硅藻土改性瀝青性能研究*

楊 超 謝 君 周小俊

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

我國(guó)90%的高等級(jí)公路都是瀝青路面.瀝青路面的使用壽命與其采用的瀝青的品質(zhì)密切相關(guān).近年來，由于瀝青自身存在的缺點(diǎn)如高溫變軟、低溫變脆和疲勞開裂等，使大部分原產(chǎn)瀝青都不能滿足高等級(jí)公路的使用要求[1].因此對(duì)瀝青加以改性來提升其高、低溫性能和疲勞性能，達(dá)到延長(zhǎng)路面服役年限的目的是一種較為理想的手段.

瀝青改性劑分為有機(jī)和無機(jī)兩類.現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外對(duì)有機(jī)改性劑的研究和使用比較多，聚合物改性劑如SBS憑借其良好的抗老化、抗車轍、抗疲勞性，已成為目前世界上使用最普遍的瀝青改性劑[2].但聚合物改性劑的高價(jià)格和復(fù)雜的改性工藝制約了改性瀝青的發(fā)展和應(yīng)用.

相比之下，無機(jī)改性劑不僅可以通過改善瀝青與礦料的界面作用來提升混合料的路用性能，更重要的是其豐富的儲(chǔ)量、低廉的價(jià)格和簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝等特點(diǎn)更符合路面的實(shí)際鋪筑.其中硅藻土被認(rèn)為是一種非常有潛力的無機(jī)改性劑.

硅藻土作為一種天然礦物，具有比表面積大、孔徑小和獨(dú)特的活性基團(tuán)等特點(diǎn).近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硅藻土改性瀝青的研究開展了大量的工作.Baldi等[3]研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土的加入能提升瀝青膠漿的疲勞性能.Zhang等[4]研究發(fā)現(xiàn)加入硅藻土后，瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)顯著降低，勁度模量增大，蠕變速率降低.孟召明[5]研究發(fā)現(xiàn)，適宜摻量的硅藻土能增大瀝青的蠕變速率.劉麗等[6]研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土摻量超過15%后，改性瀝青的疲勞性能會(huì)下降.鮑燕妮[7]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)硅藻土改性后瀝青的感溫性、高溫性能和抗老化性都得到一定程度的改善.

以上研究表明，硅藻土的摻入能改善瀝青的高溫性能，但其摻量對(duì)瀝青低溫性能和疲勞性能的影響仍有諸多爭(zhēng)議.文中利用基質(zhì)瀝青，通過添加不同摻量硅藻土以研究硅藻土改性瀝青的綜合性能，包括瀝青基本性能、高低溫性能和疲勞性能的影響，以確定硅藻土的最佳摻量.

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用70號(hào)(AH70)基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)見表1.硅藻土瀝青改性劑由某公司生產(chǎn)，見圖1，主要技術(shù)指標(biāo)見表2.圖2為硅藻土的微觀形貌.由圖2可知，硅藻土表面有豐富的微孔，因此其具有一定的吸附活性，可以與瀝青更加牢固的粘結(jié).

表1 基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

表2 硅藻土技術(shù)指標(biāo)

圖1 硅藻土原樣圖

圖2 硅藻土掃描電鏡圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1硅藻土改性瀝青的制備

先將硅藻土放入105 ℃的烘箱中干燥2 h，保證硅藻土和瀝青兩者溫度相近，同時(shí)避免攪拌過程中出現(xiàn)氣泡.然后按瀝青質(zhì)量的8%,10%,12%和14%將硅藻土加入事先已加熱至135 ℃的基質(zhì)瀝青中，采用自動(dòng)攪拌機(jī)攪拌10 min左右至硅藻土顆粒均勻分散至瀝青中，再用高速剪切儀以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速在140 ℃下剪切20 min即可.

1.2.2硅藻土改性瀝青性能研究

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)基質(zhì)瀝青及四種摻量的改性瀝青的針入度(15,25和30 ℃)、5 ℃延度和軟化點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試.根據(jù)不同摻量瀝青的針入度對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算其針入度指數(shù)，用于評(píng)價(jià)瀝青的感溫性.

瀝青的高溫流變性能采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行測(cè)試. 實(shí)驗(yàn)選用溫度掃描和頻率掃描兩種測(cè)試模式.實(shí)驗(yàn)中瀝青試樣的厚度為1 mm，采用的轉(zhuǎn)子型號(hào)為PP 25.在溫度掃描中，溫度范圍為30～80 ℃，升溫速率為2 ℃/min，角頻率為10 rad/s.在頻率掃描中，測(cè)試溫度為30,40,50和60 ℃，頻率范圍為0.01～10 Hz.

瀝青的疲勞性能也采用DSR進(jìn)行測(cè)試.實(shí)驗(yàn)中的評(píng)判指標(biāo)為疲勞壽命，即瀝青復(fù)數(shù)剪切模量下降至初始值的50%時(shí)的加載次數(shù)Nf50.實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃，頻率為10 Hz，平板直徑8 mm，試樣的厚度為2 mm，采用的轉(zhuǎn)子型號(hào)為PP 8.實(shí)驗(yàn)中選用1%,2%,3%和4%的應(yīng)變幅度對(duì)5組瀝青進(jìn)行剪切疲勞測(cè)試.疲勞方程為

Nf=aε-b

式中：Nf為疲勞壽命；ε為應(yīng)變幅度；a和b為常數(shù).

瀝青的低溫性能采用彎曲梁流變儀(BBR)進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試溫度為-12 ℃，這是為了模擬路面的實(shí)際溫度-22 ℃.試件的尺寸為：長(zhǎng)(127±2) mm，厚(6.35±0.05) mm，寬(12.70±0.05) mm.實(shí)驗(yàn)中每組瀝青選用2個(gè)平行試樣.

由圖3可知，溶出時(shí)間對(duì)鐵溶出率影響較大，在一定時(shí)間內(nèi)鐵的溶出率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。溶出時(shí)間短，部分硫酸鐵鹽未充分溶解和擴(kuò)散。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅藻土對(duì)瀝青常規(guī)性能的影響

2.1.1硅藻土對(duì)瀝青針入度及其指數(shù)的影響

圖3～4為瀝青的針入度和針入度指數(shù)隨硅藻土摻量變化的趨勢(shì)圖.由圖3可知，在同一溫度下，針入度隨硅藻土摻量的增加而逐漸降低.在摻量達(dá)到12%后，增加的速率開始降低.隨著溫度的上升，瀝青的針入度開始升高，但其數(shù)值在相同溫度下隨硅藻土摻量變化的趨勢(shì)不變.這表明，硅藻土的加入能夠明顯增加瀝青的硬度，改善瀝青的高溫性能.由圖4可知，隨著硅藻土摻量的增加，瀝青的針入度指數(shù)有上升的趨勢(shì).這說明硅藻土能在一定程度上改善瀝青的感溫性，而且摻量越高，改善的效果越明顯.五種瀝青的針入度指數(shù)都在-2～+2之間，即均為溶凝膠型結(jié)構(gòu)，這表明硅藻土的加入不會(huì)改變?yōu)r青的膠體結(jié)構(gòu).

圖3 硅藻土摻量對(duì)瀝青針入度的影響

圖4 硅藻土摻量對(duì)瀝青針入度指數(shù)的影響

2.1.2硅藻土對(duì)瀝青延度的影響

圖5為硅藻土摻量對(duì)瀝青延度的影響.由圖5可知，硅藻土能明顯降低瀝青的延度，且下降的趨勢(shì)隨摻量的增加而趨于平緩.這表明硅藻土的加入會(huì)使瀝青變硬，但這不能真實(shí)反映瀝青的低溫性能.因?yàn)楣柙逋恋母男赃^程是僅在瀝青中發(fā)生分散，并未像聚合物改性劑那樣與瀝青發(fā)生交聯(lián)作用.改性后的硅藻土仍以微粒形式存在，瀝青在實(shí)驗(yàn)中被拉伸，中部會(huì)變細(xì)變尖.當(dāng)瀝青被拉成一條細(xì)線時(shí)，硅藻土顆粒的存在會(huì)使中間部分的瀝青產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致瀝青被拉伸時(shí)在顆粒處斷裂.

圖5 硅藻土摻量對(duì)瀝青延度的影響

2.1.3硅藻土對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

圖6 硅藻土摻量對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

2.2 硅藻土對(duì)瀝青高溫流變性能的影響

2.2.1溫度掃描結(jié)果分析

1) 復(fù)合模量和相位角 圖7為硅藻土的摻量對(duì)瀝青復(fù)合模量和相位角影響的結(jié)果.由圖7可知，相比基質(zhì)瀝青，硅藻土改性瀝青的復(fù)合模量增加明顯，且隨摻量的增加而增加.在硅藻土摻量達(dá)到14%時(shí)，瀝青的復(fù)合模量較12%摻量時(shí)變化不大.隨著溫度升高，五種瀝青的相位角都逐漸增大，表明從常溫到高溫，瀝青即由粘彈性向粘性轉(zhuǎn)化.圖7中硅藻土改性瀝青的相位角在75～80 ℃溫度范圍內(nèi)有所波動(dòng)，這是因?yàn)楣柙逋猎诟邷叵掠胁糠殖煞职l(fā)生揮發(fā)所致.加入硅藻土后，相位角降低，且隨摻量的增加先下降后上升，說明改性瀝青中的粘性部分所占比例開始減小.但總體來看，當(dāng)硅藻土摻量超過10%后，其摻量的增加對(duì)相位角的影響不明顯.

圖7 硅藻土摻量對(duì)瀝青高溫復(fù)合模量和相位角的影響

2) 車轍因子 圖8為瀝青車轍因子隨硅藻土摻量的變化曲線.由圖8可知，五種瀝青的車轍因子均隨溫度的升高而降低，這與瀝青路面更易在高溫下產(chǎn)生車轍病害相應(yīng).瀝青的車轍因子隨著硅藻土的摻量的增加而上升，在摻量到達(dá)12%后，車轍因子上升的幅度減少.這說明硅藻土能增強(qiáng)瀝青的抗變形能力，改善其高溫穩(wěn)定性.這一方面是因?yàn)楣柙逋恋募尤肽芪綖r青中的輕質(zhì)組分，使得瀝青的粘度增大，流動(dòng)性變差，從而增強(qiáng)抗變形能力.另一方面是因?yàn)楣柙逋翆?duì)溫度的惰性使其成為一種保溫材料，能阻止路面中的瀝青因高溫環(huán)境而發(fā)生老化等不良影響[8].

圖8 硅藻土摻量對(duì)瀝青車轍因子的影響

2.2.2頻率掃描結(jié)果分析

1) 60 ℃的粘度 圖9為60 ℃時(shí)不同摻量下瀝青的粘度隨頻率變化的曲線.由圖9可知，隨著加載頻率的升高，五種瀝青的粘度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).硅藻土的加入能明顯提高瀝青的粘度，且摻量越大，粘度越高.60 ℃時(shí)的粘度能在一定程度上反應(yīng)瀝青的抗變形能力，這表明硅藻土能通過增粘作用達(dá)到改善瀝青高溫性能的效果.

圖9 硅藻土摻量對(duì)瀝青粘度的影響

2) 復(fù)合模量和相位角 根據(jù)時(shí)溫等效原理對(duì)五種瀝青不同溫度下的頻率掃描的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出主曲線，參考溫度為30 ℃，見圖10.圖10中顯示隨著加載頻率的升高，五種瀝青的復(fù)合模量增大，相位角減小.摻入硅藻土能明顯增大瀝青的復(fù)合模量，降低其相位角，這與溫度掃描模式下的結(jié)果一致.在摻量超過10%后，瀝青的復(fù)合模量和相位角變化的幅度明顯減小.

圖10 五種瀝青的復(fù)合模量和相位角主曲線

2.3 硅藻土對(duì)瀝青疲勞性能的影響

圖11為五種瀝青的疲勞曲線.由圖11可知，瀝青的疲勞壽命隨應(yīng)變幅度的增加而下降.在摻量不大于10%時(shí)，硅藻土改性瀝青的疲勞壽命隨摻量的增加而增加.之后，隨著摻量的繼續(xù)增加，改性瀝青的疲勞壽命明顯下降，其值甚至低于基質(zhì)瀝青的疲勞壽命.這表明適當(dāng)摻量的硅藻土能改善瀝青的疲勞性能，這是因?yàn)楣柙逋林械奈⒖啄芪諡r青的輕質(zhì)組分，增加其與瀝青間的界面作用力[9].當(dāng)摻量過多時(shí)，硅藻土?xí)臑r青中離析出去，破壞其整體結(jié)構(gòu).

圖11 硅藻土摻量對(duì)瀝青疲勞壽命的影響

2.4 硅藻土對(duì)瀝青低溫開裂性能的影響

圖12為硅藻土摻量對(duì)瀝青低溫性能相關(guān)參數(shù)影響的結(jié)果.由圖12可知，硅藻土改性瀝青的勁度模量較基質(zhì)瀝青有很大提升，并且其值隨摻量的增加而增大.這是因?yàn)楣柙逋恋募尤霚p少了改性瀝青中自由瀝青的含量，同時(shí)硅藻土的表面和微孔能吸附部分瀝青，這在一定程度上降低了瀝青的流動(dòng)性.因此在相同應(yīng)力模式加載時(shí)，改性瀝青較基質(zhì)瀝青產(chǎn)生的應(yīng)變大，導(dǎo)致其模量大.蠕變速率隨摻量的增加先增大后減小，在摻量為12%時(shí)達(dá)到最大值0.505.這說明硅藻土能提升瀝青的應(yīng)力松弛能力，減小其脆性和低溫開裂的可能.

圖12 硅藻土摻量對(duì)瀝青勁度模量和蠕變速率的影響

3 結(jié) 論

1) 瀝青的基本性能測(cè)試結(jié)果表明，硅藻土的加入能降低瀝青的針入度和提升針入度指數(shù)，改善瀝青的感溫性；隨著硅藻土摻量的增加，瀝青的延度逐漸下降，軟化點(diǎn)持續(xù)上升.

2) 硅藻土對(duì)瀝青具有增粘作用，改性瀝青60 ℃的粘度隨摻量的增加而增大.

3) DSR溫度掃描和頻率掃描結(jié)果均顯示，硅藻土能改善瀝青的高溫流變性，改性瀝青的車轍因子隨摻量的增大而增大.

4) 適宜摻量的硅藻土能提升瀝青的疲勞性能.摻量過多時(shí)，改性瀝青的疲勞壽命會(huì)急劇下降，摻量為10%的改性瀝青的疲勞性能最好.

5) 隨著硅藻土摻量的增加，瀝青的勁度模量逐漸增加，蠕變速率先上升后下降.瀝青的蠕變速率在摻量為14%時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)硅藻土對(duì)瀝青低溫性能的改善效果最好.

6) 綜合分析，適當(dāng)摻量的硅藻土能改善瀝青的高、低溫性能和疲勞性能，合理?yè)搅糠秶鸀?0%～12%.

[1] CONG P L, CHEN S F, CHEN H X. Effects of diatomite on the properties of asphalt binder[J]. Construction and Building Materials,2012,30(30):495-499.

[2] 王雨楠.硅藻土改性瀝青混合料的性能研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2007.

[3] BALDI SEVILLA A, MONTERO M L, AGUIAR J P, et al. Influence of nanosilica and diatomite on the physicochemical and mechanical properties of binder at unaged and oxidized conditions[J]. Construction and Building Materials,2016,127:176-182.

[4] ZHANG Y B, ZHU H Z, WANG G A, et al. Evaluation of low temperature performance for diatomite modified asphalt mixture[J]. Advanced Materials Research,2012,413:246-251.

[5] 孟召明.硅藻土改性瀝青膠漿高低溫流變性能試驗(yàn)研究[J].湖南交通科技,2016,42(2):53-55.

[6] 劉麗,李劍,郝培文,等.硅藻土改性瀝青膠漿性能研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2004,23(2):51-55.

[7] 鮑燕妮.硅藻土改性瀝青研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2005.

[8] 宋艷茹,張玉貞,張興友,等.硅藻土改性瀝青性能研究[J].石油瀝青,2007,21(1):14-17.

[9] 宋艷茹.硅藻土改性瀝青機(jī)理研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué),2005.