硅藻土对温拌沥青性能影响研究

傅海龙

(郑州路桥建设投资集团有限公司 郑州 450100)

0 引 言

沥青路面因具有行车噪声小、平整度好、养护维修简便,以及可回收利用等优点在我国高速公路建设中得到广泛使用.在沥青路面施工过程中，往往需要将沥青加热至160 ℃以上，而沥青为有机高分子材料，较高的加热温度会使其发生老化，并产生大量沥青烟，造成严重的环境污染，损害施工人员身体健康.随着国家可持续发展战略的提出，绿色公路理念越发引起道路工程科研工作者的重视，其中温拌沥青技术近年来逐渐应用于公路建设，其通过在沥青中掺入温拌剂降低沥青高温黏度，进而降低其施工温度，能有效减少施工中沥青烟排放量和加热沥青过程中的能源消耗[1-5].

相关研究发现，相对热拌沥青，温拌沥青高温性能更优，但低温性能和抗水损害性能往往较差，这一定程度上制约了温拌沥青技术的推广[6-9].而另有研究表明，使用硅藻土对沥青进行改性能使其路用性能得到一定改善，尤其对于抗水损害性能效果明显[10-13]，因此，可尝试使用硅藻土改善温拌沥青低温性能和抗水损害性能，但现有研究对此较少涉及.为此，本文制备硅藻土改性温拌沥青，对其粘附性、高温性能和低温性能进行研究，对进一步改善温拌沥青性能有一定积极意义.

1 试验概况

1.1 原材料

1) 沥青 基质沥青采用90JHJA级道路石油沥青，主要技术指标见表1.

表1 基质沥青主要技术指标

2) 硅藻土 采用硅藻残骸和软泥固结而成的硅藻土，主要成分为SiO2，具有表面粗糙、硬度大、耐酸碱和含活性成分等特点，主要技术指标见表2.

表2 硅藻土主要技术指标

3) 温拌剂 采用有机降粘型温拌剂Sasobit，试验中掺量为沥青质量的3%，主要技术指标见表3.

表3 温拌剂主要技术指标

4) 集料 采用玄武岩和花岗岩两种集料，主要技术指标见表4.

表4 集料主要技术指标

1.2 改性沥青制备方法

加热基质沥青至160～165 ℃，掺入Sasobit后使用高速剪切机以5 000 r/min速率剪切30 min制得温拌沥青，进而在同一温度下掺入硅藻土继续以相同速率剪切30 min制得硅藻土改性温拌沥青.

2 硅藻土对温拌沥青粘附性影响

沥青与集料粘附性是影响沥青混合料抗水损坏性能的重要指标，因此，有必要研究硅藻土对温拌沥青粘附性的影响.文献[14]提出采用水煮法评价沥青与集料粘附性，该方法存在较大主观性，对粘附性差异不大的沥青区分度差.为此，本文采用改进水煮法试验评价沥青粘附性，其主要步骤如下：①取粒径13.2～19 mm集料洗净后置于105 ℃烘箱中烘干，并使用铁丝将集料系牢，称量质量记为m0；②将铁丝系住的集料浸入160 ℃沥青试样中45 s后提出置于试验架上冷却15 min，使多余沥青流掉，称量质量记为m1；③将铁丝系住的集料放入微沸水中煮一定时间后取出，称量质量记为m2；④根据式(1)计算沥青损失率作为粘附性评价指标.

La=(m1-m2)/(m1-m0)

(1)

式中：La为沥青损失率，%；m1为沸煮前集料+沥青+铁丝质量，g；m2为沸煮后集料+沥青+铁丝质量，g；m0为集料+铁丝质量，g.

分别以玄武岩和花岗岩为集料，制备硅藻土掺量(质量分数)为0%，6%，8%，10%和12%，温拌剂掺量为3%的硅藻土改性温拌沥青，按上述方法沸煮3，6和9 min后测定沥青损失率，见表5.

由表5可知：1) 使用玄武岩时各个试验条件和各个硅藻土掺量下的沥青损失率均明显小于花岗岩，表明其与沥青粘附性较好，分析原因为花岗岩集料中SiO2含量高，其表面亲水憎油特性较为明显，故集料沥青界面更容易受水分侵蚀.

2) 在温拌沥青中掺入硅藻土后，无论玄武岩集料还是花岗岩集料，其沥青损失率均有明显下降，表明硅藻土可有效改善温拌沥青粘附性.同时，对比硅藻土对两种集料沥青损失率的降低幅度发现，硅藻土对花岗岩的粘附性改善作用更强，其中各个硅藻土掺量下两种集料的沥青损失率较未掺入硅藻土时的降低幅度见图1.沸煮时间越长，硅藻土对温拌沥青损失率的降低幅度越大，而沸煮时间可理解为实际路面受水分侵蚀的时间，故表明硅藻土对长期受水分侵蚀路面的沥青集料粘附性的改善效果更好.

表5 沥青损失率试验结果

/min(%)/%0681012(%)/%0681012312.1210.919.728.327.6553.8941.2328.5415.4213.42621.3217.3213.1210.429.5467.3051.2238.4222.4318.59931.5425.6719.5213.5711.8789.967.4353.5231.4525.31

图1 硅藻土对温拌沥青损失率降低幅度影响

3) 随着硅藻土掺量的增加，两种集料沥青损失率均逐渐降低，此时温拌沥青的粘附性得到进一步改善.但在各个硅藻土掺量区间增加时改善效率存有差异，其中在6%～10%区间改善效果最好，在0%～6%和10%～12%区间则相对较慢，硅藻土掺量在上述三区间变化时其掺量每增加1%，沥青损失率的降低幅度见图2.

图2 硅藻土掺量增加区间对温拌沥青损失率降低幅度影响

4) 随着沸煮时间的增加，两种集料的沥青损失率均逐渐增加，此时沥青粘附性下降.但掺入硅藻土的温拌沥青粘附性下降幅度较小，且是硅藻土掺量越高表现越明显.其中沸煮时间由3增加至9 min时，各种沥青的沥青损失率上升幅度见图3.

图3 沸煮时间对沥青损失率上升幅度影响

3 硅藻土对温拌沥青高温性能影响

SHAP计划提出采用DSR试验评价沥青高温性能，试验能获得沥青复数模量G*和相位角δ·G*为沥青抗变形能力，值越大抗变形能力越好;δ为沥青弹性成分比例，值越小高温变形恢复能力越好.制备硅藻土掺量分别为0%，6%，8%，10%和12%，温拌剂掺量为3%的硅藻土改性温拌沥青进行70 ℃条件下DSR试验，频率10 rad/s，得出其车辙因子G*/sinδ，见图4.

图4 硅藻土掺量对温拌沥青车辙因子影响

由图4可知，掺入硅藻土后，温拌沥青的车辙因子提高，表明硅藻土能改善温拌沥青高温性能.同时，随着硅藻土掺量的增加，车辙因子继续提高，此时温拌沥青高温性能进一步增强，但硅藻土掺量超过10%后对温拌沥青高温性能的改善幅度降低，其中硅藻土掺量由0%增加至10%时，每增加1%硅藻土车辙因子提高0.156 kPa，而硅藻土掺量由10%增加至12%时，仅提高0.075 kPa，降低了约50%.分析原因一方面为硅藻土为多孔介质，能吸收沥青中轻质组分，另一方面硅藻土为惰性介质，温度变化对其性能影响较小，故高温下与沥青形成的复合体抗变形能力提高.

4 硅藻土对温拌沥青低温性能影响

SHAP计划提出采用BBR试验评价沥青低温性能，试验能获得沥青劲度模量S随时间t变化曲线，t为60 s时的S为沥青低温下变形能力，值越大低温变形能力越差，硬脆性越明显，低温下越容易开裂，同时取t为60 s时的S曲线蠕变速率m表征沥青低温下应力松弛能力，值越大低温应力松弛能力越好，低温抗裂性越强.但研究发现，通过S和m对沥青低温性能进行评价可能出现结果矛盾的现象，故本文采用m/S作为评价指标，其中m/S值越大沥青低温性能越好[15-17].制备硅藻土掺量分别为0%，6%，8%，10%和12%，温拌剂掺量为3%的硅藻土改性温拌沥青进行-12 ℃条件下BBR试验，得出其m/S见图5.

图5 硅藻土掺量对温拌沥青m/S影响

由图5可知，各个硅藻土掺量下的m/S值均高于温拌沥青，表明硅藻土能改善温拌沥青低温性能.同时，随着硅藻土掺量的提高，m/S先升高后降低，其中硅藻土掺量由0%增加至8%时，m/S提高27.7%，而由8%增加至12%时，m/S降低3.3%，表明温拌沥青低温性能随硅藻土掺量的增加呈先变好后变差趋势，在掺量为8%时低温性能最优.

5 结 论

1) 硅藻土能改善温拌沥青粘附性，且对花岗岩的改善作用强于玄武岩，此外沸煮时间越长，硅藻土对温拌沥青粘附性的改善作用越强.

2) 硅藻土掺量增加时对温拌沥青粘附性的改善效果提高，但在各个掺量区间增加时改善效率存有差异，其中在6%～10%区间改善效果最好，在0%～6%和10%～12%区间则相对较差.

3) 硅藻土能改善温拌沥青高温性能和低温性能，对高温性能掺量越高改善效果越好，但掺量超过10%后改善幅度降低，对低温性能则是随掺量的提高改善效果先变好后变差，在掺量为8%时低温性能最优.