硅藻土的性質及其改性特性分析

李 劍

(黑龍江工程學院 ，黑龍江 哈爾濱 150001)

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硅藻土的性質及其改性特性分析

李 劍

(黑龍江工程學院 ，黑龍江 哈爾濱 150001)

系統地研究硅藻土改性瀝青的配合比、路用性能、改性機理、施工工藝，以及如何在高寒地區進行推廣和應用。

硅藻土；改性瀝青；路用性能；高寒地區

1 硅藻土的基本特點

1.1 硅藻土的物理性質

(1)硅藻土顆粒的粒徑

硅藻是以顆粒作為基本單元，而粒徑則是衡量硅藻精土的重要指標。不同用途的硅藻土填料，對應的顆粒粒徑存在差別。在瀝青混合料中使用的硅藻土，通常情況下是硅藻含量80%以上的硅藻精土，其顆粒粒徑是10～40 μm。由于顆粒粒徑較小，有利于硅藻土與瀝青均勻地混合，分散作用較好，因此硅藻土可以作為增加瀝青路面強度的合格填料。

(2)硅藻細胞的微觀結構

硅藻土是由上、下兩個硅藻細胞殼扣和而成，其微觀形式大致可分為兩種形態：一種是殼面呈輻射對稱形式的圓形，另一種是殼面呈兩側對稱形式的呈針、線和棒型。通常情況下，硅藻細胞的外殼壁上含有點紋、線紋和助紋等紋路，一般線紋附近的小孔直徑約為20～100 μm，殼縫尺寸為125 μm左右，硅藻土內部的孔隙度達90%～92%。正是由于硅藻土細胞內部存在大量的空隙，使得硅藻土與瀝青之間擁有較好的粘附性，其使用性能得到保障。

(3)硅藻土的顏色

正常的硅藻土其顏色多為白色、灰色、灰白色或者淺灰褐色等，值得注意的是，其顏色越深，說明硅藻土內的雜質含量越高。向硅藻土中摻入瀝青之后，硅藻土的顏色將產生變化，使瀝青路面的色調變得更加柔和。在采用了硅藻土之后，由于其自身多孔結構，瀝青路面將不再油亮，降低了基質瀝青反光，汽車的日間行駛變得更加安全。

(4)堆積密度

堆積密度主要是指，在特定條件下單位體積原狀土的重量。對于硅藻土，其堆積密度越大，說明原狀土的質量越差，硅藻土質量不佳。一般情況下，我國硅藻土的平均堆積密度為0.34～0.65 g/cm2，堆積密度越小越有利于硅藻土將瀝青混合料的微小空隙填充滿。

(5)比表面積

經過對建筑材料的研究可知，填料的很多性質均與顆粒的比表面積相關。硅藻土的表面積大約為19～65 m2/g，該數值的大小一般與藻類種屬有直接關系，而與顆粒粒徑大小的關系不大，亦或可以認為與硅藻土的粉碎程度相關度不大。作為多孔填料的硅藻土，其內部表面遠比外部表面大，因此硅藻土的總比表面是由內表面積所代表。正因如此，硅藻土擁有了極強的吸附能力以及附著強度，能夠有效地的減小基質瀝青的流動性，可以提升路面的抗滑指標。

(6)硬度

硬度是硅藻土改性瀝青路面在應用中的又一優勢。一般情況下，不同硬度的填料加入瀝青混合料中會對混合料的強度、耐磨性、延展性以及加工條件產生一系列的影響。硅藻土本身屬于軟質填料，常規狀態下，硅藻土殼壁莫氏硬度的最低值在4.5～5.5之間，然而當添加到熱瀝青中后，在高溫作用下硅藻土的莫氏硬度可提升到5.6～6.0左右。

1.2 硅藻土的化學性質

從化學成分角度分析，由于硅藻土是一種生物成因的蛋白石，因此在實驗室對其進行成分測定時，主要成分包括非晶體的SiO2、Al2O3、Fe2O3，次要成分包括CaO、MgO、K2O、Na2O等等，此外，在成分中還發現了少量的MnO、TiO2、P2O5等物質。

2 硅藻土改性瀝青混合料改性特性分析

2.1 硅藻土與瀝青的相容性

決定改性效果和改性工藝的關鍵因素，是改性劑與瀝青的相容性。這里所涉及的相容性，可以從不同角度理解。在熱力學中，相容性主要是指：兩種或兩種以上不同物質，以任意比例混合均可以獲得均相物質的能力；在物理學中，相容性是指：兩種物質混溶之后，可以形成一個不發生分層或者相分離的穩定體系。在改性瀝青中，改性劑均勻地分布在基質瀝青中，嚴格意義上講，屬于物理意義上的相容。

硅藻土與瀝青的相容，實質上是一種共混的現象，硅藻土可以與瀝青形成均相物質。瀝青與硅藻土在分子量，化學結構等方面均存在較大差別，因此嚴格意義上講，二者構成熱力學不相溶體系。改性瀝青恰好利用該性質，在不同組分界面相互作用的前提下，瀝青與硅藻土的共混物擁有了其他均相物質不具備的性質。

2.2 硅藻土與瀝青的分散度

分散度是指，改性劑在瀝青中的分布狀態及其分散粒子的尺寸。實踐表明，硅藻土在瀝青中的分散性較好，主要原因是，硅藻土內部存在30%～40%相對孤立的“非聚結”顆粒，在與瀝青接觸的過程中，非聚結顆粒相互排斥，不發生凝結現象。因此，選用改性劑重點是要考察其能否在瀝青中均勻分布，不發生結團的現象。

在以小劑量摻入硅藻土后，經過常規拌合，硅藻土能夠均勻地分散在瀝青中，經過顯微鏡觀測，硅藻土在瀝青中分布均勻，未發生結團的現象，在不斷增加硅藻土數量時，硅藻就會發生分布不均勻和結團現象，并產生離析現象。

2.3 硅藻土與瀝青的吸附性

如前所述，硅藻土自身的比表面積大，吸附性強，而瀝青自身屬于高分子混合物。由于組成瀝青的成分較多、各個成分間的物理化學性質差別較大，瀝青微觀上表現出性狀不均勻的特性。硅藻土與瀝青的組合，充分發揮了硅藻土微粒極強的吸附能力的優勢，因為硅藻土能夠將瀝青吸附在硅

藻分子的表面，形成機械鎖力，進一步提升組合物的粘度和吸附性。當加入集料后，實現了瀝青路面的強度提升。

由于硅藻土的微粒細小，根據能量最低原理，該類材質的表面能量極高，體系有自動降低表面能的趨勢。通常情況下，該種狀態可以通過兩種方式完成：一是利用表面積的減小來減小其表面自由能；二是通過吸附周圍結構相近的物質來降低自身的表面能。在硅藻土改性瀝青中，由于瀝青成分吸附于硅藻土的面層，形成吸附層，在降低硅藻土顆粒表面能的同時，提高了改性瀝青的穩定性。

此外，不同類型的瀝青對改性劑也具有親和性，我國出產的瀝青芳香烴的含量普遍偏高，而芳香烴易被硅藻土吸附，因此在改性劑選取時，硅藻土改性效果更為理想。

2.4 硅藻土改性瀝青混合料路用性能的改善特性

(1)硅藻土改性瀝青混合料強度的增加特性；

(2)硅藻土改性瀝青混合料減振性增強的特性；

(3)硅藻土改性瀝青路面安全性能提高的特性；

(4)硅藻土增強改性瀝青混合料的水穩定性的特性；

(5)硅藻土提高改性瀝青混合料高、低溫穩定性的特性；

(6)硅藻土可以提高改性瀝青路面防滑能力的特性。

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2016-04-12

李劍，講師，研究方向：交通工程。

寒區道路工程技術實驗室開放課題合同書(黑龍江省普通高校重點實驗室)項目，凍融作用下路面性能穩定控制技術研究，項目編號：H0RF-12-06。

U416.1

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1008-3383(2016)08-0019-02