鐘志鋒，丁海波

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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納米抗剝落劑Zycosoil路用性能試驗(yàn)研究

鐘志鋒1，丁海波2

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

研究了納米材料Zycosoil對(duì)瀝青混合料水損害的影響.對(duì)具有代表性的兩種集料類(lèi)型石灰?guī)r和花崗巖進(jìn)行了評(píng)估.為評(píng)估Zycosoil對(duì)熱拌瀝青混合料水損害的影響，對(duì)照組混合料(無(wú)Zycosoil)和含有Zycosoil的混合料，在干燥和潮濕條件下進(jìn)行了測(cè)試，使用間接抗拉強(qiáng)度(ITS)和間接拉伸疲勞(ITF)試驗(yàn).結(jié)果表明，與花崗巖相比石灰?guī)r具有較低的水損害可能.對(duì)兩種類(lèi)型的集料而言，含有Zycosoil的混合料ITST和ITFT的潮濕/干燥下值的比值高于對(duì)照組的值.然而，采用花崗巖集料的混合料采用Zycosoil后更加有效.

納米技術(shù)；水損害；瀝青混合料；路面工程

0 引言

世界范圍內(nèi)瀝青路面的水損壞已經(jīng)被認(rèn)為是一個(gè)普遍的問(wèn)題.水滲入路面結(jié)構(gòu)可能引起瀝青路面早起損壞.水損壞一般分為兩種機(jī)理:①粘附性的損失;②內(nèi)聚力的損失.粘附性的損失是由于水分進(jìn)入瀝青膠結(jié)料和集料之間，且使瀝青薄膜剝落.內(nèi)聚力的損失是由于瀝青瑪蹄脂的軟化.這兩種機(jī)理是相互關(guān)聯(lián)的，路面的水損害可能是由于兩種機(jī)理共同作用的結(jié)果[1].使用抗剝落劑(ASA)是提高瀝青混合料水敏感性最常用的方法.如今使用的典型抗剝落劑為脂肪胺類(lèi)和脂肪酰氨基胺類(lèi).應(yīng)該指出的是，一個(gè)高效的外加劑必須提高無(wú)水分條件及有水分條件下的特性，為了確保良好的長(zhǎng)期性能，這一點(diǎn)常規(guī)的抗剝落劑常常不能做到[2].

本文研究中使用間接拉伸強(qiáng)度(ITS)和間接拉伸疲勞(ITF)試驗(yàn)評(píng)估水損害對(duì)HMA的影響.ITS試驗(yàn)用于檢測(cè)瀝青混合料由于水分引起的強(qiáng)度損失，而ITF試驗(yàn)用于檢驗(yàn)水分對(duì)瀝青混合料疲勞響應(yīng)的作用.抗剝落劑采用美國(guó)進(jìn)口的新型納米抗剝落劑Zycosoil(簡(jiǎn)稱(chēng)“Zy”).

1 研究目標(biāo)

與典型的胺類(lèi)抗剝落劑相反，Zycosoil納米技術(shù)在集料表面生成了一個(gè)疏水納米層，因?yàn)槠涫褂H水的硅醇基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷墓柩趸鶊F(tuán).盡管Zycosoil和胺類(lèi)抗剝落劑均降低了水損害，Zycosoil與胺類(lèi)之間關(guān)鍵的差異為Zycosoil永久地消除水敏感的表面，使其親油，而胺類(lèi)僅能使其表面濕潤(rùn)，并沒(méi)有對(duì)表面進(jìn)行化學(xué)改性.相反，其總是保持親水性，這導(dǎo)致對(duì)水的敏感性.

本研究的具體目的為：①評(píng)估Zycosoil作為一種外加劑對(duì)瀝青混合料的影響； ②對(duì)采用及未采用Zycosoil處置的集料的瀝青混合料在干燥及潮濕不同條件下進(jìn)行ITS和ITF試驗(yàn)以評(píng)估其行為；③對(duì)采用及未采用Zycosoil處置的集料的混合料給出相應(yīng)的疲勞模型.

2 材料

2.1 集料和瀝青膠結(jié)料

在該研究中對(duì)兩種類(lèi)型的集料(石灰?guī)r及花崗巖)進(jìn)行了評(píng)估.集料的化學(xué)組分列于表1.兩種集料的物理特性如表2所示. 瀝青膠結(jié)料的工程特性列于表3中.該研究中采用的集料級(jí)配(規(guī)范對(duì)AC-20的平均范圍)如表4所示.該級(jí)配的公稱(chēng)粒徑為19.0 mm.

表1 兩種集料的化學(xué)組成

表2 集料的特性

表3 70號(hào)瀝青試驗(yàn)結(jié)果

表4 該研究中使用的集料級(jí)配

2.2 外加劑

本研究使用的Zycosoil納米材料為美國(guó)進(jìn)口的高級(jí)防水劑，由重慶智翔道路材料公司提供.該抗剝落劑的用量正常為集料重量的1%～1.6%之間.Zycosoil的物理和化學(xué)特性:性質(zhì)為Zycosoil；形態(tài)為液體；顏色為淡黃色；閃點(diǎn)為220℃；25℃粘度為0.2～0.8 Pa·s.

3 試驗(yàn)步驟和方法

3.1 配合比設(shè)計(jì)

首先，Zycosoil溶液噴灑在集料表面，與集料混合后暴露于空氣中干燥.然后，將集料加熱到160～170℃保持24 h，此后在165℃下與瀝青膠結(jié)料混合.最后，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)瀝青混合料.制備兩組馬歇爾試樣.第一組試樣用來(lái)確定最佳瀝青用量.第二組是在最佳瀝青用量下來(lái)評(píng)估HMA的力學(xué)特性.每組試驗(yàn)至少制備3個(gè)試樣，以確定結(jié)果的再現(xiàn)性.

對(duì)石灰?guī)r集料和花崗巖集料所確定的最佳瀝青用量分別為5.6%和5.1%.對(duì)干燥和潮濕條件下的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，潮濕條件為將試樣放置于60℃的水中浸泡24 h.

3.2 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)(ITST)

根據(jù)AASHTO T-283試驗(yàn)方法采用經(jīng)水浸泡后間接拉伸強(qiáng)度(ITS)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗剝落(水敏感性)[3].對(duì)每種配比的6種試樣(干燥和潮濕)進(jìn)行制備和壓實(shí).壓實(shí)試樣的孔隙率將在6.5%和7.5%之間.一半壓實(shí)試樣經(jīng)水作用后試驗(yàn).首先，對(duì)部分飽和的試樣施加真空，水平在55%和80%之間.真空飽和的試樣在60℃的水浴中保持24 h.其他三個(gè)試樣不經(jīng)水作用.在25℃下記錄每個(gè)試樣的破壞荷載.

3.3 間接拉伸疲勞試驗(yàn)(ITFT)

間接拉伸疲勞試驗(yàn)?zāi)軌虮碚骰旌狭系钠谛袨?在控制應(yīng)變模式和控制應(yīng)力模式下進(jìn)行疲勞試驗(yàn).在控制應(yīng)變模式下，應(yīng)變保持恒定，通過(guò)減少對(duì)試樣的應(yīng)力水平；在控制應(yīng)力模式下，應(yīng)力保持恒定，在試樣內(nèi)增加應(yīng)變水平[4].不同學(xué)者對(duì)每個(gè)材料建立了拉伸應(yīng)變和至破壞循環(huán)的次數(shù)之間的關(guān)系，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中得到了應(yīng)變與至破壞循環(huán)次數(shù)之間的線性關(guān)系，且開(kāi)發(fā)了疲勞壽命預(yù)測(cè)方程.使用回歸分析，開(kāi)發(fā)了疲勞方程，具有與Wohler的疲勞預(yù)測(cè)模型(方程(1))相同的形式.

(3)

式中，Nf為試樣至破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，εt為施加的應(yīng)變，此外K1和K2為與混合料特性相關(guān)的系數(shù).

采用諾丁漢瀝青測(cè)試儀(ZyT)通過(guò)施加重復(fù)荷載，同時(shí)固定試樣沿著直徑軸方向的振幅，以恒定應(yīng)力模式測(cè)量試樣的疲勞壽命.重復(fù)荷載包括0.1 s的加載試件，接著是0.4 s的間隙時(shí)間.圓柱體試樣的直徑，高度和孔隙率分別為101.6 mm，40 mm和4%，在25℃下進(jìn)行試驗(yàn).

4 結(jié)果和討論

4.1 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)(ITS)

圖1和圖2顯示了兩種集料類(lèi)型的HMA混合料干燥條件和潮濕條件下的拉伸強(qiáng)度(TS)和TSR特性.采用石灰?guī)r的對(duì)照組(不含Zycosoil)的TSR高于采用花崗巖對(duì)照組混合料，這表明其具有較好的抗水損害能力.這是由于花崗巖與石灰?guī)r相比含有較多的SiO2，而SiO2會(huì)引起了瀝青與集料之間的黏結(jié)降低.

圖1 干燥和潮濕條件下的拉伸強(qiáng)度(AASHTO T283)

圖2 拉伸強(qiáng)度比結(jié)果

數(shù)據(jù)同樣表明，對(duì)兩種集料而言采用Zycosoil均顯著提高了干燥條件及潮濕條件下的拉伸強(qiáng)度. 所有經(jīng)Zycosoil處置后的混合料TSR值均大于80%.與對(duì)照組試樣相比，對(duì)石灰?guī)r集料和花崗巖集料混合料添加Zycosoil后，TSR值分別提高3%和14%.因此，對(duì)花崗巖集料的混合料采用Zycosoil更加有效.Zycosoil移動(dòng)到極性親水表面，與硅醇基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，且形成Si-O-Si硅氧鍵(自然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵)且形成分子級(jí)的疏水區(qū)域(排斥水分).該過(guò)程如圖3所示.

圖3 集料表面結(jié)構(gòu)

4.2 間接拉伸疲勞試驗(yàn)(ITFT)

間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖4.圖中對(duì)每個(gè)應(yīng)變水平下每個(gè)試樣的平均結(jié)果繪制了回歸直線.結(jié)果表明，施加的初始拉伸應(yīng)變的對(duì)數(shù)和疲勞壽命(直到破壞施加的荷載重復(fù)次數(shù))的對(duì)數(shù)之間通常存在線性關(guān)系.對(duì)干燥和潮濕條件下每個(gè)類(lèi)型的集料的疲勞方程和疲勞壽命比如表5所示.

(a) 花崗巖混合料

(b) 石灰?guī)r混合料

對(duì)獲得的疲勞試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，花崗巖混合料的疲勞壽命更高，由于花崗巖堅(jiān)硬且具有更多的棱角，提高了瀝青混凝土混合料疲勞特性.此外，在瀝青混凝土中使用Zycosoil增加了他們的疲勞壽命.這是由于兩個(gè)原因，首先，采用Zycosoil裹覆集料可能增加填料的量，因此降低瀝青混凝土中的孔隙.其次，Zycosoil對(duì)集料的表面進(jìn)行了改性，導(dǎo)致了瀝青混合料具有更好的壓實(shí)效果.

表5 HMA的疲勞預(yù)測(cè)方程

在石灰?guī)r和花崗巖集料混合料中采用Zycosoil導(dǎo)致疲勞壽命比分別增加了6%和25%.由于花崗巖集料的化學(xué)組成大約含有68.1%SiO2，采用花崗巖集料試樣的疲勞壽命提高19%.

5 結(jié)論

(1)由于花崗巖硅醇基團(tuán)密度更高，且Zycosoil使花崗巖集料轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷柩趸鶊F(tuán)，在采用花崗巖集料的混合料中更加有效；

(2)與對(duì)照組試樣相比，在石灰?guī)r和花崗巖集料混合料中采用Zycosoil，分別可使TSR分別提高3%和14%；

(3)由于花崗巖集料堅(jiān)硬且有更多的棱角，采用花崗巖集料的瀝青混合料具有更高的疲勞壽命；

(4)瀝青混合料中采用Zycosoil提高了疲勞壽命，這是可能由于兩個(gè)原因，首先，采用Zycosoil裹覆集料可能增加填料的量，因此降低了瀝青混合料中的孔隙.其次，Zycosoil對(duì)集料的表面進(jìn)行了改性，使其組成的瀝青混合料更加容易壓實(shí)；

(5)在石灰?guī)r和花崗巖集料混凝土中采用Zycosoil導(dǎo)致疲勞壽命分別提高6%和25%；

(6)Zycosoil納米抗剝落劑與傳統(tǒng)的胺類(lèi)抗剝落劑相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，而在我國(guó)應(yīng)用較少，缺乏長(zhǎng)期性能的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建議鋪筑相應(yīng)的試驗(yàn)路，以觀測(cè)納米抗剝落劑的長(zhǎng)期效果.

[1]沈金安,瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社,2001.

[2]PETER E, SEBAALY PE.Comparison of lime and liquid additives on the moisture damage of hot mix asphalt mixtures[M]. USA: Prepared for the National Lime Association,2007.

[3]YONGJIE X, HAOBO H, SHUJING Z,et al.Utilization of municipal solid waste incineration ash in stone mastic asphalt mixture: pavement performance and environmental impact[J].Construction and Building Materials,2009,23:989-996.

[4]ARABANI M,MIRABDOLAZIMI SM,SASANI AR.The effect of waste tire thread mesh on the dynamic behavior of asphalt mixtures[J].Construction and Building Materials,2010,24:1060-1080.

Study of Nano-Antistripping Agent Zycosoil Performance Test Research

ZHONG Zhifeng1, DING Haibo2

(1.College of Mechanics and Materials, Hehai University, Nanjing 211100,China;2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031,China)

The effects of nanomaterial, namely Zycosoil on the moisture damage of asphalt mixtures were studied. Two types of aggregates that represent a considerable range in mineralogy, limestone and granite, were evaluated. To assess the impact of Zycosoil on moisture damage of hot mix asphalt, the control mixes without Zycosoil and the mixes containing Zycosoil in dry and wet conditions were evaluated using indirect tensile-strength (ITS) and indirect tensile fatigue (ITF) tests. The results show that limestone has less moisture damage potential compared to granite. The ratio of wet/dry values of ITST and ITFT for the mixes containing Zycosoil is higher than the control mix for two types of aggregate. However, the mixtures made of granite aggregate with Zycosoil is more effective.

nano-technology; moisture damage; asphalt concrete; pavement engineering

1673- 9590(2016)02- 0065- 04

2015- 09-14

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BAG05B05)

鐘志鋒(1990-)，男 ，碩士研究生，從事混凝土破損與修補(bǔ)技術(shù)的研究E- mail:1403893572@qq.com .

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