基于DSR試驗的硅藻土改性瀝青膠漿粘彈性能研究

劉金濤，支鵬飛

（1.中交二公局第三工程有限公司，湖南 湘潭411201；2.甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅 蘭州730070）

基于DSR試驗的硅藻土改性瀝青膠漿粘彈性能研究

劉金濤1，支鵬飛2

（1.中交二公局第三工程有限公司，湖南 湘潭411201；2.甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅 蘭州730070）

通過不同硅藻土摻量、不同溫度下的動態剪切流變（DSR）試驗，分析硅藻土摻量對瀝青膠漿粘彈性能的影響，并通過雙對數坐標回歸分析溫度對硅改瀝青試驗結果的影響。試驗結果及統計回歸結果表明，硅藻土可以有效改善瀝青膠漿的溫度敏感性，可以增加瀝青的高溫抗車轍能力和抗老化能力，但是當摻量達到一定范圍時，高溫性能提高并不顯著。因此，為了瀝青膠漿高溫穩定性和生產成本的平衡，必須控制硅藻土的合理摻量。

道路工程；硅藻土；DSR；粘彈性能；改性瀝青膠漿

硅藻土是一種活性超細無機礦物，具有十分特殊的硅藻結構、超大的比表面積、高吸附能力和化學穩定性，可用于很多領域［1］。近年來，硅藻土作為道路工程瀝青改性劑受到各界的普遍認可。大量試驗研究表明，采用評價基質瀝青的一些基礎指標，如針入度、軟化點、延度等指標來簡單評價改性瀝青的技術特殊，往往不能客觀地評價改性瀝青性能。尤其是對于硅藻土改性瀝青，這是由于硅藻土顆粒在瀝青中的分散，使瀝青由原來的均勻體系變成分散體系，在硅藻土顆粒與瀝青的交界面上容易出現應力集中，從而使測定的數據離散性大，再現性試驗的誤差較大，影響試驗結果的可靠性。

改性瀝青的形變更加接近材料在不同使用溫度下的粘彈行為，美國SHRP計劃中提出利用動態剪切流變試驗來評價瀝青的粘彈特性，通過測定瀝青膠漿的復數剪切模量（G*）和相位角（δ）來表征其粘彈特性［2］。SHRP瀝青結合料的高溫穩定性能，以高溫設計溫度下的原樣瀝青及短期老化（RTFOT）后殘留瀝青動態剪切試驗的G*/sinδ作為指標。改性瀝青的粘彈性能取決于基質瀝青性能、改性劑成分、改性劑劑量等。本文就基質瀝青改性前后、硅改瀝青老化前后分別進行瀝青膠漿的動態剪切流變試驗。分析不同硅藻土摻量下、不同試驗溫度下硅改瀝青的粘彈性能，從而更好的評價硅藻土改性瀝青的高溫穩定性能。

1　原材料測試及試驗方法

1．1原材料及改性瀝青的制備

所用的原材料主要有克拉瑪依70#瀝青和吉林通化產硅藻土。克拉瑪依70#瀝青基礎指標測定結果見表1，硅藻土技術特性見表2。

表1　基質瀝青基礎指標

表2　硅藻土改性劑技術特性

在基質瀝青中分別摻入9%、11%、13%、15%、17%的硅藻土（外摻，按瀝青質量的百分比計）制備硅藻土改性瀝青膠漿。具體的工藝流程為：首先把硅藻土放入105℃的土工烘箱中約1h，使其干燥，同時也保證不會因為硅藻土的摻入而導致瀝青溫度降低，然后按比例將硅藻土摻入事先已加熱至160℃～165℃的瀝青中，采用瀝青攪拌機以中低速（500～1000轉/min）攪拌10min左右至硅藻土顆粒均勻分散至瀝青中即可，若沒有攪拌機也可手動攪拌至均勻。攪拌速度過快容易導致瀝青中產生大量氣泡，不利于改性瀝青質量的控制。但是，為了硅藻土更好的分散，可以先快速攪拌3min左右，然后再調整至中低速攪拌至均勻并且要保證瀝青中沒有產生太多的氣泡。

1.2試驗方法

瀝青是典型的粘彈性材料，粘彈性材料的應變與應力應該不能夠保持同步，在時間上有比較大的延后，相位角δ接近90°。在一般的交通荷載與路面溫度的情況下，瀝青呈現粘彈性，通過測定G*與δ，能夠認識瀝青在使用狀態下的彈粘特性。以路面設計最高溫度下采集的試驗指標的計算值抗車轍因子G*/sinδ來評價瀝青膠漿的高溫性能，該值越大，瀝青在高溫時的流變變形越小，抗車轍能力越強。即從高溫角度來講，較高的G*和較小的δ值是較為理想的狀態。以疲勞開裂因子G**sinδ來評價瀝青膠漿的疲勞特性，該值越小，說明瀝青膠漿更趨于彈性，即抗疲勞開裂能力更好［3］。當瀝青膠漿應具有像軟彈性材料的功能，能在多次加載后恢復大部分變形時其抗疲勞開裂特性最佳。

本文采用AP1500ex型動態剪切流變儀測試瀝青的動態粘彈力學性能如圖1所示，就基質瀝青改性前后、硅改瀝青老化前后分別進行瀝青膠漿的動態剪切流變試驗。分析不同硅藻土摻量下、不同試驗溫度下硅改瀝青的粘彈性能，從而更好的評價硅藻土改性瀝青的高溫穩定性能。

圖1　動態剪切流變儀的原理圖

2　試驗結果與分析

2.1試驗結果

本文DSR試驗采用應變式控制模式，對原樣瀝青應變值γ=12%，試驗頻率ω=10rad/s；對旋轉薄膜烘箱老化（RTFOT）后的瀝青應變值γ=10%，試驗頻率ω=10rad/s，原樣和RTFOT后的試樣直徑為25mm，厚1mm。針對不同摻量硅改瀝青在不同狀態下的粘彈特性進行試驗分析，并就溫度對硅改瀝青粘彈特性的影響進行分析。具體試驗結果見表3、表4。

表3　硅改瀝青在不同摻量、不同溫度下的DSR試驗結果

表4　硅改瀝青RTFOT后在不同摻量、不同溫度下的DSR試驗結果

2.2硅藻土改性瀝青膠漿的粘彈性能分析

由圖2分析所示。

圖2　不同硅藻土摻量的流變參數溫度趨勢圖

1）加入硅藻土后，瀝青的相位角變小，復數剪切模量變大，抗車轍因子變大，說明硅藻土可提高基質瀝青的高溫性能。這是由于硅藻土的孔隙非常發達，且比表面積大，可以吸附瀝青中的輕質組分，從而使瀝青變硬，減小了瀝青的高溫流動變形［4］。

2）不同摻量的硅藻土對瀝青的改性效果不同，尤其是13%的硅藻土摻量對瀝青高溫穩定性的提高最為顯著，不同摻量硅藻土的改性效果依次為：13%＞11%＞9%＞15%＞基質瀝青。

3）在一定的溫度范圍內，加入不同摻量的硅藻土后提高硅藻土改性瀝青膠漿高溫穩定性能，從圖2可以看出，當溫度到達一定范圍后，五條曲線趨向基本一致，甚至重合，說明在高溫狀態下硅藻土的摻入對高溫穩定性的影響較小。

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2.3硅藻土改性瀝青膠漿短期老化后的粘彈特性分析

由圖3分析可知：

圖3　RTFOT后不同硅藻土摻量的流變參數溫度趨勢圖

1）旋轉薄膜烘箱老化后瀝青膠漿的抗車轍因子變大，且變大的趨勢與未老化之前一致。

2）不同摻量的硅改瀝青膠漿經過短期老化后抗車轍因子的變化趨勢與基質瀝青的基本一致，說明硅改瀝青膠漿的老化是由于基質瀝青對的老化。

3）經過短期老化的硅改瀝青膠漿的相位角變小，表明在荷載作用下瀝青中的彈性部分變大，即不可恢復的變形變小，即抵抗車轍的能力變強。

綜合以上分析，在設計硅改瀝青混合料時，提高硅藻土摻量可以顯著提高瀝青混合料的高溫穩定性。但是超過一定的摻量對高溫穩定性的影響并不顯著，即存在最佳摻量，使得性能最優，成本最低。因此，為了平衡硅藻土改性瀝青的性價比，應控制硅藻土摻量。

3　溫度對硅改瀝青試驗結果的影響分析

G*是瀝青受反復剪應力作用后，材料抗變形的總量，它由兩部分組成：一部分是彈性變形（可恢復變形），如圖4水平軸所示；另一部分是粘性變形（永久變形）［5］，如圖4垂直軸線表示。δ是與水平軸產生的角，表示彈性和粘性變形的相對量。通過DSR試驗測定G*和δ，可以進一步測算瀝青材料的彈性變形G1（G1=G**Cosδ）和粘性變形G2（G2= G**Sinδ）。

圖4　瀝青粘彈性的極坐標表示

瀝青是感溫性材料。其動態流變性能參數G*、G1、G2等指標與溫度T顯著相關，尤其是在雙對數坐標系統下。可用經驗公式（1）表示：

系數a為雙對數坐標的截距，系數b為雙對數坐標的斜率，代表了G值隨溫度變化的敏感程度。b值越大，即線性越陡，表明溫度敏感性越強，反之越弱［6］。通過SPSS軟件分別對不同摻量的硅藻土瀝青老化前及旋轉薄膜烘箱老化后的瀝青試驗的DSR試驗結果進行統計回歸，其b值回歸結果見表5。

表5　不同瀝青試樣回歸系數b值

比較分析表5中不同摻量硅改瀝青的回歸參數，老化前后G1的b值最大，G*、G2的b值相對較小，說明溫度主要影響瀝青的彈性性能，對粘性性能影響相對較小，且老化后G*、G1、G2都較老化前小。結合圖2、圖3可以看出，模量G*、抗車轍因子隨著溫度升高而降低的幅度很大，但是當溫度上升至70℃以上時，變化非常微小，甚至多條曲線重合。說明隨著溫度的上升，相位角增大，即瀝青中粘性成分的比例增大［7］。當彈性分量變化很小時，瀝青整體粘彈性的變化也很小。這與我們回歸出來的結果一致，即溫度的變化主要影響瀝青的彈性部分，換句話說，彈性分量基本決定了瀝青的溫度敏感性。由表5還可以看出，基質瀝青G*的回歸系數b比改性瀝青的大，且不同摻量下b值大小也不同，在摻量為11%～13%時最小，這與前面DSR的試驗結果吻合。說明加入適宜摻量的硅藻土后可以有效改善基質瀝青的溫度敏感性［8］。

4　主要結論

1）加入硅藻土后，瀝青的相位角變小，復數剪切模量變大，抗車轍因子變大，說明硅藻土可提高基質瀝青的高溫性能。

2）旋轉薄膜烘箱老化后瀝青膠漿的抗車轍因子變大，且變大的趨勢與未老化之前一致。摻入硅藻土可以有效改善瀝青的抗老化性能。

3）老化前后G1的b值最大，G*、G2的b值相對較小，說明溫度主要影響瀝青的彈性性能，對粘性性能影響相對較小。

綜上，摻入硅藻土可有效改善瀝青膠漿的高溫抗車轍能力、抗老化能力，大大降低瀝青的溫度敏感性，但是當摻量超過一定范圍時，影響非常小。因此，在設計硅改瀝青膠漿時，必然存在最佳摻量，使得瀝青混合料在高溫穩定性顯著提高的前提下，保證其生產成本。工程實踐時，需結合瀝青、硅藻土特性，通過試驗確定硅藻土的最佳摻量。

［1］黃承顏.中國硅藻土及其應用［M］.科技出版社.1993.

［2］李曉民，張肖寧，李智.硅藻土改性瀝青膠漿的動態粘彈特征分析［J］.公路，2006，（10）∶145-148.

［3］鮑燕妮.硅藻土改性瀝青研究［D］.長安大學碩士學位論文.2005.

［4］E.Ray Brown，John E.Haddock，and Campbell Crawford. Investigationofstonematrixasphaltmortars.Transportation researchrecord1530.

［5］徐江萍，鮑燕妮.基于微觀試驗的硅改瀝青改性機理［J］.長安大學學報（自然科學版），2006，25（6）∶14-17.

［6］劉麗，李劍，郝培文，等.硅藻土改性瀝青膠漿技術性能的評價方法［J］.長安大學學報（自然科學版），2005，25（3）∶23-27.

［7］云南省公路科學研究所.硅藻土改性劑及其瀝青混合料的路用性能研究［R］.交通部西部交通建設科技項目簡報，2004（17）∶5-11.

［8］郭詠梅，倪富健，肖鵬，基于線黏彈范圍的改性瀝青動態流變性能［J］.江蘇大學學報∶自然科學版，2011，32（4）∶460-463.

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