硅藻精土改性瀝青混合料抗水侵蝕性能研究

梁高榮 陳其龍 覃峰

摘要：文章通過將硅藻土提純得到硅藻精土并按不同比例摻入到瀝青中，進行瀝青混合料馬歇爾試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及浸水車轍試驗研究。試驗結果表明：通過馬歇爾試驗得出，當硅藻精土的摻配比為13%時，瀝青混合料各項指標達到最優效果;硅藻精土摻量為13%時，浸水馬歇爾殘留穩定度達到的峰值是基質瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度的1.05倍，說明加入硅藻精土后可以有效提高混合料的力學特性;在凍融劈裂試驗中，硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強度較70#瀝青混合料的劈裂強度明顯增強，其中摻入13%硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強度較70#瀝青混合料的劈裂強度提高了近6.5%;在浸水車轍試驗中，摻入硅藻精土的瀝青混合料變形量均比基質瀝青混合料小，動穩定度均比基質瀝青大，說明加入硅藻精土改性劑后可以有效提高混合料的抗變形能力。綜合得出13%摻量的硅藻精土改性瀝青混合料的抗水侵蝕性能效果最佳。

關鍵詞：硅藻精土;改性瀝青;混合料;抗水侵蝕;性能研究

This article adds the diatom fine soil purified from diatomite into the asphalt in different proportions to conduct the asphalt mixture Marshall test，water immersion Marshall test，freezethaw splitting test and water immersion rutting test.The test results show that，as shown from Marshall test，when the blending ratio of diatom fine soil content is 13%，all indexes of asphalt mixture reach the best performance;when the diatom fine soil content is 13%，the waterimmersed Marshall residue stability reaches the peak value which is 1.05 times of waterimmersed Marshall residual stability of matrix asphalt mixture，indicating that the mechanical properties of the mixture can be effectively improved after adding the diatom fine soil;in the freezethaw splitting test，the splitting strength of diatomite modified asphalt mixture is significantly stronger than that of the 70# asphalt mixture，of which the splitting strength of modified asphalt mixture with 13% diatom fine soil is increased by nearly 6.5% compared with the splitting strength of 70# asphalt mixture;in water immersion rutting test，the deformation of asphalt mixture mixed with diatomite content is smaller than that of the matrix asphalt mixture，and the dynamic stability is larger than that of the matrix asphalt，indicating that the addition of diatom fine soil modifier can effectively improve the deformation resistance of mixtures.It is concluded that the modified asphalt mixture at 13% diatomite content has the best water erosion resistance effect.

Diatomite;Modified asphalt;Mixture;Water erosion resistance;Performance study

0 引言

硅藻土是一種生物礦沉積巖，具有良好的分散性能及穩定的化學性能、耐磨性能以及絕緣電性能等，屬于一種無機質材料[1]。陳其龍等[2]通過在瀝青中加入最佳摻量為13%的硅藻精土進行相關路用性能試驗研究，研究表明：普通70#基質瀝青混合料的劈裂抗拉強度僅達到硅改瀝青混合料的劈裂抗拉強度的0.84倍。王宏斌等[3-4]通過對普通瀝青與硅藻土改性瀝青的性能進行對比檢測，研究得出硅藻土的加入使得瀝青對溫度的敏感性明顯降低，使瀝青的三大指標得到明顯的增強。李劍等[5-6]研究了硅改性瀝青及其混合料的性能，得出硅改性瀝青混合料在瀝青和混合料方面各項性能指標都有了顯著的提高。高靜等[7-8]通過將三種不同純度的硅藻土摻入基質瀝青及瀝青混合料中進行一系列的室內試驗測試，研究測試表明：在瀝青中加入硅藻土拌制瀝青混合料能夠大大改善瀝青混合料的高、低溫性能。

本試驗通過將提純的硅藻精土加入70#Esso重交基質瀝青配制硅改性瀝青，硅改性瀝青混合料抗水侵蝕性能研究則針對不同摻量提純的硅藻精土改性瀝青結合設計的級配進行。

1 試驗原材料

1.1 硅藻精土

試驗采用省外某品牌的硅藻土經提純后得到硅藻精土，各項物化指標如表1所示。

1.2 瀝青

試驗采用70#Esso重交基質瀝青，瀝青的基礎性能指標如表2所示。其他如動力黏度等各項技術指標均能滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTJ 040-2004）[9]的要求。

1.3 礦料

制備混合料所需的礦料，選用廣西某巖石廠生產的石灰巖礦料作為粗集料與細集料。礦料表觀密度、含水量等技術指標均滿足《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）[10]的要求。礦粉選用的是高細礦粉，其各項指標如表3所示。

2 試驗樣品制備

本試驗采用0%、7%、9%、11%、13%、15%摻量的提純硅藻土配制改性瀝青，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）[11]（下文簡稱《規程》）的要求制備最佳油石比試驗樣、浸水馬歇爾試驗樣、凍融劈裂試驗樣以及浸水車轍試驗樣。

3 性能試驗

3.1 礦料級配

試驗結合工程實際及經驗設計的級配如表4所示。

3.2 最佳油石比實驗

最佳油石比試驗即馬歇爾試驗，試驗依據《規程》要求各試樣必須滿足質量和高度要求，否則作廢。實驗采用的儀器為全自動Marshall試驗儀，試樣采用雙面各擊實75次成型。將試樣冷卻24 h后，測定并記錄測試結果以及瀝青混合料的瀝青飽和度、空隙率、礦料間隙率、穩定度以及流值等指標，指標結果見表5。

由表5得出：

（1）與70#Esso重交基質瀝青配制混合料最佳油石比相比，經提純的硅藻土改性瀝青配制的瀝青混合料的最佳油石比有所提高。由于油石比的增加改善了瀝青路面的抗老化性能和耐久性能，使得瀝青路面的壽命得以延長。

（2）不同摻量硅藻精土改性瀝青混合料的密度整體呈平穩態勢，這是因為硅藻精土的密度相對于其他礦料的密度要小得多。

（3）VV伴隨著提純硅藻土的加入先增加后減小。當提純硅藻土的摻配量為13%時，VV最小，說明經提純的硅藻土微觀孔隙增多，需要吸附更多的瀝青，但當硅藻土達到一定量后，則無法再吸附瀝青。

（4）瀝青混合料強度和耐久性設計的重要參數之一就是礦料間隙率。礦料間隙率過小，瀝青混合料路面的耐久性將無法保證，這會縮短瀝青路面的使用壽命;礦料間隙率過大，則會增大瀝青路面的變形從而影響混合料的高溫性能。

（5）飽和度伴隨著提純硅藻土用量的增加而增大，說明提純硅藻土的加入使得混合料礦料間的有效瀝青層厚度在增加。

（6）70#Esso重交基質瀝青混合料的穩定度剛過標準線，但是摻配了提純硅藻土改性瀝青混合料的穩定度比基質瀝青混合料至少提高了30%。穩定度是反映瀝青路面力學特性的重要指標，能夠直觀地反映混合料抵抗破壞的能力，也是瀝青混合料高溫抗車轍性能的重要評價指標。硅改性瀝青混合料穩定度的提升，闡明了提純的硅藻土作為改性劑在一定程度上提高了混合料的高溫抗變形性能。

3.3 浸水馬歇爾實驗

試驗依據《規程》要求各試樣必須滿足質量和高度要求，否則作廢。實驗采用的儀器為全自動馬歇爾試驗儀，試樣雙面各擊實75次成型，冷卻24 h后脫模，再放在60 ℃±0.5 ℃恒溫水槽中浸泡48 h，測定各自穩定度以及計算殘留穩定度，結果如表6所示。

由表6分析得出：

（1）伴隨提純硅藻土摻配比的增加，試樣浸水前后的穩定度均呈上升的趨勢，在提純硅藻土摻配比為13%時，穩定度均達到最大。

（2）隨著提純硅藻土摻配比的增加，浸水馬歇爾殘留穩定度明顯提升，在硅藻精土摻量為13%時，浸水馬歇爾殘留穩定度達到峰值且是基質瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度的1.05倍，說明加入提純硅藻土后可以有效提高混合料的力學特性。

3.4 凍融劈裂實驗

凍融劈裂試驗所擊實的試樣也是標準馬歇爾試件，不同的地方在于凍融劈裂試驗中試樣雙面的擊實次數各為50次。試驗依據《規程》要求各試樣必須滿足質量和高度要求，否則作廢。根據《規程》的要求，各個摻量的混合料采用8個試樣數，分別對其編號并隨機分成2組。第一組室溫下保存備用;第二組按《規程》規定首先進行真空飽水后放入-18 ℃±2 ℃的冷凍箱冷凍16 h±1 h，然后再放入60 ℃±0.5 ℃的恒溫水箱中保溫24 h。最后需要將兩組試樣一起放入25 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中，≥2 h后測試各組抗拉劈裂強度，詳見下頁表7。

根據表7可以看出：

（1）在凍融前后70#Esso重交基質瀝青混合料的劈裂強度明顯沒有摻入硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強度大，結果表明加入提純硅藻土改性劑后可以有效提高混合料的劈裂強度。

（2）經提純的硅藻土摻量與劈裂抗拉強度比不成線性關系，但13%摻量的硅藻精土改性瀝青混合料劈裂抗拉強度比達到最大，較70#Esso重交基質瀝青混合料的抗拉強度提升近6%。

3.5 浸水車轍實驗

評價瀝青混合料抗水侵蝕性能的試驗方法除了浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗還有浸水車轍試驗 [12]。

通過將常規成型冷卻的車轍試樣放入預先準備好的目標水溫中（水溫恒溫），要求完全浸泡至少6 h（在試驗測試時試樣不浸水），浸泡后將試件分別放入車轍試驗機內。試驗時將車轍儀溫度設置為（60±1） ℃，荷載輪壓為（7±0.05） MPa，作用時間60 min。測試45～60 min時間內的試樣變形量、計算該時間段內試樣的動穩定度如表8所示。

由表8可知：

（1）隨著硅藻精土摻量的增加，浸水車轍試驗試樣的變形量先減小再增大，當硅藻精土摻量為13%時，變形最小。

（2）摻入硅藻精土的瀝青混合料變形量均比基質瀝青混合料要小， 動穩定度均比70#Esso重交基質瀝青要大，說明加入提純硅藻土改性劑后可以有效提高混合料的抗變形能力。

4 結語

本文通過將硅藻土提純得到硅藻精土并按不同比例摻入瀝青中，進行硅藻精土改性瀝青混合料水穩定性能試驗研究，可得到以下結論：

（1）通過馬歇爾試驗得出，當硅藻精土的摻配比為13%時，瀝青混合料各項指標達到最優效果。

（2）通過對比不同摻量的硅藻精土改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗，分析得出在硅藻精土摻配比為13%時，浸水馬歇爾殘留穩定度達到峰值且是基質瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度的1.05倍，說明加入硅藻精土后可以有效提高混合料的力學特性。

（3）摻入硅藻精土的改性瀝青混合料的劈裂強度明顯增強且摻入13%硅藻精土的瀝青混合料的劈裂強度達到最大值，其中13%硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強度較70#Esso重交瀝青混合料的劈裂強度提高了近6.5%。

（4）浸水車轍試驗中，摻入硅藻精土的瀝青混合料變形量均比基質瀝青混合料要小， 動穩定度均比基質瀝青要大，說明加入硅藻精土改性劑后可以有效提高混合料的抗變形能力。

（5）綜合考慮馬歇爾試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗以及浸水車轍試驗可知，要使硅藻精土改性瀝青混合料達到最佳的抗水侵蝕性能，建議硅藻精土的最佳摻配量為13%。

參考文獻：

[1]陳其龍.南方濕熱地區硅改瀝青混合料級配研究[J].中外公路，2017，37（3）：224-229.

[2]陳其龍，吳 聰，黃世源，等. 硅改瀝青及瀝青混合料[J].公路，2017，62（3）：50-56.

[3]吳 聰，陳南春，吳志能.改性硅藻土成核劑對聚丙烯性能的影響[J].塑性科技，2015，43（12）：49-53.

[4]王宏斌，張洪濤，趙曉亮.硅藻土改性瀝青性能研究[J].公路交通科技，2015（7）：67-70.

[5]李 劍，郝培文，梅慶斌.硅藻土改性瀝青混合料路用性能研究[J].東北公路，2003，26（4）：16-18.

[6]張興友，胡光艷，王柏春，等.硅藻土改性瀝青及其混合料的路面性能研究[J].吉林建筑工程學院學報，2008，25（2）：7-10.

[7]高 靜，童 琴，王光東，等.硅藻精土改性對瀝青混合料路面性能的影響[J].河北交通科技，2010，7（1）：32-34.

[8]Cong Pei liang，Chen Shuan fa，Chen Hua xin.Effects of diatomiteon the properties of asphalt binder[J].construction and buildingmaterals，2012（5）：495-499.

[9]JTJ040-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].