硅藻土沥青胶浆抗老化性能研究

王友中，张丽丽

（1.江苏省宁通高速公路管理处，江苏 泰兴 225403；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

硅藻土沥青胶浆抗老化性能研究

王友中1，张丽丽2

（1.江苏省宁通高速公路管理处，江苏 泰兴 225403；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

硅藻土作为一种天然改性剂，对沥青高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性都有较好的改善作用。文章首先通过实践评价，确定硅藻土制备工艺；然后，从沥青胶浆层面出发，对硅藻土沥青胶浆物理力学行为进行研究，采用针入度、软化点、延度以及改进的锥入度试验，分析5%、10%、15%掺量的硅藻土对沥青胶浆的高低温性能和抗老化性能的影响，最终得到影响沥青胶浆不同性能的硅藻土最佳掺量。

沥青胶浆；硅藻土；针入度；抗老化

硅藻土作为一种天然改性剂，在我国存储极为丰富，具有表面粗糙、硬度较大、微孔结构和活性成份丰富等特点。这使得硅藻土改性沥青在沥青路面上的应用前景极为广阔，大量研究发现硅藻土作为沥青改性剂，对沥青高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性都有较好的改善作用，但对低温性能的改善作用目前仍未达成共识［1-5］。同时，国内外对硅藻土改性沥青的研究多数集中在沥青和沥青混合料的研究，而对沥青和填料组成的胶浆体系以及胶浆和细集料组成的砂浆体系的研究相对较少［6-7］。众所周知低温条件下，沥青路面的抗裂性80%是由胶浆和胶砂提供的，粗集料对低温性能起的作用很小［8］，因此对硅藻土改性沥青胶浆、砂浆体系进行研究十分必要。

硅藻土沥青胶浆是沥青和硅藻土混合而成的二元体系，其混合的均匀程度直接影响到沥青胶浆及沥青混合料的路用性能，本文采用专用的高速搅拌锅剪切。与纯沥青不同，沥青胶浆对基础试验指标的适用性提出更高的要求。为较全面地评价沥青胶浆的物理力学性能，本文从评价基质沥青的针入度指数体系指标试验出发，评价硅藻土对沥青胶浆的改性作用，接着采用评价改性沥青的锥入度试验从高温方面评价硅藻土改性沥青胶浆的力学性能。

1 原材料性能指标测试

1.1 沥青、硅藻土及矿粉基本指标

本文研究使用的沥青为盘锦-AH90#重交通石油沥青，沥青技术性能测试结果如表1所示。本文选用的硅藻土为助滤剂煅烧品，呈灰白色粉末状，平均粒径10 μm。硅藻土的化学成分如表2所示，硅藻土的基本性质如表3所示。采用吉林郭家店生产的矿粉，其技术指标如表4所示［1-4］，亲水系数0.78（规范限值＜1），表观密度2.741 g·cm-3（规范限值＞2.50 g·cm-3）。

1.2 硅藻土沥青胶浆制备［5-8］

本文采用专用的高速搅拌锅剪切，具体操作过程如下：

（1）称取相应比例的填料（硅藻土和矿粉）和基质沥青，将其放入150 ℃的烘箱中保温4 h以上。同时将高速搅拌锅预热，温度设为150 ℃。

（2）搅拌锅温度达到预定温度后，将填料和沥青依次倒入搅拌锅中，恒温5 min后启动搅拌叶片。搅拌速率设为4 000 r/min，搅拌时间为40 min。为保障沥青与填料搅拌均匀，在搅拌过程中，每隔10 min上下调节搅拌锅搅拌叶片的高度。由于填料自重的影响，颗粒会产生部分下沉的现象，胶浆底部会产生颗粒大规模集聚。因此，在进行试验前，应对胶浆进行二次搅拌，二次搅拌时间为5 min。

表1 基质沥青技术指标

表2 硅藻土化学成分

表3 硅藻土基本性质

表4 矿粉技术指标

（3）搅拌完成之后，根据试验需要浇筑沥青胶浆测试试件，并置于室温下冷却。

2 针入度指数体系指标试验

目前，对于我国现行的改性沥青规范没有统一规定，本节采用常规的针入度指数体系指标对硅藻土沥青胶浆的物理力学性能进行初步评价。

2.1 针入度试验结果与分析

分别对5%、10%和15%的硅藻土改性沥青胶浆和相应掺量的矿粉沥青胶浆进行了15 ℃、25 ℃和30 ℃的针入度试验，分别计算出针入度指数PI、当量软化点T800和当量脆点T1.2。各沥青胶浆老化前后的针入度分别如图1和图2所示。

由图1可知，无论是硅藻土沥青胶浆还是矿粉沥青胶浆，其针入度值都随温度的升高而增大，且随填料掺量的增加而降低。同时，在温度和掺量相同的条件下，硅藻土沥青胶浆的针入度均小于矿粉沥青胶浆。因此，硅藻土与矿粉对比，硅藻土具有更好的高温稳定性，硅藻土能改善沥青胶浆的高温性能。图2是沥青胶浆老化后相同掺量硅藻土和矿粉在不同温度下的针入度对比图，与老化前相比，老化后沥青胶浆的针入度均明显下降了，即沥青稠度变大。但对比老化后相同温度、相同掺量的硅藻土和矿粉沥青胶浆发现，两种沥青胶浆针入度值相差不大。表明硅藻土沥青胶浆老化针入度下降速率低于矿粉沥青胶浆，反映出硅藻土对沥青老化有一定的抑制作用［9-11］。

图1 各沥青胶浆老化前针入度

图2 各沥青胶浆老化后针入度

不同掺量、不同温度下各沥青胶浆的针入度指数PI、当量软化点T800和当量脆点T1.2，分别如图3～图5所示。

图3 不同掺量下PI值

图4 不同掺量下T800值

图5 不同掺量下T1.2值

由图3～图5可得到如下结论：

（1）由图3可见，相同掺量的硅藻土的针入度指数大于相同掺量矿粉的针入度指数，说明硅藻土减弱了沥青温度感应性，这对沥青路用性能是有利的。老化后针入度指数都提高了，且矿粉沥青胶浆的针入度指数提高幅度明显大于硅藻土，以至于除填料掺量为15%外，硅藻土沥青胶浆针入度指数都小于矿粉。

（2）由图4可知，老化前相同掺量的硅藻土和矿粉沥青胶浆，硅藻土沥青胶浆当量软化点T800均大于矿粉沥青胶浆的当量软化点，说明老化前硅藻土沥青胶浆的高温稳定性较矿粉沥青胶浆好。老化后，胶浆的当量软化点都增大了，即老化使得沥青变稠变硬，高温稳定性增强。当掺量为5%和10%时，掺硅藻土的当量软化点T800小于掺矿粉的T800，而当掺量为15%时，硅藻土沥青胶浆当量软化点最大，且大于相同掺量矿粉沥青胶浆，即此时沥青胶浆的高温稳定性最佳。

（3）由图5可见，老化后，硅藻土沥青胶浆的当量脆点T1.2明显增大，表明老化对沥青胶浆的低温性能不利。但无论老化前还是老化后，硅藻土沥青胶浆的当量脆点T1.2均大于矿粉沥青胶浆，这就表明以当量脆点T1.2作为沥青胶浆低温性能的评价指标时，硅藻土的加入对低温性能不利，加入硅藻土后沥青胶浆的低温抗裂性变差了。

2.2 软化点试验结果与分析

采用环球法分别对5%、10%和15%的硅藻土改性沥青胶浆和相应掺量的矿粉沥青胶浆进行了软化点试验。试验结果如图6所示。

图6 不同掺量下软化点TR&B值

试验结果表明：

（1）加入硅藻土和矿粉后软化点升高，填料的加入使沥青发生硬化效应，改善了基质沥青的高温稳定性，沥青胶浆黏度相应增大，高温抗变形的能力增强。

（2）相同掺量的硅藻土和矿粉，硅藻土沥青胶浆的软化点明显大于矿粉沥青胶浆，且提高了约0.5～2.0 ℃。这表明与矿粉相比硅藻土的加入对沥青胶浆高温稳定性的改善作用更明显，这与当量软化点作为沥青胶浆高温稳定性评价指标得到的结论一致。

（3）老化后，不同掺量的沥青胶浆的软化点都增大了，这说明老化后沥青材料的热稳定性增强了。但无论是老化前还是老化后，随着矿粉和硅藻土掺量不同，沥青胶浆的软化点各不相同。随填料掺量增大，软化点显著增大，当掺量达到10%时，软化点增长幅度明显下降且逐渐趋于平缓，当填料掺量达到15%时，软化点达到最大，此时沥青胶浆的高温稳定性最佳。

2.3 延度试验结果与分析

延度是评价沥青低温性能的重要指标，各沥青胶浆延度值如图7所示。

图7 不同掺量下延度值

从图7可以看出：

（1）与基质沥青相比，加入硅藻土或矿粉后，延度下降，这是由于填料的加入使得沥青由均匀体变成分散体，沥青分子之间的粘结力降低了，沥青胶浆的黏稠度相应下降。然而，无论是硅藻土还是矿粉沥青胶浆，老化后延度均下降，说明老化使得沥青变脆，低温时受力易断裂。

（2）老化前后相同掺量的硅藻土和矿粉沥青胶浆相比，除老化前5%的矿粉沥青胶浆延度大于硅藻土沥青胶浆外，硅藻土沥青胶浆延度均大于矿粉沥青胶浆。试验结果表明硅藻土作为填料加入到沥青中能改善其低温性能。其中5%的情况出现可能是试验操作不当引起的。对于不同掺量的沥青胶浆，延度值随硅藻土或矿粉的增加逐渐降低。

2.4 锥入度试验及结果分析

本文参照长安大学刘丽课题组研制的锥入度仪进行设计，在原有针入度的基础上，将细针换成自制锥针，锥针结构尺寸如图8所示［12］。通过参照土壤剪切强度的试验方法，分别测定了不同掺量的沥青胶浆老化前后在温度为15 ℃、25 ℃、30 ℃和45 ℃条件下的锥入度，分析硅藻土沥青胶浆和矿粉沥青胶浆的高温性能，抗剪强度可根据所测的锥入度由式（1）计算得到：

式中：τ为抗剪强度；Q为锥针、连杆及砝码总重；h为锥入度；α为锥针针尖角度（30°）。

图8 锥针尺寸（单位：mm）

抗剪强度计算结果如图9所示。

图9 不同掺量硅藻土沥青胶浆抗剪强度随温度变化

由图9看出，无论是老化前还是老化后，随温度升高，沥青胶浆的抗剪强度显著下降，温度每升高15 ℃，抗剪强度降低约3个数量级，温度对抗剪强度变化的影响极大。而在相同温度下，随着填料掺量的增加, 抗剪强度逐渐增大，掺量为15%时，抗剪强度最大，沥青胶浆随着填料的增加而变稠变硬，其抗剪强度相应提高。

为研究硅藻土沥青胶浆的抗剪强度与试验温度的相关性，找出两者之间的函数关系［13-15］，本文将各硅藻土沥青胶浆老化前后的抗剪强度进行回归分析，其回归曲线如图10所示，回归结果可知抗剪强度随温度呈指数变化，其表达式如下：

式中：A、B为常系数，Y为抗剪强度，X为试验温度。一般地, 常数A能直接反应沥青胶浆的抗剪切性能，A值越大，说明抗剪切性能越高；反之，越小。

图10 老化前硅藻土沥青胶浆抗剪强度随温度变化关系

将图10的回归方程和相关系数汇总如表5所示。

表5 沥青胶浆回归分析的回归方程及相关系数

由回归结果可看出，硅藻土沥青胶浆的抗剪强度与温度呈明显的指数变化，且回归方程的相关系数都达到0.996以上。回归方程中A值随硅藻土掺量的增大而增大，即沥青胶浆抗剪强度随硅藻土掺量的增加逐渐升高，硅藻土的加入对沥青胶浆高温稳定性有益。

3 结论

本文进行了原材料试验、沥青胶浆基本物理性能指标试验，主要结论如下：

（1）硅藻土明显改善了沥青胶浆的高温稳定性，老化后硅藻土沥青胶浆老化针入度下降速率低于矿粉沥青胶浆，硅藻土对老化有一定的抑制作用，当硅藻土掺量为15%时，沥青胶浆的高温稳定性最佳。

（2）与矿粉相比硅藻土能降低沥青胶浆的温度感应性，掺量为15%时硅藻土沥青胶浆感温性最弱，沥青路用性能最佳。

（3）当量脆点评价沥青胶浆的低温性能不准确，延度试验老化前后没有明显的规律性。

（4）试验结果表明，合理选择硅藻土掺量才能有针对性地实现硅藻土沥青胶浆的各方面性能。

［1］刘大梁，刘清华，李祖云.硅藻土改性沥青应用研究［J］.长沙理工大学学报(自然科学版)，2004（2）：7-12.

［2］张兴友.硅藻土改性沥青混合料低温抗裂性能研究［J］.公路交通科技，2006（4）：11-13.

［3］郭天龙.硅藻土改性沥青混凝土在大保高速公路沥青路面工程中的推广运用［J］.云南交通科技，2002（5）：78-85.

［4］刘毅.应用红外光谱分析法解析硅藻土改性沥青老化机理［J］.中外公路，2007（2）：171-173.

［5］鲍燕妮.硅藻土改性沥青研究［D］.西安：长安大学，2005.

［6］张争奇.沥青胶浆对沥青混合料高低温性能的影响［J］.长安大学学报(自然科学版)，2006（2）：1-5.

［7］袁迎捷.基于Superpave的沥青胶浆流变特性与级配优化研究［D］.西安：长安大学，2004.

［8］陈子建. 橡胶沥青低温性能研究［J］.公路，2010（6）：185-187.

［9］Cong Peiliang. Effects of diatomite on the properties of asphalt binder［J］. Construction and Building Materials，2012（30）：495-499.

［10］Tan Yiqiu. Study on the phase behavior of asphalt mastic［J］. Construction and Building Materials，2013（47）：311-317.

［11］Q Liu，Álvaro García，E Schlangen，MVD Ven. Induction healing of asphalt mastic and porous asphalt concrete ［J］. Construction and Building Materials，2011 （25）：3746-3752.

［12］刘丽.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（3）：23-27.

［13］鲍燕妮，蒋相华.硅藻土改性沥青相容性研究［J］.公路工程，2009（1）：90-93.

［14］程永春.不同填料沥青胶浆物理力学性能试验［J］.吉林大学学报(工学版)，2014（6）：1628-1632.

［15］刘丽.硅藻土改性沥青胶浆性能研究［J］.重庆交通学院学报，2004（2）：53-58.

Study on Anti-aging Performance of Asphalt Mortar Adding Diatomaceous Earth

Wang Youzhong1, Zhang Lili2
（1. Jiangsu Nintong Expressway Management Department, Taixing 225403, China; 2. JSTI Group, Nanjing 210017, China）

As a kind of natural modifier, diatomaceous earth had a better effect on asphalt temperature stability, water stability and fatigue resistance. Firstly, through the practice assessment, the preparation process of diatomaceous earth was determined. Then, the physical and mechanical behavior of diatomite modified asphalt binder was studied from the aspect of the asphalt cement, using three tests of penetration, softening point and ductility to analyze the effect of 5%, 10%, 15% of diatomite replacement on high-and-low temperature performances and anti-aging performance of asphalt mortar. Finally, the optimal parameters of diatomaceous earth affecting different properties of asphalt mortar were achieved in this paper.

asphalt mortar; diatomaceous earth; penetration; aging resistance

U414

A

1672-9889（2016）06-0010-04

2016-03-11）

王友中（1974-），男，江苏兴化人，高级工程师，主要从事高速公路道路养护工程管理工作。