硅藻土摻量與細度對瀝青性能的影響研究

劉莉萍,閆鐵成,杜 婷,郭建博

(1.隴東學院 土木工程學院,甘肅 慶陽 745000;2.甘肅省高校黃土工程性質及工程應用省級重點實驗室,甘肅 慶陽 745000)

0 引 言

瀝青混合料作為一種黏彈性材料,在高溫下會發生車轍變形,在低溫下會發生路面開裂。為了解決瀝青路面常見的病害,研究者一直在嘗試用添加劑來改性瀝青混合料,以期能夠降低瀝青路面病害現象的發生幾率[1]。硅藻土是一種成本低、相對密度高、比表面積大、吸附能力強的無機材料,目前已廣泛應用于瀝青黏結劑和混合料的改性[2-3]。

1982年,美國研究人員首次將硅藻土應用于瀝青混合料中,并通過鋪筑試驗路的方式證明其改性效果良好,隨后通過室內試驗發現,硅藻土能夠有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能及疲勞性能。張興友等[4]通過灰色關聯分析法指出,硅藻土中的SiO2含量對瀝青高溫性能的影響最大,其次為非晶體含量;李曉民等[5]通過試驗對比研究了不同摻量條件下不同形態(球狀、桿狀)硅藻土對瀝青及瀝青混合料性能的影響情況,結果表明,硅藻土摻量為15%時,瀝青膠漿及瀝青混合料各項性能均顯著提高,且以桿狀硅藻土改性效果最佳;TAN Yiqiu等[6]通過差示掃描量熱法(DSC)試驗表明,硅藻土可以有效提高基質瀝青的低溫性能,約束試件溫度應力試驗(TSRST)則表明,硅藻土同樣能夠提高瀝青混合料的低溫抗裂性能;CONG Peiliang等[7]研究表明,硅藻土的摻入能夠提高瀝青膠漿的力學性能,但性能提高主要依靠硅藻土與瀝青之間的物理結合;TAN Yiqiu等[8]采用動態力學分析法(DMA)對硅藻土改性瀝青玻璃態轉化溫度及活化能進行測試,結果表明,硅藻土能夠顯著提高瀝青這兩項指標,即提高瀝青高溫性能;王修山等[9]采用車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗等對陶瓷纖維改性瀝青混合料的路用性能進行評估,并采用了掃描電鏡試驗(SEM)分析陶瓷纖維對瀝青混合料的增強機理,結果表明,陶瓷纖維可加強瀝青混合料的黏性,對改善瀝青混合料的路用性能有重要作用;趙曜等[10]通過試驗研究了采用生活垃圾焚燒爐渣粉料(BAP)以不同比例替代石灰巖礦粉用于多孔瀝青混合料的可行性及替代率對混合料各項性能的影響,結果表明,爐渣粉料替代率對混合料的最佳瀝青用量和透水性能影響顯著;CHENG Yongchun等[11]、WANG Hanbing等[12]、N.A.M.SHUKRY等[13]通過試驗對比研究了硅藻土與其它填料對瀝青的改性效果,結果均表明,硅藻土對瀝青高溫性能及耐老化性能等改善效果最為明顯;ZHANG Peng等[14]采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術研究了硅藻土對瀝青黏結劑老化性能的影響,結果表明,當硅藻土摻量為10%時,改性瀝青的耐老化性能最好;CHENG Yongchun等[15]通過DSR、BBR等膠漿性能試驗證明,硅藻土、玄武巖纖維及其相互作用對瀝青的高低溫性能、抗剪性能、抗疲勞開裂性能和溫度敏感性均有顯著影響;LIANG Chunyu等[16]采用硅藻土和橡膠顆粒對瀝青混合料進行加固,結果表明,橡膠顆粒和硅藻土對瀝青混合料的高溫、低溫和黏彈性性能均有增強作用,但改善效果不如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS);張君韜等[17]將硅藻土應用至季凍區瀝青混合料路面,通過室內試驗研究表明,硅藻土在含量為5%時,可以有效改善高標號瀝青的抗車轍性能、老化性能及黏彈性能,且能夠滿足季凍區對瀝青混合料低溫性能的要求。

綜上可以看出,針對硅藻土改性瀝青的研究已歷時較長,研究結果均表明,硅藻土可以有效改善瀝青及瀝青混合料的各項性能,但目前尚未形成系統的硅藻土改性瀝青質量控制標準與質量評價體系。鑒于此,筆者通過分析研究硅藻土細度和摻量對瀝青各項性能的影響規律,為硅藻土改性瀝青的應用提出合理建議。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗所采用的基質瀝青型號為70#,其主要性能參數測試結果如表1。

表1 基質瀝青的基本技術性能

試驗所采用細度為200、500、800 目共3種規格的硅藻土,主要技術指標檢測結果見表2。

表2 硅藻土的技術性能

1.2 試驗方法

1.2.1 制備方式

為研究硅藻土摻量和細度對瀝青性能的影響,分別制備了10%、15%、20%共3種不同摻量條件下200、500、800 目3中不同細度共計9 組硅藻土改性瀝青。先將基質瀝青加熱至160 ℃,分別加入不同摻量與細度的硅藻土,采用高速剪切儀進行剪切,先以1 000 r/min剪切15 min,再以4 000 r/min剪切25 min直至硅藻土完全溶于瀝青中且沒有氣泡產生。最后將制備完成的改性瀝青倒入試模中成型相應試件,進行后續試驗。

1.2.2 常規性能試驗

對9組硅藻土改性瀝青膠漿分別進行三大指標試驗。通過針入度、軟化點及延度對硅藻土改性瀝青膠漿基本物理性能進行評價。

1.2.3 流變試驗

采用動態剪切流變儀進行動態剪切流變(DSR)試驗。試驗加載頻率設置為10 rad/s,控制應變為12 %。試驗初始溫度為52 ℃,并以6 ℃的間隔遞增4次,得到9 組不同的瀝青膠漿抗車轍因子G*/sinδ。車轍因子的數值小,則代表瀝青膠漿抗變形能力差,反之則表明抗車轍變形能力更好。

硅藻土改性瀝青小梁(127 mm×6.35 mm×12.7 mm)則采用彎曲梁流變儀(BBR)進行試驗。試驗初始溫度設置為-6 ℃,并以6 ℃的間隔遞減3次。采用試驗得出的蠕變速率m和蠕變勁度模量S兩項指標來評估瀝青膠漿的低溫抗裂性能。

1.2.4 蠕變試驗

有研究表明,DSR試驗在改性瀝青性能評估方面無法取得理想的效果,因此部分研究者提出采用多應力蠕變恢復試驗(MSCR)來取代DSR試驗。由于瀝青屬于黏彈性材料,在應力加載過程會產生蠕變變形,在應力卸載后部分蠕變變形能夠得到恢復。而另一部分變形不能得到恢復,將累積在下一個加載變形中。因此,較正弦加載方式得出的車轍因子G*/sinδ指標而言,多應力蠕變恢復試驗能夠更加準確地模擬瀝青路面實際工作狀態,其測得的應變恢復比率R和不可恢復蠕變柔量Jnr更能準確評價硅藻土改性瀝青的抗永久變形能力[17]。

1.2.5 FTIR試驗

FTIR試驗采用IRTracer-100傅立葉變換紅外光譜儀在ATR模式下對試樣進行測試,光譜波長范圍為4 000～400 cm-1。以波長為橫坐標,透過率為縱坐標繪制試樣的紅外光譜圖,并以此探究硅藻土改性瀝青制備過程中是否發生化學反應。

1.2.6 SEM試驗

采用ZEISS公司生產的SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電鏡儀對硅藻土及改性瀝青進行SEM試驗。采用真空衍射鍍膜機對經液氮處理的試樣進行鍍金,通過圖像采集裝置測得不同放大倍數下的試樣微觀圖像,以確定硅藻土微觀形貌特征及其在瀝青中的分布情況。

2 試驗結果及分析

2.1 常規性能試驗

瀝青膠漿在25 ℃溫度條件下的針入度值條形圖如圖1。圖2、圖3為相應的軟化點和10 ℃延度結果。

圖1 針入度試驗結果Fig. 1 Penetration test results

圖2 軟化點試驗結果Fig. 2 Softening point test results

圖3 延度試驗結果Fig. 3 Ductility test results

由圖1可以看出,針入度隨硅藻土摻量及細度目數的增加不斷降低。這是因為硅藻土的加入能夠吸收瀝青中輕質組分,使瀝青變硬,從而使瀝青針入度降低。值得注意的是,在10%、15%、20% 共3 個不同硅藻土摻量條件下,200 目硅藻土較500 目硅藻土針入度分別降低了4.4%、1.7%、1.5%,500 目硅藻土較800 目硅藻土針入度分別降低了6.9%、3.4%、2.8%,表明硅藻土細度對針入度的影響程度隨摻量增大逐漸降低。

由圖2可以看出,隨著硅藻土摻量及細度的增大,瀝青膠漿軟化點上升。這是因為硅藻土的吸附作用能夠降低瀝青中輕質油分的含量,進而降低瀝青的溫度敏感性,表現為軟化點上升。以200 目為例,硅藻土摻量由10%增至15%,軟化點提高5.9 ℃;摻量繼續增至20%,軟化點僅提高2.3 ℃,增幅明顯降低;在20%摻量條件下,500 目硅藻土較200 目硅藻土軟化點提高了0.3 ℃,800 目硅藻土較500 目硅藻土軟化點提高了0.7 ℃。結果表明,硅藻土對瀝青膠漿軟化點的起積極作用,但當其摻量與細度達到一定程度后,作用效果不斷降低。

由圖3可以看出,隨著硅藻土摻量增大,瀝青膠漿延度降低,且降低幅度隨摻量增大呈加劇趨勢,如200 目條件下,15%摻量較10%摻量瀝青膠漿延度降低了14.9%,20%摻量較15%摻量瀝青膠漿延度則降低了39.5%。由針入度試驗結果可知,硅藻土能夠增加瀝青硬度,因而勢必導致其脆性的增加,從而造成延度降低。但在相同摻量條件下,不同細度硅藻土瀝青膠漿延度相差不大,表明硅藻土細度對瀝青延度影響不大。

2.2 高溫流變性能

研究表明,車轍因子G*/sinδ能夠較好地反映瀝青的高溫流變性能。采用動態剪切流變試驗測得9組硅藻土改性瀝青膠漿的G*/sinδ試驗結果如圖4。

圖4 不同溫度下硅藻土瀝青膠漿的G*/sinδ曲線Fig. 4 G*/sin δ curve of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

圖4表明,溫度升高,瀝青膠漿G*/sinδ減小,這是因為溫度越高,分子熱運動越強烈,導致分子間距提高,宏觀表現為瀝青膠漿由低溫高彈態轉變為高溫黏流態。在硅藻土粒徑大小一致時,硅藻土摻量越大,對應的改性瀝青G*/sinδ越大。例如52 ℃、硅藻土細度為800目的條件下,20%硅藻土摻量改性瀝青較15%、10%摻量改性瀝青G*/sinδ分別提高了1.65、2.98 kPa。由此表明,硅藻土的摻入能夠改善瀝青高溫性能。究其原因在于硅藻土具有多孔結構,能夠吸附瀝青中的輕質組分,使其占比減少,降低其流動性能,最終導致瀝青黏度增加,高溫流變性能提高。當硅藻土摻量一致時,硅藻土細度增大,對應的瀝青膠漿G*/sinδ增大。這意味著硅藻土粒徑越小,膠漿的高溫性能改善效果越好。值得注意的是,當硅藻土細度從200 目增至500 目時,車轍因子G*/sinδ增加幅度較大;當硅藻土細度進一步增加至800 目后,車轍因子的增加幅度已經很小了。例如,在52 ℃,10 %硅藻土摻量條件下,硅藻土細度從200 目增至500 目時,G*/sinδ提高了0.86 kPa,而細度從500 目增至800 目時,G*/sinδ僅提高了0.36 kPa。由此說明,硅藻土細度達到500 目后對瀝青的高溫性能改性效果逐漸降低。這是由于隨著細度目數增大,顆粒越來越細,越容易與瀝青混合,對瀝青的改性效果越明顯;但當硅藻土粒徑達到一定細度后,硅藻土比表面積過大,吸附的自由瀝青過多,造成改性瀝青稠度增大以及硅藻土與瀝青混溶的不均勻性增大,給瀝青改性效果帶來一定負面影響,表現為瀝青性能改善效果降低。

2.3 低溫流變性能

瀝青的低溫流變性能通常采用BBR試驗測得的勁度模量S與蠕變速率m值來表征。研究表明,S越大,m值越小,則瀝青材料黏性越小,彈性越大,表現為在低溫條件下更脆更硬,抗開裂性能越差。圖5、圖6分別為不同硅藻土瀝青膠漿的低溫勁度模量和蠕變速率試驗結果。

圖5 不同溫度下硅藻土瀝青膠漿的蠕變勁度Fig. 5 Creep strength of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

圖6 不同溫度下硅藻土瀝青膠漿的蠕變速率變化曲線Fig. 6 Creep rate variation curve of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

從圖5可知,隨溫度的降低,不同硅藻土瀝青膠漿勁度模量均不斷增大。在同一溫度、同一硅藻土細度條件下,隨著硅藻土摻量的增加,S呈上升趨勢,且溫度越低,這種上升趨勢越明顯。由此表明,硅藻土加入會給瀝青低溫抗變形能力帶來一定負面影響,瀝青對低溫環境更加敏感。在同一硅藻土摻量條件下,硅藻土細度目數越大,S越大,但增大幅度并不大。由此表明,硅藻土細度對瀝青低溫抗變形能力的影響效果并不顯著。

從圖6可以看出,隨著溫度的降低,m值減小。當硅藻土細度目數相同時,硅藻土摻量提高,瀝青膠漿m值減小,說明硅藻土摻入會使瀝青內部應力消散能力變差,從而降低改性瀝青的低溫延展性和抵抗疲勞破壞的自愈合能力。在硅藻土摻量一定條件下,硅藻土粒徑越小,m值卻稍有增大,這可能是由于硅藻土顆粒粒徑越小,其與瀝青接觸面積相對越大,硅藻土與瀝青分子間分子作用力加強,提高了瀝青的抗低溫松弛能力。

2.4 抗永久變形能力

蠕變恢復率R是指瀝青在經過蠕變作用后恢復的應變與峰值應變之比,R值越大,瀝青蠕變后的恢復能力越強。不可恢復蠕變柔量Jnr是指瀝青在經過蠕變作用后的殘余應變與蠕變應力之比,Jnr值越小,抵抗永久變形能力越強。MSCR試驗測得不同硅藻土瀝青膠漿R值如圖7,Jnr值如圖8。

圖7 蠕變恢復率RFig. 7 Creep recovery rate R

圖8 不可恢復蠕變柔量JnrFig. 8 Unrecoverable creep compliance Jnr

從圖7可以看出,相同條件下,應力越大,改性瀝青R值越小,這表明荷載越大,改性瀝青的變形恢復能力越差。當荷載一致時,在同一硅藻土細度條件下,硅藻土摻量增大,改性瀝青R值逐漸增大,例如,在6.4 kPa荷載作用下,硅藻土細度為200目時,20%、15%摻量瀝青較10%摻量瀝青R值分別增加了22.5%、13.5%,表明硅藻土摻量的增加有助于提高復合改性瀝青的應變恢復率;而在同一硅藻土摻量條件下,硅藻土粒徑越小,R值越大,但當粒徑進一步減小以后,R值增加幅度不斷降低,例如,在6.4 kPa荷載作用下,硅藻土摻量為10%時,500 目硅藻土較200目硅藻土改性瀝青R值提高了10.0%,而800 目較500 目硅藻土改性瀝青R值則僅提高了2.1%。此與DSR試驗分析結果相似,表明硅藻土的摻量和細度對瀝青應變恢復能力改善效果均存在一個最佳值。

由圖8可以看出,6.4 kPa條件下瀝青膠漿Jnr值始終大于3.2 kPa條件下瀝青膠漿,表明荷載越大,抗永久變形能力越差。相同條件下,硅藻土摻量越大,Jnr值越小,表明硅藻土可以有效提高改性瀝青的抗永久變形能力。當硅藻土摻量一定時,硅藻土粒徑越小,Jnr值越小,硅藻土粒徑分別由200目增至500目和由500 目增至800 目,瀝青Jnr值減小值分別為 0.56、0.87 kPa-1,表明硅藻土細度對瀝青抗永久變形能力的提高有一定影響,且細度數目越大,影響效果越顯著。

2.5 FTIR試驗

瀝青的化學分子結構等可以通過FTIR試驗進行分析鑒定。不同的分子吸收光的波段不同,利用這一特性,可以得出瀝青的紅外投射光譜圖,通過光譜圖吸收峰的數目、強度、位置及形狀特征可以分析出瀝青的組成及其官能團情況。圖9為硅藻土、基質瀝青及15%摻量的硅藻土瀝青膠漿紅外光譜結果。

圖9 紅外光譜Fig. 9 Infrared spectrogram

從圖9可以看出,基質瀝青紅外光譜曲線主要在2 924、2 853、1 456、1 376、1 110、907～559 cm-1共6 處出現不同大小的吸收峰。其中2 924 cm-1與2 853 cm-1處吸收峰主要由烷烴和環烷烴的C—H對稱及反對稱伸縮振動引起;1 456 cm-1與1 376 cm-1處吸收峰則主要由芳烴的C=C雙鍵及C=O雙鍵伸縮振動造成;1 110 cm-1處吸收峰由飽和醇C—O伸縮振動引起;907～559 cm-1范圍出現的幾個較小吸收峰均由苯環上不飽和C—H(=C—H)面外彎曲振動引起。與基質瀝青相比,摻入硅藻土的瀝青膠漿紅外光譜曲線沒有發生明顯變化,僅在1 098 cm-1與3 413 cm-1處出現兩處新的強吸收峰及1 456 cm-1處吸收峰強度增加。兩處吸收峰分別與硅藻土自身特征峰對應,其中1 098 cm-1處的強吸收峰是由Si—O—Si鍵的不對稱伸縮振動造成,3 413 cm-1處寬而弱的吸收峰主要由硅羥基Si—OH伸縮振動引起;1 456 cm-1處吸收峰強度的增加表明硅藻土的摻入增強了瀝青芳烴基團的鍵能,再加上C=C雙鍵自身具有較高的鍵能,最終導致硅藻土瀝青膠漿力學性能的增強。綜上可知,硅藻土與瀝青混合后并未產生新官能團,硅藻土的摻入沒有給瀝青組成成分和分子結構帶來較大的影響,兩者以物理混合為主,未發生化學反應。即改性效果主要取決于硅藻土的物理性質。

2.6 SEM試驗

選取硅藻土及10%、15%、20% 共 3 種不同摻量的硅藻土改性瀝青進行電鏡掃描試驗,試驗結果如圖10。

圖10 不同摻量硅藻土瀝青膠漿掃描電鏡圖像Fig. 10 SEM image of diatomite modified asphalt mortar with different dosage

由文獻[3]、文獻[19]可知,硅藻土形態以圓篩狀為主,且表面含有大量分布較為規律的小孔,這使得硅藻土比表面積較大。由圖10(a)、圖10(b)可以看出,硅藻土摻量為10%與15%時,硅藻土能夠較為均勻地分散在瀝青之中,并與瀝青緊密結合形成一個相對穩定的整體。這得益于硅藻土的多孔結構,大量的小孔能夠吸附瀝青中的輕質組分,產生毛細作用,使瀝青與硅藻土顆粒之間的相互作用得到加強,增加兩者之間的黏結力,有利于提高改性瀝青的各項性能。對比圖10(c)可知,當硅藻土摻量進一步提升至20%以后,改性瀝青出現硅藻土分布過于密集的現象,改性瀝青中局部開始出現輕微重疊以及微弱結團的現象,這種現象的發生會造成硅藻土對瀝青改性效果減弱,并帶來一定的不利影響。因此在改性瀝青過程中,控制硅藻土的摻量不超過20%才能發揮最好的整體改性效果。

2.7 雙因素方差分析(ANOVA)及機理分析

統計學中雙因素方差分析法常用于評價各個影響因素對試驗結果影響程度的大小。為研究硅藻土摻量與細度對瀝青各項性能試驗指標影響的顯著性大小,采用軟件SPSS 25進行兩個因素的顯著性水平分析計算,若P<0.05,則F值至少具有95%的置信水平,表明該因素影響顯著,具體分析結果如表3。

表3 雙因素方差分析結果

從表3可以看出,硅藻土摻量與細度均對針入度、軟化點、64 ℃車轍因子、12 ℃蠕變速率、Jnr(3.2 kPa)、R(3.2 kPa)影響顯著。這是因為硅藻土具有比表面積大的特點,能夠提高其與瀝青的表面潤濕作用和界面吸附作用,其與瀝青的交互作用更強。隨著摻量和細度的增大,這種作用不斷增強,表現為瀝青膠漿高溫性能增強,并且影響效果顯著。對比摻量和細度的P值大小可以看出,上述性能指標中摻量P值始終小于細度P值,表明硅藻土摻量始終較細度對瀝青膠漿性能的影響程度大。相較于硅藻土細度,硅藻土摻量越大,硅藻土在瀝青膠漿中體積占比越大,在攪拌均勻的前提下,分散范圍更廣,體積效應顯著,通過自身空隙吸收瀝青中的輕質組分,形成類似錨固點數量增多,產生的錨固作用越強,因此硅藻土摻量較細度對瀝青性能影響程度更大。延度與12 ℃勁度模量方差分析結果表明,硅藻土細度對其影響效果并不顯著,這是由于在低溫環境下,填料和瀝青各組分活性降低,各組分吸附作用程度降低,體積效應及錨固作用發揮主要作用,表現為硅藻土細度對瀝青膠漿低溫性能影響程度較低。

考慮瀝青中輕質組分含量存在下限(過低會造成瀝青變硬,喪失流動性),這意味著錨固點數量也不宜過多,硅藻土摻量以不超過20%為宜。由于硅藻土細度目數越大,加工成本越高,綜合考慮性能及經濟性,建議在硅藻土摻量較高的前提下,硅藻土細度選用500 目。

3 結 論

1)硅藻土的摻入對瀝青性能起到積極作用,且摻量在0%～20%范圍內,細度目數在200～800 目范圍內,硅藻土摻量與細度目數越大,改性瀝青高溫性能越好,抗永久變形能力越強;在低溫性能方面,硅藻土起一定負面作用,但在同一摻量條件下,硅藻土細度目數對低溫性能的影響并不顯著。

2)從改性機理分析,硅藻土對瀝青的改性效果主要取決于硅藻土的物理性質,并沒有化學反應的產生。此得益于硅藻土的多孔結構,其與瀝青之間黏附性較好,使瀝青表現出較好的性能,但硅藻土摻量過高則會出現重疊與團聚現象,造成硅藻土對瀝青改性效果降低。

3)綜合考慮性能與經濟性,建議硅藻土摻量為20%,細度選用500 目。