硅藻土對溫拌瀝青性能影響研究

傅海龍

(鄭州路橋建設投資集團有限公司 鄭州 450100)

0 引 言

瀝青路面因具有行車噪聲小、平整度好、養護維修簡便,以及可回收利用等優點在我國高速公路建設中得到廣泛使用.在瀝青路面施工過程中，往往需要將瀝青加熱至160 ℃以上，而瀝青為有機高分子材料，較高的加熱溫度會使其發生老化，并產生大量瀝青煙，造成嚴重的環境污染，損害施工人員身體健康.隨著國家可持續發展戰略的提出，綠色公路理念越發引起道路工程科研工作者的重視，其中溫拌瀝青技術近年來逐漸應用于公路建設，其通過在瀝青中摻入溫拌劑降低瀝青高溫黏度，進而降低其施工溫度，能有效減少施工中瀝青煙排放量和加熱瀝青過程中的能源消耗[1-5].

相關研究發現，相對熱拌瀝青，溫拌瀝青高溫性能更優，但低溫性能和抗水損害性能往往較差，這一定程度上制約了溫拌瀝青技術的推廣[6-9].而另有研究表明，使用硅藻土對瀝青進行改性能使其路用性能得到一定改善，尤其對于抗水損害性能效果明顯[10-13]，因此，可嘗試使用硅藻土改善溫拌瀝青低溫性能和抗水損害性能，但現有研究對此較少涉及.為此，本文制備硅藻土改性溫拌瀝青，對其粘附性、高溫性能和低溫性能進行研究，對進一步改善溫拌瀝青性能有一定積極意義.

1 試驗概況

1.1 原材料

1) 瀝青 基質瀝青采用90JHJA級道路石油瀝青，主要技術指標見表1.

表1 基質瀝青主要技術指標

2) 硅藻土 采用硅藻殘骸和軟泥固結而成的硅藻土，主要成分為SiO2，具有表面粗糙、硬度大、耐酸堿和含活性成分等特點，主要技術指標見表2.

表2 硅藻土主要技術指標

3) 溫拌劑 采用有機降粘型溫拌劑Sasobit，試驗中摻量為瀝青質量的3%，主要技術指標見表3.

表3 溫拌劑主要技術指標

4) 集料 采用玄武巖和花崗巖兩種集料，主要技術指標見表4.

表4 集料主要技術指標

1.2 改性瀝青制備方法

加熱基質瀝青至160～165 ℃，摻入Sasobit后使用高速剪切機以5 000 r/min速率剪切30 min制得溫拌瀝青，進而在同一溫度下摻入硅藻土繼續以相同速率剪切30 min制得硅藻土改性溫拌瀝青.

2 硅藻土對溫拌瀝青粘附性影響

瀝青與集料粘附性是影響瀝青混合料抗水損壞性能的重要指標，因此，有必要研究硅藻土對溫拌瀝青粘附性的影響.文獻[14]提出采用水煮法評價瀝青與集料粘附性，該方法存在較大主觀性，對粘附性差異不大的瀝青區分度差.為此，本文采用改進水煮法試驗評價瀝青粘附性，其主要步驟如下：①取粒徑13.2～19 mm集料洗凈后置于105 ℃烘箱中烘干，并使用鐵絲將集料系牢，稱量質量記為m0；②將鐵絲系住的集料浸入160 ℃瀝青試樣中45 s后提出置于試驗架上冷卻15 min，使多余瀝青流掉，稱量質量記為m1；③將鐵絲系住的集料放入微沸水中煮一定時間后取出，稱量質量記為m2；④根據式(1)計算瀝青損失率作為粘附性評價指標.

La=(m1-m2)/(m1-m0)

(1)

式中：La為瀝青損失率，%；m1為沸煮前集料+瀝青+鐵絲質量，g；m2為沸煮后集料+瀝青+鐵絲質量，g；m0為集料+鐵絲質量，g.

分別以玄武巖和花崗巖為集料，制備硅藻土摻量(質量分數)為0%，6%，8%，10%和12%，溫拌劑摻量為3%的硅藻土改性溫拌瀝青，按上述方法沸煮3，6和9 min后測定瀝青損失率，見表5.

由表5可知：1) 使用玄武巖時各個試驗條件和各個硅藻土摻量下的瀝青損失率均明顯小于花崗巖，表明其與瀝青粘附性較好，分析原因為花崗巖集料中SiO2含量高，其表面親水憎油特性較為明顯，故集料瀝青界面更容易受水分侵蝕.

2) 在溫拌瀝青中摻入硅藻土后，無論玄武巖集料還是花崗巖集料，其瀝青損失率均有明顯下降，表明硅藻土可有效改善溫拌瀝青粘附性.同時，對比硅藻土對兩種集料瀝青損失率的降低幅度發現，硅藻土對花崗巖的粘附性改善作用更強，其中各個硅藻土摻量下兩種集料的瀝青損失率較未摻入硅藻土時的降低幅度見圖1.沸煮時間越長，硅藻土對溫拌瀝青損失率的降低幅度越大，而沸煮時間可理解為實際路面受水分侵蝕的時間，故表明硅藻土對長期受水分侵蝕路面的瀝青集料粘附性的改善效果更好.

表5 瀝青損失率試驗結果

/min(%)/%0681012(%)/%0681012312.1210.919.728.327.6553.8941.2328.5415.4213.42621.3217.3213.1210.429.5467.3051.2238.4222.4318.59931.5425.6719.5213.5711.8789.967.4353.5231.4525.31

圖1 硅藻土對溫拌瀝青損失率降低幅度影響

3) 隨著硅藻土摻量的增加，兩種集料瀝青損失率均逐漸降低，此時溫拌瀝青的粘附性得到進一步改善.但在各個硅藻土摻量區間增加時改善效率存有差異，其中在6%～10%區間改善效果最好，在0%～6%和10%～12%區間則相對較慢，硅藻土摻量在上述三區間變化時其摻量每增加1%，瀝青損失率的降低幅度見圖2.

圖2 硅藻土摻量增加區間對溫拌瀝青損失率降低幅度影響

4) 隨著沸煮時間的增加，兩種集料的瀝青損失率均逐漸增加，此時瀝青粘附性下降.但摻入硅藻土的溫拌瀝青粘附性下降幅度較小，且是硅藻土摻量越高表現越明顯.其中沸煮時間由3增加至9 min時，各種瀝青的瀝青損失率上升幅度見圖3.

圖3 沸煮時間對瀝青損失率上升幅度影響

3 硅藻土對溫拌瀝青高溫性能影響

SHAP計劃提出采用DSR試驗評價瀝青高溫性能，試驗能獲得瀝青復數模量G*和相位角δ·G*為瀝青抗變形能力，值越大抗變形能力越好;δ為瀝青彈性成分比例，值越小高溫變形恢復能力越好.制備硅藻土摻量分別為0%，6%，8%，10%和12%，溫拌劑摻量為3%的硅藻土改性溫拌瀝青進行70 ℃條件下DSR試驗，頻率10 rad/s，得出其車轍因子G*/sinδ，見圖4.

圖4 硅藻土摻量對溫拌瀝青車轍因子影響

由圖4可知，摻入硅藻土后，溫拌瀝青的車轍因子提高，表明硅藻土能改善溫拌瀝青高溫性能.同時，隨著硅藻土摻量的增加，車轍因子繼續提高，此時溫拌瀝青高溫性能進一步增強，但硅藻土摻量超過10%后對溫拌瀝青高溫性能的改善幅度降低，其中硅藻土摻量由0%增加至10%時，每增加1%硅藻土車轍因子提高0.156 kPa，而硅藻土摻量由10%增加至12%時，僅提高0.075 kPa，降低了約50%.分析原因一方面為硅藻土為多孔介質，能吸收瀝青中輕質組分，另一方面硅藻土為惰性介質，溫度變化對其性能影響較小，故高溫下與瀝青形成的復合體抗變形能力提高.

4 硅藻土對溫拌瀝青低溫性能影響

SHAP計劃提出采用BBR試驗評價瀝青低溫性能，試驗能獲得瀝青勁度模量S隨時間t變化曲線，t為60 s時的S為瀝青低溫下變形能力，值越大低溫變形能力越差，硬脆性越明顯，低溫下越容易開裂，同時取t為60 s時的S曲線蠕變速率m表征瀝青低溫下應力松弛能力，值越大低溫應力松弛能力越好，低溫抗裂性越強.但研究發現，通過S和m對瀝青低溫性能進行評價可能出現結果矛盾的現象，故本文采用m/S作為評價指標，其中m/S值越大瀝青低溫性能越好[15-17].制備硅藻土摻量分別為0%，6%，8%，10%和12%，溫拌劑摻量為3%的硅藻土改性溫拌瀝青進行-12 ℃條件下BBR試驗，得出其m/S見圖5.

圖5 硅藻土摻量對溫拌瀝青m/S影響

由圖5可知，各個硅藻土摻量下的m/S值均高于溫拌瀝青，表明硅藻土能改善溫拌瀝青低溫性能.同時，隨著硅藻土摻量的提高，m/S先升高后降低，其中硅藻土摻量由0%增加至8%時，m/S提高27.7%，而由8%增加至12%時，m/S降低3.3%，表明溫拌瀝青低溫性能隨硅藻土摻量的增加呈先變好后變差趨勢，在摻量為8%時低溫性能最優.

5 結 論

1) 硅藻土能改善溫拌瀝青粘附性，且對花崗巖的改善作用強于玄武巖，此外沸煮時間越長，硅藻土對溫拌瀝青粘附性的改善作用越強.

2) 硅藻土摻量增加時對溫拌瀝青粘附性的改善效果提高，但在各個摻量區間增加時改善效率存有差異，其中在6%～10%區間改善效果最好，在0%～6%和10%～12%區間則相對較差.

3) 硅藻土能改善溫拌瀝青高溫性能和低溫性能，對高溫性能摻量越高改善效果越好，但摻量超過10%后改善幅度降低，對低溫性能則是隨摻量的提高改善效果先變好后變差，在摻量為8%時低溫性能最優.