.6%～

9.2%，低溫彎拉應變指標明顯大于SBS改性瀝青混合料，采用火山灰與SBS復合

改性方案可顯著提高瀝青混合料的低溫抗裂性。

④ 火山灰等量替代礦粉后，SBS改性瀝青混合料的浸水前后劈裂強度和馬歇爾穩

定度均明顯增大，凍融劈裂強度比和殘留穩定度兩個評價指標均高于SBS改性瀝

青混合料，火山灰可改善SBS改性瀝青混合料的水穩定性。

⑤ 火山灰SBS復合改性瀝青混合料各應力水平下的疲勞壽命均高于普通SBS改性

瀝青混合料，疲勞壽命的提高幅度達40%，采用火山灰等量替代礦粉技術降低了

混合料疲勞壽命對應力水平的敏感性。

【相關文獻】

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