基于DSR试验的硅藻土改性沥青胶浆粘弹性能研究

刘金涛，支鹏飞

（1.中交二公局第三工程有限公司，湖南 湘潭411201；2.甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃 兰州730070）

基于DSR试验的硅藻土改性沥青胶浆粘弹性能研究

刘金涛1，支鹏飞2

（1.中交二公局第三工程有限公司，湖南 湘潭411201；2.甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃 兰州730070）

通过不同硅藻土掺量、不同温度下的动态剪切流变（DSR）试验，分析硅藻土掺量对沥青胶浆粘弹性能的影响，并通过双对数坐标回归分析温度对硅改沥青试验结果的影响。试验结果及统计回归结果表明，硅藻土可以有效改善沥青胶浆的温度敏感性，可以增加沥青的高温抗车辙能力和抗老化能力，但是当掺量达到一定范围时，高温性能提高并不显著。因此，为了沥青胶浆高温稳定性和生产成本的平衡，必须控制硅藻土的合理掺量。

道路工程；硅藻土；DSR；粘弹性能；改性沥青胶浆

硅藻土是一种活性超细无机矿物，具有十分特殊的硅藻结构、超大的比表面积、高吸附能力和化学稳定性，可用于很多领域［1］。近年来，硅藻土作为道路工程沥青改性剂受到各界的普遍认可。大量试验研究表明，采用评价基质沥青的一些基础指标，如针入度、软化点、延度等指标来简单评价改性沥青的技术特殊，往往不能客观地评价改性沥青性能。尤其是对于硅藻土改性沥青，这是由于硅藻土颗粒在沥青中的分散，使沥青由原来的均匀体系变成分散体系，在硅藻土颗粒与沥青的交界面上容易出现应力集中，从而使测定的数据离散性大，再现性试验的误差较大，影响试验结果的可靠性。

改性沥青的形变更加接近材料在不同使用温度下的粘弹行为，美国SHRP计划中提出利用动态剪切流变试验来评价沥青的粘弹特性，通过测定沥青胶浆的复数剪切模量（G*）和相位角（δ）来表征其粘弹特性［2］。SHRP沥青结合料的高温稳定性能，以高温设计温度下的原样沥青及短期老化（RTFOT）后残留沥青动态剪切试验的G*/sinδ作为指标。改性沥青的粘弹性能取决于基质沥青性能、改性剂成分、改性剂剂量等。本文就基质沥青改性前后、硅改沥青老化前后分别进行沥青胶浆的动态剪切流变试验。分析不同硅藻土掺量下、不同试验温度下硅改沥青的粘弹性能，从而更好的评价硅藻土改性沥青的高温稳定性能。

1　原材料测试及试验方法

1．1原材料及改性沥青的制备

所用的原材料主要有克拉玛依70#沥青和吉林通化产硅藻土。克拉玛依70#沥青基础指标测定结果见表1，硅藻土技术特性见表2。

表1　基质沥青基础指标

表2　硅藻土改性剂技术特性

在基质沥青中分别掺入9%、11%、13%、15%、17%的硅藻土（外掺，按沥青质量的百分比计）制备硅藻土改性沥青胶浆。具体的工艺流程为：首先把硅藻土放入105℃的土工烘箱中约1h，使其干燥，同时也保证不会因为硅藻土的掺入而导致沥青温度降低，然后按比例将硅藻土掺入事先已加热至160℃～165℃的沥青中，采用沥青搅拌机以中低速（500～1000转/min）搅拌10min左右至硅藻土颗粒均匀分散至沥青中即可，若没有搅拌机也可手动搅拌至均匀。搅拌速度过快容易导致沥青中产生大量气泡，不利于改性沥青质量的控制。但是，为了硅藻土更好的分散，可以先快速搅拌3min左右，然后再调整至中低速搅拌至均匀并且要保证沥青中没有产生太多的气泡。

1.2试验方法

沥青是典型的粘弹性材料，粘弹性材料的应变与应力应该不能够保持同步，在时间上有比较大的延后，相位角δ接近90°。在一般的交通荷载与路面温度的情况下，沥青呈现粘弹性，通过测定G*与δ，能够认识沥青在使用状态下的弹粘特性。以路面设计最高温度下采集的试验指标的计算值抗车辙因子G*/sinδ来评价沥青胶浆的高温性能，该值越大，沥青在高温时的流变变形越小，抗车辙能力越强。即从高温角度来讲，较高的G*和较小的δ值是较为理想的状态。以疲劳开裂因子G**sinδ来评价沥青胶浆的疲劳特性，该值越小，说明沥青胶浆更趋于弹性，即抗疲劳开裂能力更好［3］。当沥青胶浆应具有像软弹性材料的功能，能在多次加载后恢复大部分变形时其抗疲劳开裂特性最佳。

本文采用AP1500ex型动态剪切流变仪测试沥青的动态粘弹力学性能如图1所示，就基质沥青改性前后、硅改沥青老化前后分别进行沥青胶浆的动态剪切流变试验。分析不同硅藻土掺量下、不同试验温度下硅改沥青的粘弹性能，从而更好的评价硅藻土改性沥青的高温稳定性能。

图1　动态剪切流变仪的原理图

2　试验结果与分析

2.1试验结果

本文DSR试验采用应变式控制模式，对原样沥青应变值γ=12%，试验频率ω=10rad/s；对旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）后的沥青应变值γ=10%，试验频率ω=10rad/s，原样和RTFOT后的试样直径为25mm，厚1mm。针对不同掺量硅改沥青在不同状态下的粘弹特性进行试验分析，并就温度对硅改沥青粘弹特性的影响进行分析。具体试验结果见表3、表4。

表3　硅改沥青在不同掺量、不同温度下的DSR试验结果

表4　硅改沥青RTFOT后在不同掺量、不同温度下的DSR试验结果

2.2硅藻土改性沥青胶浆的粘弹性能分析

由图2分析所示。

图2　不同硅藻土掺量的流变参数温度趋势图

1）加入硅藻土后，沥青的相位角变小，复数剪切模量变大，抗车辙因子变大，说明硅藻土可提高基质沥青的高温性能。这是由于硅藻土的孔隙非常发达，且比表面积大，可以吸附沥青中的轻质组分，从而使沥青变硬，减小了沥青的高温流动变形［4］。

2）不同掺量的硅藻土对沥青的改性效果不同，尤其是13%的硅藻土掺量对沥青高温稳定性的提高最为显著，不同掺量硅藻土的改性效果依次为：13%＞11%＞9%＞15%＞基质沥青。

3）在一定的温度范围内，加入不同掺量的硅藻土后提高硅藻土改性沥青胶浆高温稳定性能，从图2可以看出，当温度到达一定范围后，五条曲线趋向基本一致，甚至重合，说明在高温状态下硅藻土的掺入对高温稳定性的影响较小。

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2.3硅藻土改性沥青胶浆短期老化后的粘弹特性分析

由图3分析可知：

图3　RTFOT后不同硅藻土掺量的流变参数温度趋势图

1）旋转薄膜烘箱老化后沥青胶浆的抗车辙因子变大，且变大的趋势与未老化之前一致。

2）不同掺量的硅改沥青胶浆经过短期老化后抗车辙因子的变化趋势与基质沥青的基本一致，说明硅改沥青胶浆的老化是由于基质沥青对的老化。

3）经过短期老化的硅改沥青胶浆的相位角变小，表明在荷载作用下沥青中的弹性部分变大，即不可恢复的变形变小，即抵抗车辙的能力变强。

综合以上分析，在设计硅改沥青混合料时，提高硅藻土掺量可以显著提高沥青混合料的高温稳定性。但是超过一定的掺量对高温稳定性的影响并不显著，即存在最佳掺量，使得性能最优，成本最低。因此，为了平衡硅藻土改性沥青的性价比，应控制硅藻土掺量。

3　温度对硅改沥青试验结果的影响分析

G*是沥青受反复剪应力作用后，材料抗变形的总量，它由两部分组成：一部分是弹性变形（可恢复变形），如图4水平轴所示；另一部分是粘性变形（永久变形）［5］，如图4垂直轴线表示。δ是与水平轴产生的角，表示弹性和粘性变形的相对量。通过DSR试验测定G*和δ，可以进一步测算沥青材料的弹性变形G1（G1=G**Cosδ）和粘性变形G2（G2= G**Sinδ）。

图4　沥青粘弹性的极坐标表示

沥青是感温性材料。其动态流变性能参数G*、G1、G2等指标与温度T显著相关，尤其是在双对数坐标系统下。可用经验公式（1）表示：

系数a为双对数坐标的截距，系数b为双对数坐标的斜率，代表了G值随温度变化的敏感程度。b值越大，即线性越陡，表明温度敏感性越强，反之越弱［6］。通过SPSS软件分别对不同掺量的硅藻土沥青老化前及旋转薄膜烘箱老化后的沥青试验的DSR试验结果进行统计回归，其b值回归结果见表5。

表5　不同沥青试样回归系数b值

比较分析表5中不同掺量硅改沥青的回归参数，老化前后G1的b值最大，G*、G2的b值相对较小，说明温度主要影响沥青的弹性性能，对粘性性能影响相对较小，且老化后G*、G1、G2都较老化前小。结合图2、图3可以看出，模量G*、抗车辙因子随着温度升高而降低的幅度很大，但是当温度上升至70℃以上时，变化非常微小，甚至多条曲线重合。说明随着温度的上升，相位角增大，即沥青中粘性成分的比例增大［7］。当弹性分量变化很小时，沥青整体粘弹性的变化也很小。这与我们回归出来的结果一致，即温度的变化主要影响沥青的弹性部分，换句话说，弹性分量基本决定了沥青的温度敏感性。由表5还可以看出，基质沥青G*的回归系数b比改性沥青的大，且不同掺量下b值大小也不同，在掺量为11%～13%时最小，这与前面DSR的试验结果吻合。说明加入适宜掺量的硅藻土后可以有效改善基质沥青的温度敏感性［8］。

4　主要结论

1）加入硅藻土后，沥青的相位角变小，复数剪切模量变大，抗车辙因子变大，说明硅藻土可提高基质沥青的高温性能。

2）旋转薄膜烘箱老化后沥青胶浆的抗车辙因子变大，且变大的趋势与未老化之前一致。掺入硅藻土可以有效改善沥青的抗老化性能。

3）老化前后G1的b值最大，G*、G2的b值相对较小，说明温度主要影响沥青的弹性性能，对粘性性能影响相对较小。

综上，掺入硅藻土可有效改善沥青胶浆的高温抗车辙能力、抗老化能力，大大降低沥青的温度敏感性，但是当掺量超过一定范围时，影响非常小。因此，在设计硅改沥青胶浆时，必然存在最佳掺量，使得沥青混合料在高温稳定性显著提高的前提下，保证其生产成本。工程实践时，需结合沥青、硅藻土特性，通过试验确定硅藻土的最佳掺量。

［1］黄承颜.中国硅藻土及其应用［M］.科技出版社.1993.

［2］李晓民，张肖宁，李智.硅藻土改性沥青胶浆的动态粘弹特征分析［J］.公路，2006，（10）∶145-148.

［3］鲍燕妮.硅藻土改性沥青研究［D］.长安大学硕士学位论文.2005.

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

［5］徐江萍，鲍燕妮.基于微观试验的硅改沥青改性机理［J］.长安大学学报（自然科学版），2006，25（6）∶14-17.

［6］刘丽，李剑，郝培文，等.硅藻土改性沥青胶浆技术性能的评价方法［J］.长安大学学报（自然科学版），2005，25（3）∶23-27.

［7］云南省公路科学研究所.硅藻土改性剂及其沥青混合料的路用性能研究［R］.交通部西部交通建设科技项目简报，2004（17）∶5-11.

［8］郭咏梅，倪富健，肖鹏，基于线黏弹范围的改性沥青动态流变性能［J］.江苏大学学报∶自然科学版，2011，32（4）∶460-463.

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