钟志锋，丁海波

(1.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 211100；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)



纳米抗剥落剂Zycosoil路用性能试验研究

钟志锋1，丁海波2

(1.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 211100；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

研究了纳米材料Zycosoil对沥青混合料水损害的影响.对具有代表性的两种集料类型石灰岩和花岗岩进行了评估.为评估Zycosoil对热拌沥青混合料水损害的影响，对照组混合料(无Zycosoil)和含有Zycosoil的混合料，在干燥和潮湿条件下进行了测试，使用间接抗拉强度(ITS)和间接拉伸疲劳(ITF)试验.结果表明，与花岗岩相比石灰岩具有较低的水损害可能.对两种类型的集料而言，含有Zycosoil的混合料ITST和ITFT的潮湿/干燥下值的比值高于对照组的值.然而，采用花岗岩集料的混合料采用Zycosoil后更加有效.

纳米技术；水损害；沥青混合料；路面工程

0 引言

世界范围内沥青路面的水损坏已经被认为是一个普遍的问题.水渗入路面结构可能引起沥青路面早起损坏.水损坏一般分为两种机理:①粘附性的损失;②内聚力的损失.粘附性的损失是由于水分进入沥青胶结料和集料之间，且使沥青薄膜剥落.内聚力的损失是由于沥青玛蹄脂的软化.这两种机理是相互关联的，路面的水损害可能是由于两种机理共同作用的结果[1].使用抗剥落剂(ASA)是提高沥青混合料水敏感性最常用的方法.如今使用的典型抗剥落剂为脂肪胺类和脂肪酰氨基胺类.应该指出的是，一个高效的外加剂必须提高无水分条件及有水分条件下的特性，为了确保良好的长期性能，这一点常规的抗剥落剂常常不能做到[2].

本文研究中使用间接拉伸强度(ITS)和间接拉伸疲劳(ITF)试验评估水损害对HMA的影响.ITS试验用于检测沥青混合料由于水分引起的强度损失，而ITF试验用于检验水分对沥青混合料疲劳响应的作用.抗剥落剂采用美国进口的新型纳米抗剥落剂Zycosoil(简称“Zy”).

1 研究目标

与典型的胺类抗剥落剂相反，Zycosoil纳米技术在集料表面生成了一个疏水纳米层，因为其使亲水的硅醇基团转变为疏水的硅氧基团.尽管Zycosoil和胺类抗剥落剂均降低了水损害，Zycosoil与胺类之间关键的差异为Zycosoil永久地消除水敏感的表面，使其亲油，而胺类仅能使其表面湿润，并没有对表面进行化学改性.相反，其总是保持亲水性，这导致对水的敏感性.

本研究的具体目的为：①评估Zycosoil作为一种外加剂对沥青混合料的影响； ②对采用及未采用Zycosoil处置的集料的沥青混合料在干燥及潮湿不同条件下进行ITS和ITF试验以评估其行为；③对采用及未采用Zycosoil处置的集料的混合料给出相应的疲劳模型.

2 材料

2.1 集料和沥青胶结料

在该研究中对两种类型的集料(石灰岩及花岗岩)进行了评估.集料的化学组分列于表1.两种集料的物理特性如表2所示. 沥青胶结料的工程特性列于表3中.该研究中采用的集料级配(规范对AC-20的平均范围)如表4所示.该级配的公称粒径为19.0 mm.

表1 两种集料的化学组成

表2 集料的特性

表3 70号沥青试验结果

表4 该研究中使用的集料级配

2.2 外加剂

本研究使用的Zycosoil纳米材料为美国进口的高级防水剂，由重庆智翔道路材料公司提供.该抗剥落剂的用量正常为集料重量的1%～1.6%之间.Zycosoil的物理和化学特性:性质为Zycosoil；形态为液体；颜色为淡黄色；闪点为220℃；25℃粘度为0.2～0.8 Pa·s.

3 试验步骤和方法

3.1 配合比设计

首先，Zycosoil溶液喷洒在集料表面，与集料混合后暴露于空气中干燥.然后，将集料加热到160～170℃保持24 h，此后在165℃下与沥青胶结料混合.最后，采用标准马歇尔设计方法设计沥青混合料.制备两组马歇尔试样.第一组试样用来确定最佳沥青用量.第二组是在最佳沥青用量下来评估HMA的力学特性.每组试验至少制备3个试样，以确定结果的再现性.

对石灰岩集料和花岗岩集料所确定的最佳沥青用量分别为5.6%和5.1%.对干燥和潮湿条件下的试样进行试验，潮湿条件为将试样放置于60℃的水中浸泡24 h.

3.2 间接拉伸强度试验(ITST)

根据AASHTO T-283试验方法采用经水浸泡后间接拉伸强度(ITS)来评价沥青混合料的抗剥落(水敏感性)[3].对每种配比的6种试样(干燥和潮湿)进行制备和压实.压实试样的孔隙率将在6.5%和7.5%之间.一半压实试样经水作用后试验.首先，对部分饱和的试样施加真空，水平在55%和80%之间.真空饱和的试样在60℃的水浴中保持24 h.其他三个试样不经水作用.在25℃下记录每个试样的破坏荷载.

3.3 间接拉伸疲劳试验(ITFT)

间接拉伸疲劳试验能够表征混合料的疲劳行为.在控制应变模式和控制应力模式下进行疲劳试验.在控制应变模式下，应变保持恒定，通过减少对试样的应力水平；在控制应力模式下，应力保持恒定，在试样内增加应变水平[4].不同学者对每个材料建立了拉伸应变和至破坏循环的次数之间的关系，在对数坐标中得到了应变与至破坏循环次数之间的线性关系，且开发了疲劳寿命预测方程.使用回归分析，开发了疲劳方程，具有与Wohler的疲劳预测模型(方程(1))相同的形式.

(3)

式中，Nf为试样至破坏时的循环次数，εt为施加的应变，此外K1和K2为与混合料特性相关的系数.

采用诺丁汉沥青测试仪(ZyT)通过施加重复荷载，同时固定试样沿着直径轴方向的振幅，以恒定应力模式测量试样的疲劳寿命.重复荷载包括0.1 s的加载试件，接着是0.4 s的间隙时间.圆柱体试样的直径，高度和孔隙率分别为101.6 mm，40 mm和4%，在25℃下进行试验.

4 结果和讨论

4.1 间接拉伸强度试验(ITS)

图1和图2显示了两种集料类型的HMA混合料干燥条件和潮湿条件下的拉伸强度(TS)和TSR特性.采用石灰岩的对照组(不含Zycosoil)的TSR高于采用花岗岩对照组混合料，这表明其具有较好的抗水损害能力.这是由于花岗岩与石灰岩相比含有较多的SiO2，而SiO2会引起了沥青与集料之间的黏结降低.

图1 干燥和潮湿条件下的拉伸强度(AASHTO T283)

图2 拉伸强度比结果

数据同样表明，对两种集料而言采用Zycosoil均显著提高了干燥条件及潮湿条件下的拉伸强度. 所有经Zycosoil处置后的混合料TSR值均大于80%.与对照组试样相比，对石灰岩集料和花岗岩集料混合料添加Zycosoil后，TSR值分别提高3%和14%.因此，对花岗岩集料的混合料采用Zycosoil更加有效.Zycosoil移动到极性亲水表面，与硅醇基团发生反应，且形成Si-O-Si硅氧键(自然界中最强的化学键)且形成分子级的疏水区域(排斥水分).该过程如图3所示.

图3 集料表面结构

4.2 间接拉伸疲劳试验(ITFT)

间接拉伸疲劳试验结果如图4.图中对每个应变水平下每个试样的平均结果绘制了回归直线.结果表明，施加的初始拉伸应变的对数和疲劳寿命(直到破坏施加的荷载重复次数)的对数之间通常存在线性关系.对干燥和潮湿条件下每个类型的集料的疲劳方程和疲劳寿命比如表5所示.

(a) 花岗岩混合料

(b) 石灰岩混合料

对获得的疲劳试验结果的分析表明，花岗岩混合料的疲劳寿命更高，由于花岗岩坚硬且具有更多的棱角，提高了沥青混凝土混合料疲劳特性.此外，在沥青混凝土中使用Zycosoil增加了他们的疲劳寿命.这是由于两个原因，首先，采用Zycosoil裹覆集料可能增加填料的量，因此降低沥青混凝土中的孔隙.其次，Zycosoil对集料的表面进行了改性，导致了沥青混合料具有更好的压实效果.

表5 HMA的疲劳预测方程

在石灰岩和花岗岩集料混合料中采用Zycosoil导致疲劳寿命比分别增加了6%和25%.由于花岗岩集料的化学组成大约含有68.1%SiO2，采用花岗岩集料试样的疲劳寿命提高19%.

5 结论

(1)由于花岗岩硅醇基团密度更高，且Zycosoil使花岗岩集料转变为疏水硅氧基团，在采用花岗岩集料的混合料中更加有效；

(2)与对照组试样相比，在石灰岩和花岗岩集料混合料中采用Zycosoil，分别可使TSR分别提高3%和14%；

(3)由于花岗岩集料坚硬且有更多的棱角，采用花岗岩集料的沥青混合料具有更高的疲劳寿命；

(4)沥青混合料中采用Zycosoil提高了疲劳寿命，这是可能由于两个原因，首先，采用Zycosoil裹覆集料可能增加填料的量，因此降低了沥青混合料中的孔隙.其次，Zycosoil对集料的表面进行了改性，使其组成的沥青混合料更加容易压实；

(5)在石灰岩和花岗岩集料混凝土中采用Zycosoil导致疲劳寿命分别提高6%和25%；

(6)Zycosoil纳米抗剥落剂与传统的胺类抗剥落剂相比有明显的优势，而在我国应用较少，缺乏长期性能的观测数据，建议铺筑相应的试验路，以观测纳米抗剥落剂的长期效果.

[1]沈金安,沥青及沥青混合料路用性能[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

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2014BAG05B05)

钟志锋(1990-)，男 ，硕士研究生，从事混凝土破损与修补技术的研究E- mail:1403893572@qq.com .

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