硅藻土改性瀝青性能研究*

楊 超 謝 君 周小俊

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

我國90%的高等級公路都是瀝青路面.瀝青路面的使用壽命與其采用的瀝青的品質密切相關.近年來，由于瀝青自身存在的缺點如高溫變軟、低溫變脆和疲勞開裂等，使大部分原產瀝青都不能滿足高等級公路的使用要求[1].因此對瀝青加以改性來提升其高、低溫性能和疲勞性能，達到延長路面服役年限的目的是一種較為理想的手段.

瀝青改性劑分為有機和無機兩類.現今，國內外對有機改性劑的研究和使用比較多，聚合物改性劑如SBS憑借其良好的抗老化、抗車轍、抗疲勞性，已成為目前世界上使用最普遍的瀝青改性劑[2].但聚合物改性劑的高價格和復雜的改性工藝制約了改性瀝青的發展和應用.

相比之下，無機改性劑不僅可以通過改善瀝青與礦料的界面作用來提升混合料的路用性能，更重要的是其豐富的儲量、低廉的價格和簡單的生產工藝等特點更符合路面的實際鋪筑.其中硅藻土被認為是一種非常有潛力的無機改性劑.

硅藻土作為一種天然礦物，具有比表面積大、孔徑小和獨特的活性基團等特點.近幾年，國內外學者對硅藻土改性瀝青的研究開展了大量的工作.Baldi等[3]研究發現，硅藻土的加入能提升瀝青膠漿的疲勞性能.Zhang等[4]研究發現加入硅藻土后，瀝青的當量脆點顯著降低，勁度模量增大，蠕變速率降低.孟召明[5]研究發現，適宜摻量的硅藻土能增大瀝青的蠕變速率.劉麗等[6]研究發現，硅藻土摻量超過15%后，改性瀝青的疲勞性能會下降.鮑燕妮[7]研究發現，經硅藻土改性后瀝青的感溫性、高溫性能和抗老化性都得到一定程度的改善.

以上研究表明，硅藻土的摻入能改善瀝青的高溫性能，但其摻量對瀝青低溫性能和疲勞性能的影響仍有諸多爭議.文中利用基質瀝青，通過添加不同摻量硅藻土以研究硅藻土改性瀝青的綜合性能，包括瀝青基本性能、高低溫性能和疲勞性能的影響，以確定硅藻土的最佳摻量.

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

采用70號(AH70)基質瀝青，性能指標見表1.硅藻土瀝青改性劑由某公司生產，見圖1，主要技術指標見表2.圖2為硅藻土的微觀形貌.由圖2可知，硅藻土表面有豐富的微孔，因此其具有一定的吸附活性，可以與瀝青更加牢固的粘結.

表1 基質瀝青的性能指標

表2 硅藻土技術指標

圖1 硅藻土原樣圖

圖2 硅藻土掃描電鏡圖

1.2 實驗方法

1.2.1硅藻土改性瀝青的制備

先將硅藻土放入105 ℃的烘箱中干燥2 h，保證硅藻土和瀝青兩者溫度相近，同時避免攪拌過程中出現氣泡.然后按瀝青質量的8%,10%,12%和14%將硅藻土加入事先已加熱至135 ℃的基質瀝青中，采用自動攪拌機攪拌10 min左右至硅藻土顆粒均勻分散至瀝青中，再用高速剪切儀以3 000 r/min的轉速在140 ℃下剪切20 min即可.

1.2.2硅藻土改性瀝青性能研究

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的相關實驗方法對基質瀝青及四種摻量的改性瀝青的針入度(15,25和30 ℃)、5 ℃延度和軟化點進行測試.根據不同摻量瀝青的針入度對應的溫度計算其針入度指數，用于評價瀝青的感溫性.

瀝青的高溫流變性能采用動態剪切流變儀(DSR)進行測試. 實驗選用溫度掃描和頻率掃描兩種測試模式.實驗中瀝青試樣的厚度為1 mm，采用的轉子型號為PP 25.在溫度掃描中，溫度范圍為30～80 ℃，升溫速率為2 ℃/min，角頻率為10 rad/s.在頻率掃描中，測試溫度為30,40,50和60 ℃，頻率范圍為0.01～10 Hz.

瀝青的疲勞性能也采用DSR進行測試.實驗中的評判指標為疲勞壽命，即瀝青復數剪切模量下降至初始值的50%時的加載次數Nf50.實驗溫度為20 ℃，頻率為10 Hz，平板直徑8 mm，試樣的厚度為2 mm，采用的轉子型號為PP 8.實驗中選用1%,2%,3%和4%的應變幅度對5組瀝青進行剪切疲勞測試.疲勞方程為

Nf=aε-b

式中：Nf為疲勞壽命；ε為應變幅度；a和b為常數.

瀝青的低溫性能采用彎曲梁流變儀(BBR)進行測試.測試溫度為-12 ℃，這是為了模擬路面的實際溫度-22 ℃.試件的尺寸為：長(127±2) mm，厚(6.35±0.05) mm，寬(12.70±0.05) mm.實驗中每組瀝青選用2個平行試樣.

由圖3可知，溶出時間對鐵溶出率影響較大，在一定時間內鐵的溶出率隨時間的延長而增加。溶出時間短，部分硫酸鐵鹽未充分溶解和擴散。

2 結果與分析

2.1 硅藻土對瀝青常規性能的影響

2.1.1硅藻土對瀝青針入度及其指數的影響

圖3～4為瀝青的針入度和針入度指數隨硅藻土摻量變化的趨勢圖.由圖3可知，在同一溫度下，針入度隨硅藻土摻量的增加而逐漸降低.在摻量達到12%后，增加的速率開始降低.隨著溫度的上升，瀝青的針入度開始升高，但其數值在相同溫度下隨硅藻土摻量變化的趨勢不變.這表明，硅藻土的加入能夠明顯增加瀝青的硬度，改善瀝青的高溫性能.由圖4可知，隨著硅藻土摻量的增加，瀝青的針入度指數有上升的趨勢.這說明硅藻土能在一定程度上改善瀝青的感溫性，而且摻量越高，改善的效果越明顯.五種瀝青的針入度指數都在-2～+2之間，即均為溶凝膠型結構，這表明硅藻土的加入不會改變瀝青的膠體結構.

圖3 硅藻土摻量對瀝青針入度的影響

圖4 硅藻土摻量對瀝青針入度指數的影響

2.1.2硅藻土對瀝青延度的影響

圖5為硅藻土摻量對瀝青延度的影響.由圖5可知，硅藻土能明顯降低瀝青的延度，且下降的趨勢隨摻量的增加而趨于平緩.這表明硅藻土的加入會使瀝青變硬，但這不能真實反映瀝青的低溫性能.因為硅藻土的改性過程是僅在瀝青中發生分散，并未像聚合物改性劑那樣與瀝青發生交聯作用.改性后的硅藻土仍以微粒形式存在，瀝青在實驗中被拉伸，中部會變細變尖.當瀝青被拉成一條細線時，硅藻土顆粒的存在會使中間部分的瀝青產生應力集中，導致瀝青被拉伸時在顆粒處斷裂.

圖5 硅藻土摻量對瀝青延度的影響

2.1.3硅藻土對瀝青軟化點的影響

圖6 硅藻土摻量對瀝青軟化點的影響

2.2 硅藻土對瀝青高溫流變性能的影響

2.2.1溫度掃描結果分析

1) 復合模量和相位角 圖7為硅藻土的摻量對瀝青復合模量和相位角影響的結果.由圖7可知，相比基質瀝青，硅藻土改性瀝青的復合模量增加明顯，且隨摻量的增加而增加.在硅藻土摻量達到14%時，瀝青的復合模量較12%摻量時變化不大.隨著溫度升高，五種瀝青的相位角都逐漸增大，表明從常溫到高溫，瀝青即由粘彈性向粘性轉化.圖7中硅藻土改性瀝青的相位角在75～80 ℃溫度范圍內有所波動，這是因為硅藻土在高溫下有部分成分發生揮發所致.加入硅藻土后，相位角降低，且隨摻量的增加先下降后上升，說明改性瀝青中的粘性部分所占比例開始減小.但總體來看，當硅藻土摻量超過10%后，其摻量的增加對相位角的影響不明顯.

圖7 硅藻土摻量對瀝青高溫復合模量和相位角的影響

2) 車轍因子 圖8為瀝青車轍因子隨硅藻土摻量的變化曲線.由圖8可知，五種瀝青的車轍因子均隨溫度的升高而降低，這與瀝青路面更易在高溫下產生車轍病害相應.瀝青的車轍因子隨著硅藻土的摻量的增加而上升，在摻量到達12%后，車轍因子上升的幅度減少.這說明硅藻土能增強瀝青的抗變形能力，改善其高溫穩定性.這一方面是因為硅藻土的加入能吸附瀝青中的輕質組分，使得瀝青的粘度增大，流動性變差，從而增強抗變形能力.另一方面是因為硅藻土對溫度的惰性使其成為一種保溫材料，能阻止路面中的瀝青因高溫環境而發生老化等不良影響[8].

圖8 硅藻土摻量對瀝青車轍因子的影響

2.2.2頻率掃描結果分析

1) 60 ℃的粘度 圖9為60 ℃時不同摻量下瀝青的粘度隨頻率變化的曲線.由圖9可知，隨著加載頻率的升高，五種瀝青的粘度均呈現下降的趨勢.硅藻土的加入能明顯提高瀝青的粘度，且摻量越大，粘度越高.60 ℃時的粘度能在一定程度上反應瀝青的抗變形能力，這表明硅藻土能通過增粘作用達到改善瀝青高溫性能的效果.

圖9 硅藻土摻量對瀝青粘度的影響

2) 復合模量和相位角 根據時溫等效原理對五種瀝青不同溫度下的頻率掃描的實驗結果做出主曲線，參考溫度為30 ℃，見圖10.圖10中顯示隨著加載頻率的升高，五種瀝青的復合模量增大，相位角減小.摻入硅藻土能明顯增大瀝青的復合模量，降低其相位角，這與溫度掃描模式下的結果一致.在摻量超過10%后，瀝青的復合模量和相位角變化的幅度明顯減小.

圖10 五種瀝青的復合模量和相位角主曲線

2.3 硅藻土對瀝青疲勞性能的影響

圖11為五種瀝青的疲勞曲線.由圖11可知，瀝青的疲勞壽命隨應變幅度的增加而下降.在摻量不大于10%時，硅藻土改性瀝青的疲勞壽命隨摻量的增加而增加.之后，隨著摻量的繼續增加，改性瀝青的疲勞壽命明顯下降，其值甚至低于基質瀝青的疲勞壽命.這表明適當摻量的硅藻土能改善瀝青的疲勞性能，這是因為硅藻土中的微孔能吸收瀝青的輕質組分，增加其與瀝青間的界面作用力[9].當摻量過多時，硅藻土會從瀝青中離析出去，破壞其整體結構.

圖11 硅藻土摻量對瀝青疲勞壽命的影響

2.4 硅藻土對瀝青低溫開裂性能的影響

圖12為硅藻土摻量對瀝青低溫性能相關參數影響的結果.由圖12可知，硅藻土改性瀝青的勁度模量較基質瀝青有很大提升，并且其值隨摻量的增加而增大.這是因為硅藻土的加入減少了改性瀝青中自由瀝青的含量，同時硅藻土的表面和微孔能吸附部分瀝青，這在一定程度上降低了瀝青的流動性.因此在相同應力模式加載時，改性瀝青較基質瀝青產生的應變大，導致其模量大.蠕變速率隨摻量的增加先增大后減小，在摻量為12%時達到最大值0.505.這說明硅藻土能提升瀝青的應力松弛能力，減小其脆性和低溫開裂的可能.

圖12 硅藻土摻量對瀝青勁度模量和蠕變速率的影響

3 結 論

1) 瀝青的基本性能測試結果表明，硅藻土的加入能降低瀝青的針入度和提升針入度指數，改善瀝青的感溫性；隨著硅藻土摻量的增加，瀝青的延度逐漸下降，軟化點持續上升.

2) 硅藻土對瀝青具有增粘作用，改性瀝青60 ℃的粘度隨摻量的增加而增大.

3) DSR溫度掃描和頻率掃描結果均顯示，硅藻土能改善瀝青的高溫流變性，改性瀝青的車轍因子隨摻量的增大而增大.

4) 適宜摻量的硅藻土能提升瀝青的疲勞性能.摻量過多時，改性瀝青的疲勞壽命會急劇下降，摻量為10%的改性瀝青的疲勞性能最好.

5) 隨著硅藻土摻量的增加，瀝青的勁度模量逐漸增加，蠕變速率先上升后下降.瀝青的蠕變速率在摻量為14%時達到最大，此時硅藻土對瀝青低溫性能的改善效果最好.

6) 綜合分析，適當摻量的硅藻土能改善瀝青的高、低溫性能和疲勞性能，合理摻量范圍為10%～12%.

[1] CONG P L, CHEN S F, CHEN H X. Effects of diatomite on the properties of asphalt binder[J]. Construction and Building Materials,2012,30(30):495-499.

[2] 王雨楠.硅藻土改性瀝青混合料的性能研究[D].長春:吉林大學,2007.

[3] BALDI SEVILLA A, MONTERO M L, AGUIAR J P, et al. Influence of nanosilica and diatomite on the physicochemical and mechanical properties of binder at unaged and oxidized conditions[J]. Construction and Building Materials,2016,127:176-182.

[4] ZHANG Y B, ZHU H Z, WANG G A, et al. Evaluation of low temperature performance for diatomite modified asphalt mixture[J]. Advanced Materials Research,2012,413:246-251.

[5] 孟召明.硅藻土改性瀝青膠漿高低溫流變性能試驗研究[J].湖南交通科技,2016,42(2):53-55.

[6] 劉麗,李劍,郝培文,等.硅藻土改性瀝青膠漿性能研究[J].重慶交通學院學報,2004,23(2):51-55.

[7] 鮑燕妮.硅藻土改性瀝青研究[D].西安:長安大學,2005.

[8] 宋艷茹,張玉貞,張興友,等.硅藻土改性瀝青性能研究[J].石油瀝青,2007,21(1):14-17.

[9] 宋艷茹.硅藻土改性瀝青機理研究[D].青島:中國石油大學,2005.