硅藻土改性瀝青砂漿力學性能研究

王葉丹，劉 勇，陶敬林

（1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省中欣房地產開發集團有限公司，湖南 長沙 410000；3.江西省交通科學研究院 江西省道路材料和結構工程技術研究中心，江西 南昌 330000）

硅藻土在我國華北、東北地區儲量豐富，具有微孔隙結構、比表面積大、吸附性強等優點。已有研究發現，硅藻土改性瀝青能較好地改善瀝青混合料的力學性能和抗老化性能。張君韜[1]綜合運用流變、瀝青結合料彎曲和老化試驗研究發現，硅藻土的加入較好地改善了高標號瀝青的黏彈性、抗車轍和抗老化性能，且低溫性能降幅更小；呂澤華等[2]通過BBR試驗發現，硅藻土的加入削弱了瀝青的低溫性能；呂虎娃[3]研究發現，適量硅藻土可以明顯改善混合料的高溫抗車轍性、低溫抗裂性和抗水損害性能。但國內外研究主要集中在瀝青膠漿的力學性能和瀝青混合料的路用性能方面，對瀝青砂漿力學性能的探討相對較少。相關研究表明，摻入添加劑的基質瀝青與橡膠瀝青砂漿能提高其瀝青砂漿的強度，并增強砂漿的水穩定性[4]；以硅藻土部分或全部替代礦粉，能有效改善瀝青砂漿的力學性能[5]。瀝青砂漿作為聯系瀝青膠漿和瀝青混合料的橋梁，在很大程度上決定了瀝青混合料路用性能的好壞。本研究擬通過分析硅藻土對瀝青砂漿力學性能的影響，為這種材料在瀝青路面的實際應用提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料性能指標

本研究使用的瀝青技術性能指標如表1所示。硅藻土平均粒徑為10 μm，主要化學成分為SiO2（占硅藻土的85.60%），燒失量為4.61%，微觀下呈圓盤狀，孔隙發達。礦粉親水系數為0.78，表觀密度為2.741 g/cm3，微觀下棱角突出、輪廓不規則，小于0.600、0.150、0.075 mm顆粒的質量分數分別為100.00%、93.40%、81.50%。細集料選用內蒙古旗產石灰巖，最大粒徑不超過2.360 mm，粒級1.180、0.600、0.300、0.150、0.075 mm的表觀密度分別為2.639、2.697、2.637、2.469、2.529 g/cm3。

表1 基質瀝青技術指標

1.2 瀝青砂漿配合比設計

瀝青混合料目標級配采用JTG F40—2004推薦的細粒式AC-13級配中值，考慮到僅研究細集料對瀝青砂漿性能的影響，將AC-13中的粗集料部分以相同比例細集料代替。采用δ體積修正法計算瀝青用量，得到瀝青用量為5.00%，瀝青砂漿的油石比為13.50%，各檔集料質量占瀝青砂漿總質量的比例分別為25.00%（1.180 mm）、17.90%（0.600 mm）、13.10%（0.300 mm）、8.30%（0.150 mm）、9.50%（0.075 mm）和14.30%（＜0.075 mm）。

選取幾個砂漿密度配備集料，砂漿密度為2.200 g/cm3較為合適，瀝青膠漿試件總質量為216 g。考慮到同等質量條件下硅藻土體積遠大于礦粉體積，而填料體積分數的不同將對瀝青砂漿的黏度造成很大影響，因此，以硅藻土替代礦粉時采用體積替代法，替代比例分別為0%、25%、50%、75%和100%。

1.3 瀝青砂漿試件的制備及試驗

選用50 mm×50 mm的圓柱形試件，參照JTG E20—2011的規定靜壓成型硅藻土瀝青砂漿試件。將恒溫箱溫度設為10 ℃，試件保溫4 h后進行單軸壓縮試驗，壓縮試驗儀器選擇液壓萬能材料試驗機MTS，加載速率為5 mm/min；蠕變試驗儀器選用氣壓Cooper試驗機，試驗溫度為20 ℃，加載應力為0.24 MPa；低溫劈裂試驗儀器仍選用MTS材料試驗機，溫度選擇﹣10 ℃，加載速率為5 mm/min。

2 瀝青砂漿力學性能研究

單軸壓縮蠕變試驗能反映瀝青砂漿抵抗變形的能力[6]，低溫間接拉伸性能是低溫抗裂性能的重要體現[7]。為了研究硅藻土對瀝青砂漿力學性能的改善作用，現采用單軸常應變壓縮、單軸常應變蠕變和低溫劈裂試驗，通過對抗壓強度、彈性模量、蠕變勁度、蠕變速率、勁度模量及應變能等指標進行分析，探索硅藻土替代礦粉的最佳替代比例。

2.1 單軸常應變壓縮試驗及結果分析

2.1.1 抗壓強度

單軸常應變壓縮試驗得到老化前后不同硅藻土替代比例的瀝青砂漿抗壓強度，如圖1所示。

圖1 不同替代比例的瀝青砂漿抗壓強度

由圖1可知，老化后各替代比例的瀝青砂漿的抗壓強度均增大，主要是由于老化使瀝青變稠，增強了瀝青與瀝青及瀝青與填料間的黏聚力。老化前，隨著硅藻土替代比例的增大，瀝青砂漿的抗壓強度逐漸降低；老化后，相比全礦粉瀝青砂漿，硅藻土瀝青砂漿的抗壓強度均有所降低，但當硅藻土替代比例為75%時，抗壓強度最大。

2.1.2 彈性模量

試驗測得：老化前，隨著硅藻土替代比例的增加，最大壓應力逐漸下降，破壞應變基本在2%～3%；老化后，當替代比例為75%時，破壞壓應力最大，但小于全礦粉最大壓應力，破壞應變在3%～4%。綜合考慮應力應變的變化情況，采用應力應變曲線直線段的彈性模量作為評價指標，其值越小，瀝青砂漿的低溫性能越好。各替代比例的瀝青砂漿老化前后彈性模量變化如圖2所示。

圖2 瀝青砂漿老化前后彈性模量值

由圖2可知，當硅藻土替代比例一定時，老化前瀝青砂漿彈性模量均小于老化后。老化前，瀝青砂漿的彈性模量隨替代比例的增大而減小，且接近線性變化關系；老化后，隨著硅藻土的增加，彈性模量先增大后減小，當硅藻土替代比例為100%時，彈性模量達到最小值。由此可以看出，硅藻土的加入對瀝青砂漿低溫抗裂性有明顯的改善作用，當硅藻土全部（100%）替代礦粉時，瀝青砂漿的低溫抗裂性最佳。

2.2 單軸常應變蠕變試驗及結果分析

2.2.1 蠕變勁度

瀝青砂漿蠕變勁度是指特定應力與給定溫度和時間下應變的比值，反映特定溫度和時間條件下的應力應變關系，能有效表征瀝青砂漿的黏彈性及高溫穩定性，不同替代比例的硅藻土瀝青砂漿蠕變勁度如表2所示。

表2 瀝青砂漿蠕變勁度

由表2可知，老化后瀝青砂漿的蠕變勁度均增大，即瀝青膠漿的高溫穩定性增強。與全礦粉相比，硅藻土的加入使蠕變勁度降低，高溫穩定性減弱，但當硅藻土替代比例為75%時，瀝青膠漿的蠕變模量最大，高溫穩定性最佳。

2.2.2 第二階段蠕變速率

第二階段蠕變速率指試件在加載過程中變形隨時間變化的快慢，反映瀝青砂漿抵抗變形的能力。瀝青砂漿第二階段的蠕變速率變化如圖3所示。

由圖3可知，老化后，相同替代比例的瀝青砂漿第二階段蠕變速率均減小，抗變形能力增強。加入硅藻土后，蠕變速率先增大后減小。當硅藻土替代比例為75%時，第二階段蠕變速率與全礦粉瀝青砂漿蠕變速率相當，瀝青砂漿的高溫性能最佳。

圖3 瀝青砂漿第二階段蠕變速率

2.3 低溫劈裂試驗及結果分析

2.3.1 勁度模量

劈裂強度和拉伸應變是指瀝青砂漿破壞時所需最大拉力及最大變形，能較好地反映瀝青砂漿的低溫抗裂性能。間接拉伸試驗得到的破壞強度、拉伸應變及勁度模量變化規律如圖4所示。

由圖4可知，老化后瀝青砂漿的劈裂強度增大、拉伸應變減小、相應勁度模量增大，說明老化后瀝青砂漿的低溫抗裂性能降低了。對比不同替代比例的瀝青砂漿，全礦粉（0%）瀝青砂漿的劈裂強度最大，25%替代比例瀝青砂漿的拉伸應變最大，100%替代比例瀝青砂漿的勁度模量最小。破壞勁度模量是間接拉伸強度與間接拉伸失效應變的比值，是強度和應變的綜合表征，以勁度模量作為瀝青砂漿低溫抗裂性能指標更合適，即當硅藻土全部替代礦粉時，瀝青砂漿的低溫抗裂性最好。

圖4 瀝青砂漿老化前后試驗指標

2.3.2 應變能

劈裂應變能也是強度和應變的綜合反映，可作為瀝青砂漿低溫性能的評價指標，用origin軟件對各瀝青砂漿試件的應變能進行計算，得到的結果如表3所示。

表3 瀝青砂漿老化前后應變能

拉伸應變能越大，達到破壞做功越多，低溫性能就越好。由表3可知，相同替代比例的瀝青砂漿老化后應變能均小于老化前，說明老化后試件低溫性能降低了。相比于全礦粉瀝青砂漿，加入硅藻土的瀝青砂漿破壞應變能均增大，但無明顯規律可循，當硅藻土100%替代礦粉時，瀝青砂漿破壞應變能最大，此時瀝青砂漿的低溫性能最佳。

3 結論與展望

本研究采用單軸壓縮蠕變試驗和低溫劈裂試驗分析硅藻土部分或全部替代礦粉對瀝青砂漿力學特性和路用性能的影響，具體研究結果如下：

（1）當硅藻土替代比例為75%時，其抗壓強度和彈性模量達到最大，硅藻土全部（100%）替代礦粉時，低溫性能最佳。

（2）當硅藻土替代比例為75%，瀝青砂漿的高溫穩定性最強，且該替代比例下瀝青砂漿的蠕變勁度和第二階段蠕變速率與全礦粉瀝青砂漿相當。

（3）當硅藻土100%替代礦粉時，瀝青砂漿膠漿的勁度模量最小、破壞應變能最大、低溫抗裂性最強。

（4）老化后瀝青砂漿的高溫性能增強、低溫性能減弱，但硅藻土的加入對瀝青砂漿老化有一定的抑制作用；當硅藻土全部替代礦粉時，瀝青砂漿的低溫性能最好。