于保陽(yáng)， 劉美鷗， 孫宗光

(1. 大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026； 2. 沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168； 3. 中鐵九局集團(tuán) 第一建設(shè)有限公司， 江蘇 蘇州 215299)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與指標(biāo)分析

1.1 試驗(yàn)原材料

本文采用玄武巖纖維、高粘改性劑與遼河90#基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性瀝青試驗(yàn).表1為基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo).玄武巖纖維由海寧安捷有限公司生產(chǎn)，其基本技術(shù)指標(biāo)如表2所示.高粘改性劑為國(guó)產(chǎn)OLB-1型，由多種聚合物復(fù)合而成，如圖1所示.

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indexes of matrix asphalt

表2 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indexes of basalt fiber

圖1 高粘改性劑Fig.1 High viscosity modifier

選取高粘改性劑摻量、玄武巖纖維摻量共2個(gè)影響因素，參考透水瀝青路面工程中的高粘改性劑摻量為8%和玄武巖纖維摻量為3%(占瀝青膠漿的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))兩種試樣[11-12].每個(gè)因素取4個(gè)水平，采用正交試驗(yàn)方法對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì).其中，基質(zhì)瀝青中的玄武巖纖維摻量為0%、1%、3%、5%；高粘改性劑摻量為0%、4%、8%、12%，試驗(yàn)試樣共16組.對(duì)兩種改性材料不同摻配比下復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度、錐入度、135 ℃粘度和小梁彎曲蠕變(BBR)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn).

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 粘度指標(biāo)

針入度、軟化點(diǎn)、135 ℃粘度均為瀝青粘度的一種表征形式.由于玄武巖纖維與高粘改性劑加入基質(zhì)瀝青中形成了非勻質(zhì)狀態(tài)的復(fù)合改性瀝青，若用針入度法測(cè)量復(fù)合改性瀝青的粘稠性，離散程度較大并且試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，因此本文采用錐入度法進(jìn)行測(cè)試[13].不同摻配比下復(fù)合改性瀝青的粘度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表3所示.

表3 復(fù)合改性瀝青粘度指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Viscosity index and test results of composite modified asphalt

通過(guò)表3數(shù)據(jù)分析可知，單一使用玄武巖纖維或高粘改性劑加入瀝青后，會(huì)對(duì)瀝青的粘度指標(biāo)產(chǎn)生影響.而對(duì)于兩種材料共同使用時(shí)，隨著摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)、135 ℃粘度明顯增大，錐入度下降.本文對(duì)玄武巖纖維和高粘改性劑不同摻配比與粘度指標(biāo)建立線(xiàn)性方程，對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行粘度預(yù)測(cè)分析.

1.2.2 延 度

延度指標(biāo)能夠間接評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能，延度越大，低溫延展性越好，低溫條件下變形程度越高，抵抗開(kāi)裂性能越好.本文選擇5 ℃環(huán)境條件對(duì)16組改性瀝青進(jìn)行低溫延度試驗(yàn).圖2為復(fù)合改性瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果.

圖2 復(fù)合改性瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Ductility test results of composite modified asphalt

由圖2可知，不摻加玄武巖纖維時(shí)，隨著高粘改性劑摻量的增加，延度值增大；當(dāng)高粘改性劑摻量為0%、4%、8%、12%時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，延度值減小.玄武巖纖維吸收瀝青內(nèi)的輕質(zhì)組分，使得瀝青體現(xiàn)出脆性，摻量增大使其延展性降低；高粘改性劑的摻入能夠增強(qiáng)纖維與瀝青間的粘結(jié)作用，提高瀝青在低溫時(shí)的拉伸變形能力，彌補(bǔ)纖維摻入后延度降低的不足，體現(xiàn)出兩種材料復(fù)合改性的優(yōu)勢(shì).

1.2.3 低溫蠕變?cè)囼?yàn)

為了進(jìn)一步研究復(fù)合改性瀝青低溫性能，本文引入低溫蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)采用低溫彎曲流變儀(BBR).在不同溫度下，對(duì)16組不同摻配比復(fù)合改性瀝青澆筑的小梁試件進(jìn)行測(cè)定，得到其勁度模量S和蠕變速率值m.

SHARP計(jì)劃提出，瀝青的勁度模量S值過(guò)大，瀝青呈現(xiàn)脆性，表示模量值越小越好，瀝青抵抗永久變形的能力越強(qiáng)；瀝青的蠕變速率值m越大，表明瀝青勁度的時(shí)間敏感性越強(qiáng)，路面隨著溫度降低發(fā)生收縮時(shí)產(chǎn)生低溫開(kāi)裂的可能性減小[14-16].本文根據(jù)東北氣候條件，采用BBR分別在-18 ℃和-24 ℃條件下對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，進(jìn)一步評(píng)價(jià)其低溫性能.表4為東北季凍區(qū)氣候條件數(shù)據(jù).圖3～4為兩種溫度下復(fù)合改性瀝青蠕變勁度模量值和蠕變速率值.

表4 東北季凍區(qū)氣候條件Tab.4 Climate conditions of seasonal frozen region in northeast China

圖3 復(fù)合改性瀝青蠕變勁度模量值Fig.3 Creep stiffness modulus of composite modified asphalt

由圖3可以看出，在-18 ℃和-24 ℃，S值隨著溫度的下降而升高，溫度降低，瀝青的低溫變形能力變差.在摻入兩種改性材料后，瀝青的蠕變勁度模量S值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).當(dāng)高粘改性劑的摻量一定時(shí)，S值隨著玄武巖纖維摻量的增加先減小后變大；當(dāng)玄武巖纖維摻量一定時(shí)，S值隨著高粘改性劑摻量的升高先增大后減小.在兩種溫度下，玄武巖纖維與高粘改性劑摻配比為3%和12%時(shí)的S值均達(dá)到最小，說(shuō)明兩種材料可以綜合提高瀝青低溫變形的能力.但當(dāng)纖維摻量大于3%時(shí)，S值開(kāi)始變大，這是因?yàn)檫^(guò)量的纖維在高溫澆筑試件時(shí)極易粘結(jié)成塊狀，導(dǎo)致低溫下瀝青的蠕變模量增大.

由圖4可以看出，在不同溫度下，溫度越低，瀝青的蠕變速率值m越小.當(dāng)摻入玄武巖纖維和高粘改性劑后，m值先增大后減小，玄武巖纖維摻量為1%時(shí)達(dá)到最大，該摻量下玄武巖纖維與高粘改性劑復(fù)合改性對(duì)于提高瀝青的應(yīng)力松弛能力最佳.隨著兩種材料摻量的增大，復(fù)合改性瀝青應(yīng)力松弛能力下降.在-24 ℃條件下，玄武巖纖維摻量為5%時(shí)，不同高粘改性劑摻量下的m值呈接近趨勢(shì)，如果繼續(xù)增加纖維摻量，各摻配比下的復(fù)合改性瀝青的應(yīng)力松弛能力將達(dá)到限值不變.雖然兩種材料可以綜合提高瀝青的低溫抗永久變形和應(yīng)力松弛能力，但要在合理?yè)搅康姆秶鷥?nèi)使用.

圖4 復(fù)合改性瀝青蠕變速率值Fig.4 Creep rate of composite modified asphalt

2 復(fù)合改性瀝青增粘預(yù)測(cè)

本文將玄武巖纖維與高粘改性劑同時(shí)作為固態(tài)的增強(qiáng)劑摻入基質(zhì)瀝青中，以物理混合方式影響瀝青的性能.以復(fù)合材料理論的廣義混合率為依據(jù)，將復(fù)合材料的性能看作是各組分的性能與相應(yīng)體積含量乘積的加權(quán)和，其表達(dá)式為

(1)

在高溫條件下，復(fù)合改性瀝青是以瀝青為液體，玄武巖纖維和高粘改性劑為固體的復(fù)合體系，對(duì)于兩相復(fù)合的固液懸浮體系來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的廣義混合率公式可以表示為

M=MW(1-VS)1/j

(2)

式中：M為復(fù)合改性瀝青的粘度指標(biāo)(軟化點(diǎn)、錐入度、135 ℃粘度)；MW為基質(zhì)瀝青粘度指標(biāo)值；VS為固體顆粒的體積分?jǐn)?shù).

當(dāng)式(2)滿(mǎn)足Albert Einstein在其經(jīng)典論文《論分子大小的測(cè)定》中做出的若干假設(shè)之后，即可推導(dǎo)出愛(ài)因斯坦增強(qiáng)模型(粘度方程式)為

M=MW(1+KEVS)

(3)

式中，KE為愛(ài)因斯坦系數(shù).KE也可看作改性材料的增粘速率，隨著瀝青中逐漸加入兩種改性材料的摻量變化，兩種改性材料產(chǎn)生一定的交互作用使增粘速率產(chǎn)生變化.根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)，兩種改性材料的固體粒子等大，在愛(ài)因斯坦粘度公式中加入交互作用系數(shù)β，擬定出復(fù)合改性瀝青粘度公式為

M=MW(1+βKEMh)=

MW[1+βKE(Mx+Mg)]

(4)

式中：Mh為玄武巖纖維與高粘改性劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mx為玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mg為高粘改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù).總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為兩種改性材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和.

2.1 增粘方程擬合

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，當(dāng)高粘改性劑摻量一定時(shí)，利用式(3)對(duì)不同玄武巖纖維摻量下的復(fù)合改性瀝青的粘度指標(biāo)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表5所示.

表5 不同高粘改性劑摻量的玄武巖纖維增粘方程Tab.5 Viscosifying equation of basalt fiber at different blending contents of high viscosity modifier

2.2 交互作用系數(shù)

將高粘改性劑摻量為4%、8%、12%時(shí)的復(fù)合改性瀝青增粘速率與高粘改性劑摻量為0%時(shí)的纖維改性瀝青增粘速率的比值作為交互作用系數(shù)βn′(n′=1，2，3)，并對(duì)所得交互作用系數(shù)進(jìn)行方程擬合，結(jié)果如表6～7所示.

表6 不同高粘改性劑摻量的交互作用系數(shù)Tab.6 Interaction coefficient of high viscosity modifier at different blending contents

2.3 增粘預(yù)測(cè)模型

將表7中交互作用系數(shù)方程代入式(4)中，可得到復(fù)合改性瀝青的粘度指標(biāo)(軟化點(diǎn)、錐入度、135 ℃粘度)的預(yù)測(cè)模型.

表7 不同高粘改性劑摻量的交互作用系數(shù)方程Tab.7 Interaction coefficient equation of high viscosity modifier at different blending contents

軟化點(diǎn)預(yù)測(cè)模型為

LSP=49.2[1+0.092(1-0.307 13Mg+

錐入度預(yù)測(cè)模型為

135 ℃粘度預(yù)測(cè)模型為

LV=0.334[1+0.379(1+0.023 25Mg-

3 復(fù)合改性瀝青性能的綜合評(píng)價(jià)

3.1 熵值組合權(quán)評(píng)價(jià)法

本文對(duì)16組玄武巖纖維與高粘改性劑不同摻配方案下的復(fù)合改性劑瀝青建立軟化點(diǎn)、錐入度、135 ℃粘度、延度、低溫蠕變多指標(biāo)體系，同時(shí)考慮復(fù)合改性瀝青對(duì)東北季凍區(qū)透水路面的適用性，需要對(duì)瀝青的高低溫指標(biāo)進(jìn)行主觀賦權(quán)來(lái)確定主觀權(quán)重系數(shù)，熵值法確定客觀權(quán)重系數(shù)，最后將主客觀權(quán)重系數(shù)“加成”得出各摻配方案的綜合評(píng)分.計(jì)算步驟如下：

1) 數(shù)據(jù)矩陣.將表1、圖2～4中試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入矩陣A中，方案序號(hào)和指標(biāo)順序(從左至右為1，2，…，8)如表8所示.

式中，Xij為第i個(gè)方案第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值，i=1，2，…，n，j=1，2，…，q.

2) 數(shù)據(jù)的非負(fù)數(shù)化處理.為了避免求熵值時(shí)對(duì)數(shù)的無(wú)意義，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)平移.

① 對(duì)于越大越好的指標(biāo)，則有

(5)

② 對(duì)于越小越好的指標(biāo)，則有

(6)

為了方便起見(jiàn)，記非負(fù)數(shù)化處理后的數(shù)據(jù)為Xij.

3) 計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)方案占該指標(biāo)的比重為

(7)

4) 計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值為

(8)

5) 求組合權(quán)值.

① 熵權(quán)值為

(9)

② 主觀賦權(quán).本文參考大量研究資料確定復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)的模糊權(quán)向量[17-18]，并考慮季凍區(qū)最低溫條件下瀝青性能指標(biāo)的適用性，對(duì)其多性能指標(biāo)進(jìn)行主觀權(quán)重分配，即

λ=(λ1，λ2，…，λn)=

(0.1，0.1，0.1，0.1，0.15，0.15，0.15，0.15)

③ 組合權(quán)值為

(10)

6) 計(jì)算各方案的綜合評(píng)分為

(11)

3.2 數(shù)據(jù)分析

將矩陣A按式(5)～(11)計(jì)算，得到16組復(fù)合改性瀝青指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非負(fù)數(shù)化處理值、熵權(quán)值、組合權(quán)值及各摻配方案的綜合評(píng)分，計(jì)算結(jié)果如表8所示.

由表8計(jì)算結(jié)果分析可知，方案15得到最高的綜合評(píng)分為3.22，為最佳摻配方案，與試驗(yàn)結(jié)果分析相互驗(yàn)證，在方案15摻配比下復(fù)合改性瀝青的低溫變形能力最強(qiáng)，兩種改性材料的最佳摻配比為高粘改性劑摻量12%，玄武巖纖維摻量3%.

表8 復(fù)合改性瀝青性能的熵值組合權(quán)綜合評(píng)分Tab.8 Comprehensive scores of composite modified asphalt performances with entropy-combination weight

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)多指標(biāo)瀝青性能試驗(yàn)，確定復(fù)合改性瀝青的最佳摻配比，高粘改性劑摻量為12%，玄武巖纖維摻量為3%.

2) 建立復(fù)合改性瀝青的增粘預(yù)測(cè)模型，擬合復(fù)合改性瀝青的增粘方程，可以較為精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)復(fù)合改性瀝青在不同摻配比下的性能.