王友中，張麗麗

（1.江蘇省寧通高速公路管理處，江蘇 泰興 225403；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

硅藻土瀝青膠漿抗老化性能研究

王友中1，張麗麗2

（1.江蘇省寧通高速公路管理處，江蘇 泰興 225403；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

硅藻土作為一種天然改性劑，對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性都有較好的改善作用。文章首先通過(guò)實(shí)踐評(píng)價(jià)，確定硅藻土制備工藝；然后，從瀝青膠漿層面出發(fā)，對(duì)硅藻土瀝青膠漿物理力學(xué)行為進(jìn)行研究，采用針入度、軟化點(diǎn)、延度以及改進(jìn)的錐入度試驗(yàn)，分析5%、10%、15%摻量的硅藻土對(duì)瀝青膠漿的高低溫性能和抗老化性能的影響，最終得到影響瀝青膠漿不同性能的硅藻土最佳摻量。

瀝青膠漿；硅藻土；針入度；抗老化

硅藻土作為一種天然改性劑，在我國(guó)存儲(chǔ)極為豐富，具有表面粗糙、硬度較大、微孔結(jié)構(gòu)和活性成份豐富等特點(diǎn)。這使得硅藻土改性瀝青在瀝青路面上的應(yīng)用前景極為廣闊，大量研究發(fā)現(xiàn)硅藻土作為瀝青改性劑，對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性都有較好的改善作用，但對(duì)低溫性能的改善作用目前仍未達(dá)成共識(shí)［1-5］。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)硅藻土改性瀝青的研究多數(shù)集中在瀝青和瀝青混合料的研究，而對(duì)瀝青和填料組成的膠漿體系以及膠漿和細(xì)集料組成的砂漿體系的研究相對(duì)較少［6-7］。眾所周知低溫條件下，瀝青路面的抗裂性80%是由膠漿和膠砂提供的，粗集料對(duì)低溫性能起的作用很?。?］，因此對(duì)硅藻土改性瀝青膠漿、砂漿體系進(jìn)行研究十分必要。

硅藻土瀝青膠漿是瀝青和硅藻土混合而成的二元體系，其混合的均勻程度直接影響到瀝青膠漿及瀝青混合料的路用性能，本文采用專用的高速攪拌鍋剪切。與純?yōu)r青不同，瀝青膠漿對(duì)基礎(chǔ)試驗(yàn)指標(biāo)的適用性提出更高的要求。為較全面地評(píng)價(jià)瀝青膠漿的物理力學(xué)性能，本文從評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青的針入度指數(shù)體系指標(biāo)試驗(yàn)出發(fā)，評(píng)價(jià)硅藻土對(duì)瀝青膠漿的改性作用，接著采用評(píng)價(jià)改性瀝青的錐入度試驗(yàn)從高溫方面評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青膠漿的力學(xué)性能。

1 原材料性能指標(biāo)測(cè)試

1.1 瀝青、硅藻土及礦粉基本指標(biāo)

本文研究使用的瀝青為盤錦-AH90#重交通石油瀝青，瀝青技術(shù)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。本文選用的硅藻土為助濾劑煅燒品，呈灰白色粉末狀，平均粒徑10 μm。硅藻土的化學(xué)成分如表2所示，硅藻土的基本性質(zhì)如表3所示。采用吉林郭家店生產(chǎn)的礦粉，其技術(shù)指標(biāo)如表4所示［1-4］，親水系數(shù)0.78（規(guī)范限值＜1），表觀密度2.741 g·cm-3（規(guī)范限值＞2.50 g·cm-3）。

1.2 硅藻土瀝青膠漿制備［5-8］

本文采用專用的高速攪拌鍋剪切，具體操作過(guò)程如下：

（1）稱取相應(yīng)比例的填料（硅藻土和礦粉）和基質(zhì)瀝青，將其放入150 ℃的烘箱中保溫4 h以上。同時(shí)將高速攪拌鍋預(yù)熱，溫度設(shè)為150 ℃。

（2）攪拌鍋溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，將填料和瀝青依次倒入攪拌鍋中，恒溫5 min后啟動(dòng)攪拌葉片。攪拌速率設(shè)為4 000 r/min，攪拌時(shí)間為40 min。為保障瀝青與填料攪拌均勻，在攪拌過(guò)程中，每隔10 min上下調(diào)節(jié)攪拌鍋攪拌葉片的高度。由于填料自重的影響，顆粒會(huì)產(chǎn)生部分下沉的現(xiàn)象，膠漿底部會(huì)產(chǎn)生顆粒大規(guī)模集聚。因此，在進(jìn)行試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)膠漿進(jìn)行二次攪拌，二次攪拌時(shí)間為5 min。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 硅藻土化學(xué)成分

表3 硅藻土基本性質(zhì)

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

（3）攪拌完成之后，根據(jù)試驗(yàn)需要澆筑瀝青膠漿測(cè)試試件，并置于室溫下冷卻。

2 針入度指數(shù)體系指標(biāo)試驗(yàn)

目前，對(duì)于我國(guó)現(xiàn)行的改性瀝青規(guī)范沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，本節(jié)采用常規(guī)的針入度指數(shù)體系指標(biāo)對(duì)硅藻土瀝青膠漿的物理力學(xué)性能進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

2.1 針入度試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別對(duì)5%、10%和15%的硅藻土改性瀝青膠漿和相應(yīng)摻量的礦粉瀝青膠漿進(jìn)行了15 ℃、25 ℃和30 ℃的針入度試驗(yàn)，分別計(jì)算出針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2。各瀝青膠漿老化前后的針入度分別如圖1和圖2所示。

由圖1可知，無(wú)論是硅藻土瀝青膠漿還是礦粉瀝青膠漿，其針入度值都隨溫度的升高而增大，且隨填料摻量的增加而降低。同時(shí)，在溫度和摻量相同的條件下，硅藻土瀝青膠漿的針入度均小于礦粉瀝青膠漿。因此，硅藻土與礦粉對(duì)比，硅藻土具有更好的高溫穩(wěn)定性，硅藻土能改善瀝青膠漿的高溫性能。圖2是瀝青膠漿老化后相同摻量硅藻土和礦粉在不同溫度下的針入度對(duì)比圖，與老化前相比，老化后瀝青膠漿的針入度均明顯下降了，即瀝青稠度變大。但對(duì)比老化后相同溫度、相同摻量的硅藻土和礦粉瀝青膠漿發(fā)現(xiàn)，兩種瀝青膠漿針入度值相差不大。表明硅藻土瀝青膠漿老化針入度下降速率低于礦粉瀝青膠漿，反映出硅藻土對(duì)瀝青老化有一定的抑制作用［9-11］。

圖1 各瀝青膠漿老化前針入度

圖2 各瀝青膠漿老化后針入度

不同摻量、不同溫度下各瀝青膠漿的針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2，分別如圖3～圖5所示。

圖3 不同摻量下PI值

圖4 不同摻量下T800值

圖5 不同摻量下T1.2值

由圖3～圖5可得到如下結(jié)論：

（1）由圖3可見(jiàn)，相同摻量的硅藻土的針入度指數(shù)大于相同摻量礦粉的針入度指數(shù)，說(shuō)明硅藻土減弱了瀝青溫度感應(yīng)性，這對(duì)瀝青路用性能是有利的。老化后針入度指數(shù)都提高了，且礦粉瀝青膠漿的針入度指數(shù)提高幅度明顯大于硅藻土，以至于除填料摻量為15%外，硅藻土瀝青膠漿針入度指數(shù)都小于礦粉。

（2）由圖4可知，老化前相同摻量的硅藻土和礦粉瀝青膠漿，硅藻土瀝青膠漿當(dāng)量軟化點(diǎn)T800均大于礦粉瀝青膠漿的當(dāng)量軟化點(diǎn)，說(shuō)明老化前硅藻土瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性較礦粉瀝青膠漿好。老化后，膠漿的當(dāng)量軟化點(diǎn)都增大了，即老化使得瀝青變稠變硬，高溫穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)摻量為5%和10%時(shí)，摻硅藻土的當(dāng)量軟化點(diǎn)T800小于摻礦粉的T800，而當(dāng)摻量為15%時(shí)，硅藻土瀝青膠漿當(dāng)量軟化點(diǎn)最大，且大于相同摻量礦粉瀝青膠漿，即此時(shí)瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性最佳。

（3）由圖5可見(jiàn)，老化后，硅藻土瀝青膠漿的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2明顯增大，表明老化對(duì)瀝青膠漿的低溫性能不利。但無(wú)論老化前還是老化后，硅藻土瀝青膠漿的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2均大于礦粉瀝青膠漿，這就表明以當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2作為瀝青膠漿低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，硅藻土的加入對(duì)低溫性能不利，加入硅藻土后瀝青膠漿的低溫抗裂性變差了。

2.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用環(huán)球法分別對(duì)5%、10%和15%的硅藻土改性瀝青膠漿和相應(yīng)摻量的礦粉瀝青膠漿進(jìn)行了軟化點(diǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同摻量下軟化點(diǎn)TR&B值

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）加入硅藻土和礦粉后軟化點(diǎn)升高，填料的加入使瀝青發(fā)生硬化效應(yīng)，改善了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性，瀝青膠漿黏度相應(yīng)增大，高溫抗變形的能力增強(qiáng)。

（2）相同摻量的硅藻土和礦粉，硅藻土瀝青膠漿的軟化點(diǎn)明顯大于礦粉瀝青膠漿，且提高了約0.5～2.0 ℃。這表明與礦粉相比硅藻土的加入對(duì)瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性的改善作用更明顯，這與當(dāng)量軟化點(diǎn)作為瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的結(jié)論一致。

（3）老化后，不同摻量的瀝青膠漿的軟化點(diǎn)都增大了，這說(shuō)明老化后瀝青材料的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)了。但無(wú)論是老化前還是老化后，隨著礦粉和硅藻土摻量不同，瀝青膠漿的軟化點(diǎn)各不相同。隨填料摻量增大，軟化點(diǎn)顯著增大，當(dāng)摻量達(dá)到10%時(shí)，軟化點(diǎn)增長(zhǎng)幅度明顯下降且逐漸趨于平緩，當(dāng)填料摻量達(dá)到15%時(shí)，軟化點(diǎn)達(dá)到最大，此時(shí)瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性最佳。

2.3 延度試驗(yàn)結(jié)果與分析

延度是評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的重要指標(biāo)，各瀝青膠漿延度值如圖7所示。

圖7 不同摻量下延度值

從圖7可以看出：

（1）與基質(zhì)瀝青相比，加入硅藻土或礦粉后，延度下降，這是由于填料的加入使得瀝青由均勻體變成分散體，瀝青分子之間的粘結(jié)力降低了，瀝青膠漿的黏稠度相應(yīng)下降。然而，無(wú)論是硅藻土還是礦粉瀝青膠漿，老化后延度均下降，說(shuō)明老化使得瀝青變脆，低溫時(shí)受力易斷裂。

（2）老化前后相同摻量的硅藻土和礦粉瀝青膠漿相比，除老化前5%的礦粉瀝青膠漿延度大于硅藻土瀝青膠漿外，硅藻土瀝青膠漿延度均大于礦粉瀝青膠漿。試驗(yàn)結(jié)果表明硅藻土作為填料加入到瀝青中能改善其低溫性能。其中5%的情況出現(xiàn)可能是試驗(yàn)操作不當(dāng)引起的。對(duì)于不同摻量的瀝青膠漿，延度值隨硅藻土或礦粉的增加逐漸降低。

2.4 錐入度試驗(yàn)及結(jié)果分析

本文參照長(zhǎng)安大學(xué)劉麗課題組研制的錐入度儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，在原有針入度的基礎(chǔ)上，將細(xì)針換成自制錐針，錐針結(jié)構(gòu)尺寸如圖8所示［12］。通過(guò)參照土壤剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，分別測(cè)定了不同摻量的瀝青膠漿老化前后在溫度為15 ℃、25 ℃、30 ℃和45 ℃條件下的錐入度，分析硅藻土瀝青膠漿和礦粉瀝青膠漿的高溫性能，抗剪強(qiáng)度可根據(jù)所測(cè)的錐入度由式（1）計(jì)算得到：

式中：τ為抗剪強(qiáng)度；Q為錐針、連桿及砝碼總重；h為錐入度；α為錐針針尖角度（30°）。

圖8 錐針尺寸（單位：mm）

抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同摻量硅藻土瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度隨溫度變化

由圖9看出，無(wú)論是老化前還是老化后，隨溫度升高，瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度顯著下降，溫度每升高15 ℃，抗剪強(qiáng)度降低約3個(gè)數(shù)量級(jí)，溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度變化的影響極大。而在相同溫度下，隨著填料摻量的增加, 抗剪強(qiáng)度逐漸增大，摻量為15%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大，瀝青膠漿隨著填料的增加而變稠變硬，其抗剪強(qiáng)度相應(yīng)提高。

為研究硅藻土瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度的相關(guān)性，找出兩者之間的函數(shù)關(guān)系［13-15］，本文將各硅藻土瀝青膠漿老化前后的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，其回歸曲線如圖10所示，回歸結(jié)果可知抗剪強(qiáng)度隨溫度呈指數(shù)變化，其表達(dá)式如下：

式中：A、B為常系數(shù)，Y為抗剪強(qiáng)度，X為試驗(yàn)溫度。一般地, 常數(shù)A能直接反應(yīng)瀝青膠漿的抗剪切性能，A值越大，說(shuō)明抗剪切性能越高；反之，越小。

圖10 老化前硅藻土瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度隨溫度變化關(guān)系

將圖10的回歸方程和相關(guān)系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表5 瀝青膠漿回歸分析的回歸方程及相關(guān)系數(shù)

由回歸結(jié)果可看出，硅藻土瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度與溫度呈明顯的指數(shù)變化，且回歸方程的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.996以上?；貧w方程中A值隨硅藻土摻量的增大而增大，即瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度隨硅藻土摻量的增加逐漸升高，硅藻土的加入對(duì)瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性有益。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了原材料試驗(yàn)、瀝青膠漿基本物理性能指標(biāo)試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）硅藻土明顯改善了瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性，老化后硅藻土瀝青膠漿老化針入度下降速率低于礦粉瀝青膠漿，硅藻土對(duì)老化有一定的抑制作用，當(dāng)硅藻土摻量為15%時(shí)，瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性最佳。

（2）與礦粉相比硅藻土能降低瀝青膠漿的溫度感應(yīng)性，摻量為15%時(shí)硅藻土瀝青膠漿感溫性最弱，瀝青路用性能最佳。

（3）當(dāng)量脆點(diǎn)評(píng)價(jià)瀝青膠漿的低溫性能不準(zhǔn)確，延度試驗(yàn)老化前后沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

（4）試驗(yàn)結(jié)果表明，合理選擇硅藻土摻量才能有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)硅藻土瀝青膠漿的各方面性能。

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Study on Anti-aging Performance of Asphalt Mortar Adding Diatomaceous Earth

Wang Youzhong1, Zhang Lili2
（1. Jiangsu Nintong Expressway Management Department, Taixing 225403, China; 2. JSTI Group, Nanjing 210017, China）

As a kind of natural modifier, diatomaceous earth had a better effect on asphalt temperature stability, water stability and fatigue resistance. Firstly, through the practice assessment, the preparation process of diatomaceous earth was determined. Then, the physical and mechanical behavior of diatomite modified asphalt binder was studied from the aspect of the asphalt cement, using three tests of penetration, softening point and ductility to analyze the effect of 5%, 10%, 15% of diatomite replacement on high-and-low temperature performances and anti-aging performance of asphalt mortar. Finally, the optimal parameters of diatomaceous earth affecting different properties of asphalt mortar were achieved in this paper.

asphalt mortar; diatomaceous earth; penetration; aging resistance

U414

A

1672-9889（2016）06-0010-04

2016-03-11）

王友中（1974-），男，江蘇興化人，高級(jí)工程師，主要從事高速公路道路養(yǎng)護(hù)工程管理工作。