蛭石在热阻路面中的应用研究

时间：2022-09-17 百科知识版权反馈

【摘要】：对加入蛭石的沥青玛蹄脂碎石混合料试件进行路用性能试验及热阻性能试验，得知蛭石确实能作为热阻材料应用于沥青混凝土路面，并且本文给出了沥青玛蹄脂碎石混合料中蛭石的最佳掺配比例。此外，蛭石还有防火及减轻载体负荷等作用。

杨凤雷，夏爽

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：杨凤雷（1988－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

夏爽（1993－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

摘要：研究表明沥青混凝土路面车辙主要由中面层高温变形引起的，本文将阻热材料——蛭石加入沥青路面表面层中，以阻止温度下传到中面层，从而解决沥青路面车辙问题。对加入蛭石的沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA－13）试件进行路用性能试验及热阻性能试验，得知蛭石确实能作为热阻材料应用于沥青混凝土路面，并且本文给出了沥青玛蹄脂碎石混合料中蛭石的最佳掺配比例。

关键词：蛭石；热阻；车辙；沥青玛蹄脂碎石混合料

Abstract：Research shows that the rutting of asphalt pavement is mainly the deformation of the middle layer caused by high temperature this paper adding the heat resistant material－vermiculite to the asphalt pavement surface layer to prevent the heat reaching the middle layer so as to solve the problem of rutting of asphalt pavement．By testing the road performance and heat resistance performance of Stone Mastic Asphalt（SMA－13）which joined in vermiculite，it is shown that the vermiculite can be applied in the asphalt pavement as resistance materials and the paper also gives the best blend ration of the vermiculite stone mastic asphalt mixture．

Key words：vermiculite；thermal resistance；rutting；stone mastic asphalt

1 前言

随着沥青路面在我国的大量应用，其各种病害产生原因及其防治已成为行业工作者的研究重点，其中车辙病害使沥青路面使用的行车安全性、舒适性及耐久性大大下降。

研究表明，半刚性基层沥青混凝土路面车辙病害主要是由沥青混凝土高温变形引起的，沥青混凝土面层各层对车辙的影响不同，其中中面层是车辙产生的主要层次，表面层次之，下面层最差［1］。传统解决高温车辙病害的方法是使用高性能沥青、改性沥青、优质集料或是骨架密实型沥青混合料，显然，这些被动的防治方法虽然起到了一定作用，但并未从根本上解决沥青路面高温车辙问题，还会增加工程造价［2］。因此，热阻路面这种变被动为主动的防治高温车辙的路面结构受到越来越多的道路工作者的青睐，冯德成等［3］将热阻材料陶粒、硅藻土应用到超薄磨耗层中和粘封层中，来解决沥青混凝土路面高温车辙问题，本文在借鉴前人研究的基础上，将热阻材料——蛭石应用到沥青玛蹄脂碎石混合料表面层中，来控制沥青路面温度的升高，从而有效缓解车辙问题。

2 原材料

2．1 蛭石

蛭石是一种层状结构的含镁的水铝硅酸盐次生变质矿物，其外形类似云母，往往在一定的花岗岩水合时产生。蛭石被加热到300℃时，它会膨胀20倍并发生弯曲，形成内部空隙率很大的轻质材料，具有很强的保温隔热性能。此外，蛭石还有防火及减轻载体负荷等作用。

本文所使用蛭石，粒径为0～5mm，堆积密度200kg／m3，经筛分其中大部分为0．3～0．6mm、0．6～1．18mm、1．18～2．36mm三个粒径范围，本研究拟将此三个粒径范围内的蛭石作为试验材料，蛭石筛分结果如表1所示。

表1 蛭石筛分结果

2．2 沥青

本试验所用沥青为茂名中石化SBS改性沥青，改性沥青所用基质沥青为70号沥青，SBS改性沥青按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20－2011）试验，其各项技术指标如表2所示。

表2 沥青试验指标

2．3 集料

粗集料采用玄武岩，机制砂，矿粉采用石灰岩，按照《公路工程集料试验规程》（JTG E20－2005）试验，其各项技术指标均满足规范要求，如表3、表4、表5所示。

表3 粗集料试验指标

表4 机制砂料试验指标

表5 矿粉料试验指标

2．4 纤维素

本试验配制沥青玛蹄脂碎石混合料所用木质纤维素密度为1．1g／cm3。

3 沥青玛蹄脂碎石混合料

3．1 沥青混合料SMA－13的设计

本试验采用沥青玛蹄脂碎石混合料SMA－13作为沥青路面表面层，其中粗集料用玄武岩，机制砂，矿粉为石灰岩。按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）附录C进行SMA－13配合比设计。采用级配及规范要求范围见表6，选定油石比6．2％，木质纤维素掺量为沥青混合料质量的0．3％。

表6 SMA－13级配范围

3．2 蛭石的加入

所购买蛭石粒径为0～5mm，经筛分其中大部分为0．3～0．6mm、0．6～1．18mm、1．18～2．36mm三个粒径范围。本文拟将筛分出来的三个粒径范围内的蛭石作为试验材料，以等体积的蛭石置换集料混合料中同粒径范围的集料，为此本文做了蛭石与细集料等体积置换的质量对应关系，如表7所示。

表7 等体积蛭石与集料质量关系

用蛭石分别替换集料混合料中0．3～0．6 mm、0．6～1．18mm、1．18～2．36mm三个粒径范围内的细集料，并采用不同百分率替换作对比，用蛭石分别替换0％、25％、50％、75％、100％的集料混合料中相应粒径范围的细集料。

3．3 马歇尔试验

分别以集料混合料中0．3～0．6mm、0．6～1．18mm、1．18～2．36mm三个粒径范围内集料被替换量为0％、25％、50％、75％、100％的沥青混合料进行标准马歇尔试验，试验结果如表8所示。

表8 马歇尔试验数据

分析表8数据可知：

（1）随着蛭石掺量的增加，沥青玛蹄脂碎石混合料的毛体积密度、沥青饱和度逐渐减小，空隙率、矿料间隙率增大，当蛭石掺量达到75％时，空隙率和沥青饱和度已超出规范要求范围。

（2）随着蛭石掺量的增加，沥青玛蹄脂碎石混合料稳定度先增大后趋于稳定，其流值则减小，但无规则。可见，掺入蛭石能够提高沥青玛蹄脂碎石混合料的马歇尔稳定度，同时导致流值下降。

（3）综上得出结论，蛭石的加入使沥青玛蹄脂碎石混合料的各项技术指标发生改变，但只要严格控制其掺量，则沥青玛蹄脂碎石混合料的使用性能不受影响。

4 沥青玛蹄脂碎石混合料表面层热阻性能试验

沥青路面产生车辙的直接原因就是沥青混合料路面高温变形，因此，解决沥青路面车辙问题最有效的方法是控制路面温度。沥青混凝土是由集料、沥青及空气组成的多相复合材料，根据文献［4］，热量在复合物体内传递时，热流要选择热阻最小的通道传递，据此，在沥青混合料中加入导热系数小于石料导热系数的蛭石，就相当于减小了热流的传递通道，以至限制热流在沥青混合料中的传递，不仅能控制表面层内部混合料温度，还能隔离大气温度传向中面层，从而控制沥青路面结构升温。

4．1 热阻试验设计

本试验目的在于对比掺加不同量蛭石后沥青混合料的热阻性能，按上述马歇尔试验配合比及蛭石掺量分别成型车辙板，并按蛭石掺量从小到大依次编号1～5。

试验设备包括自制保温箱、温度传感器、数据采集仪及碘钨灯等。将碘钨灯用作热辐射光源，碘钨灯投射的热量在车辙板上表面累计，使车辙板上表面升温，模拟沥青路面在太阳光辐射下路面表面升温的过程。

由于碘钨灯辐射强度为恒定值，与太阳光照时变化的强度差别较大，本文对碘钨灯辐射时间进行了确定。采用等效辐射热原理的方法，控制碘钨灯光照时间，在所用碘钨灯辐射强度下，试件表面累积热量与室外太阳光照下沥青路面达到热平衡时的热量相等，则试件得到的温度可近似为室外的热平衡温度，本文经过标定，采用碘钨灯照射沥青混凝土车辙试件5h。

在车辙板上下表面分别布设4个温度传感器采集温度，上下表面温度传感器位置重叠，再将车辙板放入自制保温箱，如图4－1所示，用碘钨灯照射试件，并用数据采集仪连续采集5小时内试件上下表面的温度值。

图4－1 粘贴传感器的车辙板放入保温箱

4．2 试验结果分析

按上述试验，分别测试5块车辙板上下表面温度，计算上下表面温度差，并绘制各试件上下表面温度差随时间变化的折线图，如图4－2所示。

（1）由图4－2可知，在试验开始后1．5h内，各试件上下表面温度差都急剧增大，在第1．5到3．5h期间试件上下表面温差缓慢平稳上升，3．5 h以后各试件上下表面温差有下降趋势，并趋于稳定；1～5号试件上下表面温度差依次增大，即随着蛭石掺量的增加，试件上下表面温度差增大，当蛭石掺量为100％时，试件上下表面温度差比不加蛭石试件温度差大5．4℃。这说明加入蛭石的沥青玛蹄脂碎石混合料路面确实有热阻能力。

（2）根据文献［5］，沥青混合料的动稳定度随其内部温度变化成幂函数变化，温度下降，沥青混合料的动稳定度会明显增大。掺入热阻材料蛭石，沥青玛蹄脂碎石混合料内部温度及其下承层——中面层温度得到控制，也就增加了路面结构动稳定度，从而有效缓解沥青路面车辙问题。

图4－2 各车辙板上下表面温度差折线图

5 沥青玛蹄脂碎石混合料表面层路用性能试验

5．1 车辙试验

用蛭石掺量为0％、25％、50％、75％、100％沥青玛蹄脂碎石混合料分别成型车辙试件，进行车辙试验，试验结果如表9所示。

表9 车辙试验结果

由表9数据可知，掺入蛭石，沥青玛蹄脂碎石混合料动稳定度增大，随着蛭石掺量的增加，混合料的动稳定度基本成增大趋势。蛭石是一种吸水性强的材料，蛭石掺入沥青混合料后吸收大量自由沥青，致使混合料中自由沥青大量减少，这样车辙试件在接受压应力时，集料之间的润滑作用大大减小，混合料中集料受挤压发生位移很小，以至车辙试件动稳定度增大。

5．2 水稳定性试验

对不同蛭石掺量的沥青玛蹄脂碎石混合料分别进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，检验其水稳定性，试验结果如表10所示。

表10 水稳定性试验结果

由表10数据可知，掺入蛭石，沥青玛蹄脂碎石混合料的浸水马歇尔试验残留稳定及冻融劈裂试验强度比都会降低，且蛭石掺量越多，其值下降越大；尤其冻融劈裂强度比，在蛭石掺量达到75％、100％时，已不能满足规范要求。蛭石本身吸水率大于矿质集料，沥青混合料中掺入蛭石后，在水环境中会吸收较多的水分存于其中，导致沥青混合水稳定性下降。因此，在应用中蛭石的掺量不宜过多，否则会影响沥青路面的水稳定性。

5．3 低温弯曲试验

用蛭石掺量为0％、25％、50％、75％、100％沥青玛蹄脂碎石混合料分别成型车辙试件，然后切制成长250mm宽30mm高35mm的棱柱体小梁，按试验规程，进行低温弯曲试验，试验结果如表11所示。

表11 低温弯曲试验结果

由表11试验数据可以看出，随着蛭石产量的增加，玛蹄脂磷石混合料低温稳定性下降，但都符合规范要求，这是因为掺入的蛭石吸收了大量沥青，沥青混合料中自由沥青减少，其低温抗裂性能减弱。

5．4 其他

按规范对不同蛭石掺量的沥青玛蹄脂碎石混合料进行谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验，试验结果如表12所示。

由表12数据可知，随着蛭石掺量的增加，玛蹄脂碎石混合料析漏试验的沥青结合料损失率增大，当蛭石掺量达到100％时，损失率已超出规范要求；但蛭石的加入，对肯塔堡飞散试验的混合料损失率没有明显影响。

表12 试验结果

6 结束语

（1）在沥青玛蹄脂碎石混合料中掺加蛭石能够提高沥青混合料的热阻性能，蛭石掺量越大，热阻效果越明显。蛭石的加入降低了热流在沥青混合料中的传递效率，不仅有效控制了表面层材料内部温度，同时也隔离了中面层，使其免于在高温环境中升温过快，从而大大减轻沥青路面车辙问题。

（2）蛭石的掺加会影响沥青玛蹄脂碎石混合料的各项技术指标，其中于其水稳定性是不利的，随着蛭石掺量的增加，这种不利是增加的，因此，蛭石掺量不宜过多，依据试验数据，建议蛭石掺量在50％左右。

参考文献