耐碱玻璃纤维与纳米二氧化硅材料对OGFC性能的影响研究
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作者:夏天文 赵承伟 张大斌
摘要：为改善开级配沥青磨耗层混合料（OGFC）的物理力学性能，提升其路用性能，文章采用耐碱玻璃纤维与纳米二氧化硅两种材料制备改性OGFC沥青混合料试件，并通过开展析漏试验、肯塔堡飞散试验、渗水试验、抗滑试验、冻融劈裂试验以及车辙试验，分析耐碱玻璃纤维与纳米二氧化硅对改性OGFC沥青混合料路用性能的影响。结果表明：掺入耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅材料可明显改善OGFC老化前、后的抗飞散性能，适当降低老化作用对其内聚力和耐磨性的影响，同时对于OGFC沥青混合料的抗滑性能、水稳定性及高温稳定性也有明显的改善作用；在0.2%耐碱玻璃纤维和4%纳米二氧化硅材料复合改性作用下，OGFC沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度提升幅度达34%，动稳定度指标提升幅度达20%。
关键词：OGFC沥青混合料；耐碱玻璃纤维；纳米二氧化硅；路用性能
中图分类号：U416.03-A-24-071-4
0 引言
OGFC是一种具有较多内部连通空隙的开级配沥青混合料，适用于多雨湿润地区道路工程沥青路面表面层的铺筑，能够显著改善沥青路面的排水性能，兼具良好的抗滑和降噪功能［1］。但OGFC过大的空隙率也会导致一系列问题。
已有研究表明，OGFC沥青混合料的力学性能随着空隙率的增加而逐渐减小，力学性能与排水性能呈现明显的负相关关系。当空隙率超过21%时，混合料的高温性能、低温性能及水稳定性等均出现较大程度的衰减［2］。此外，在实际应用过程中，OGFC沥青路面通常会承受长时间的雨水冲刷、曝晒和冻融等作用，容易发生局部破坏而影响行车安全［3］。
为解决上述问题，通常在混合料中掺加纤维制备改性OGFC沥青混合料，以改善其低温、高温和冻融等环境下的力学及路用性能［4］。目前，改性OGFC沥青混合料常用的纤维有聚酯纤维、木质素纤维、玄武岩纤维及耐碱玻璃纤维等。王玉林等［5］研究了掺加木质素纤维对再生OGFC沥青混合料路用性能的影响，发现引入木质素纤维可以有效改善再生透水沥青混合料的高温性能、低温抗裂性及水稳定性。何东坡等［6］在OGFC中加入了不同长度的玄武岩纤维，通过开展析漏试验、飞散试验、抗滑试验、车辙试验、冻融劈裂试验和渗水试验，证实玄武岩纤维的加入改善了混合料的路用性能。
耐碱玻璃纤维是以SiO2含量较大的矿物为原料加工而成的，具有理想的沥青混合料所需的力学特性，包括低伸长率、高拉伸模量、高弹性恢复能力以及高软化点，这些特性对提高沥青的流变性能、抗车辙性能及低温抗裂性能十分有利［7］。在OGFC中加入适量的耐碱玻璃纤维能够限制沥青在混合料中的流动，通过吸附沥青以增加油膜厚度，起到提高稳定度的作用［8］。然而，耐碱玻璃纤维具有较大的脆性，会降低沥青材料的韧性并增加其刚度，同时其耐磨性较差，可能会降低沥青混合料的抗磨耗性能［9］。与此同时，纳米二氧化硅在沥青混合料中的分散作用能够产生具有理想性能的聚合物纳米复合材料，可以改善耐碱玻璃纤维改性OGFC沥青混合料的缺陷。
本文基于耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅两种材料的结合，制备改性OGFC沥青混合料，通过开展一系列室内试验，评估耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性对OGFC沥青混合料性能的综合影响，以改善沥青混合料的路用性能，消除OGFC沥青混合料的缺陷。
1 试验原材料
沥青选用70#基质沥青，其物理指标如表1所示。
粗细集料均采用石灰岩，规格分别为4.75～9.5 mm，9.5～16 mm，0～4.75 mm，其中细集料含量较少。矿质混合料级配曲线如下页图1所示。
本研究使用的纤维是尺寸为12 mm的耐碱玻璃纤维。为保证OGFC沥青混合料的正常排水功能，耐碱玻璃纤维的掺入量一般不超过混合料总质量的0.3%。耐碱玻璃纤维的特性如表2所示。
通常，纳米二氧化硅专门用于改善沥青结合料的性能。根据以往的研究，纳米二氧化硅的最佳含量确定为4%。本研究中使用的纳米二氧化硅性能如表3所示。
2 试验及分析
2.1 析漏试验
为确定改性OGFC沥青混合料的最佳沥青用量，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行谢伦堡沥青析漏试验。分别开展5.5%、6.5%两组沥青用量和0.1%、0.2%两组耐碱玻璃纤维掺量下的OGFC沥青混合料析漏试验，混合料中纳米二氧化硅的掺量均为4%。试验结果如图2所示。
根据图2所示的沥青析漏试验结果可以发现，沥青用量为5.5%时，两种混合料的析漏损失均处于较低水平，因此以5.5%作为改性OGFC沥青混合料的最佳沥青用量。
对比耐碱玻璃纤维在0.1%、0.2%两种掺量下的OGFC沥青混合料的析漏试验结果，OGFC沥青混合料在0.2%耐碱玻璃纤维掺量时析漏损失相对较低，且油石比越高，0.2%耐碱玻璃纤维掺量下OGFC析漏损失降低幅度越大。这表明增加耐碱玻璃纤维的掺量可以有效降低OGFC沥青混合料的析漏损失。因此，改性OGFC沥青混合料的耐碱玻璃纤维掺量取0.2%。
2.2 肯塔堡飞散试验
根据析漏试验结果确定了改性OGFC沥青混合料的沥青用量为5.5%、复合改性剂为0.2%耐碱玻璃纤维和4%纳米二氧化硅材料的组合。为了进一步评价改性OGFC沥青混合料的内聚强度和耐磨性，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行肯塔堡飞散试验。本试验依照是否对混合料进行改性或老化处理，制备了四组OGFC沥青混合料试件。未老化样按照标准击实法成型马歇尔试件，经50次双面击实后置于20 ℃恒温水槽中养生20 h，取出后擦去试件表面水分备用；老化试样经135 ℃强制通风烘箱短期老化4 h，以相同方法成型试件后放置于85 ℃烘箱中连续加热5 d模拟长期老化，完成后自然冷却16 h以上。四组OGFC沥青混合料飞散损失试验结果如图3所示。从图3可以看出：
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（1）从OGFC沥青混合料改性前、后飞散损失结果对比来看，掺入耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅能有效降低OGFC沥青混合料的飞散损失约33.5%；从改性前、后的OGFC沥青混合料进行老化处理后的飞散损失结果对比来看，掺入耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅使得混合料的飞散损失降低约34.8%。这表明掺入耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅对于老化前、后OGFC沥青混合料的内聚强度和耐磨性均有较好的改善作用。
（2）从未改性的OGFC沥青混合料老化前、后的飞散损失结果对比来看，老化作用明显增加了OGFC沥青混合料的飞散损失，增加幅度约33.8%；从改性的OGFC沥青混合料老化前、后的飞散损失结果对比来看，老化作用增加了改性OGFC沥青混合料的飞散损失，增加幅度约为32.4%。这表明掺入耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅对OGFC沥青混合料进行改性可适当降低老化作用对其内聚强度和耐磨性的影响。
（3）从未改性未老化的OGFC沥青混合料与改性老化OGFC沥青混合料飞散损失结果对比来看，两者的飞散损失结果相当，可以认为耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性能够弥补老化效应对OGFC沥青混合料造成的不利影响。
2.3 渗水试验
为检验耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性对OGFC沥青混合料排水性能的影响，首先计算改性前、后混合料试样的有效空隙率（即不考虑材料内部的闭口孔隙），结果如图4所示。
参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行渗水试验，采用轮碾法制作沥青混合料试件，改性前、后的OGFC沥青混合料分别制备三组平行试件。使用渗水仪测定每个试件的渗水系数，并计算平均值，试验结果见表4。
由图4可知，改性OGFC沥青混合料的有效空隙率减少了1.92%，原因是随着耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅材料的加入，OGFC混合料的内部空隙被部分填充，连通空隙减少。由表4可知，改性OGFC沥青混合料的渗水系数与未改性相比下降了18%，说明耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性降低了OGFC沥青混合料的排水性能。
2.4 抗滑试验
为评价耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性后OGFC沥青混合料的抗滑性能，参照《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008），成型L300 mm、宽300 mm、厚50 mm车辙板试件，采用摆式仪测试OGFC摆值。改性前、后OGFC沥青混合料的摆值测试结果如图5所示。
图5所示的测试结果表明，添加耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅材料可将OGFC的摆值降低6%左右，说明对混合料的路面抗滑性能有所改善。这主要是因为耐碱玻璃纤维表面的粗糙度较高，同时耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅的加入减少了混合料内部的有效空隙。
2.5 冻融劈裂试验
通过开展冻融劈裂试验以评价耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性后OGFC沥青混合料的水稳定性。采用马歇尔击实法成型OGFC沥青混合料圆柱体试件，双面击实各50次，根据是否进行改性和冻融将试件分成四组，每组4个试件。将需要进行冻融的两组试件经真空饱水后放置在-18 ℃的环境中冷冻16 h，取出后立即放入60 ℃恒温水槽中保温24 h，完成后同另外两组试件全部浸入25 ℃恒温水槽中备用。使用MTS万能试验机开展劈裂试验，试验温度为25 ℃，加载速率为50 mm/min。混合料劈裂抗拉强度试验结果如图6所示。
劈裂抗拉强度试验结果表明，经耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性后的OGFC沥青混合料试件，其冻融前和冻融后的间接拉伸强度较未改性的混合料分别提升了28%和34%。这种增长主要归功于纳米二氧化硅改性沥青的高韧性以及耐碱玻璃纤维的高抗拉强度，混合料中分布的具有低伸长率和高拉伸模量的耐碱玻璃纤维可以有效防止裂纹的萌生和扩展，因而改性后的OGFC沥青混合料具有更出色的抗裂性能。此外，对比改性前后OGFC沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比可以发现，经耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性的混合料具有更高的TSR值，说明该改性方式有助于提高OGFC沥青混合料的水稳定性。
2.6 车辙试验
通过开展车辙试验以评价耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性后OGFC沥青混合料的高温稳定性。按规范要求使用轮碾成型机碾压成型长300 mm、宽300 mm、厚50 mm的板状试件，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，碾压速度为42次/min。试验结果见图7。
由图7可知，与未改性的OGFC沥青混合料相比，改性OGFC沥青混合料的动稳定度提升了约20%，可见掺入适量的耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅能够提高混合料的高温抗车辙性能。其原因在于耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅材料具有高弹性恢复能力，同时耐碱玻璃纤维的粗糙表面也在一定程度上减少了集料之间因相互位移而产生的塑性应变。
3 结语
本研究主要得出以下结论：
（1）在相同的老化条件下，耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性显著降低了OGFC沥青混合料的飞散损失，有利于提高混合料的耐磨性及内聚强度，且能在一定程度上弥补混合料因老化效应导致的性能损失。
（2）采用耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅对OGFC沥青混合料进行复合改性，虽然会降低OGFC沥青混合料排水性能，但降低幅度较小。由于耐碱玻璃纤维表面的粗糙度较高，混合料的路面抗滑性能有所改善。
（3）采用耐碱玻璃纤维和纳米二氧化硅复合改性可显著提升OGFC沥青混合料水稳定性及高温稳定性，在0.2%耐碱玻璃纤维和4%纳米二氧化硅掺量下，OGFC沥青混合料冻融劈裂抗拉强度提升34%，动稳定度提升近20%。
参考文献
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作者简介：
夏天文（1968―），工程师，主要从事公路建设与养护管理工作。
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