硅藻土改性沥青性能研究*

杨 超 谢 君 周小俊

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

我国90%的高等级公路都是沥青路面.沥青路面的使用寿命与其采用的沥青的品质密切相关.近年来，由于沥青自身存在的缺点如高温变软、低温变脆和疲劳开裂等，使大部分原产沥青都不能满足高等级公路的使用要求[1].因此对沥青加以改性来提升其高、低温性能和疲劳性能，达到延长路面服役年限的目的是一种较为理想的手段.

沥青改性剂分为有机和无机两类.现今，国内外对有机改性剂的研究和使用比较多，聚合物改性剂如SBS凭借其良好的抗老化、抗车辙、抗疲劳性，已成为目前世界上使用最普遍的沥青改性剂[2].但聚合物改性剂的高价格和复杂的改性工艺制约了改性沥青的发展和应用.

相比之下，无机改性剂不仅可以通过改善沥青与矿料的界面作用来提升混合料的路用性能，更重要的是其丰富的储量、低廉的价格和简单的生产工艺等特点更符合路面的实际铺筑.其中硅藻土被认为是一种非常有潜力的无机改性剂.

硅藻土作为一种天然矿物，具有比表面积大、孔径小和独特的活性基团等特点.近几年，国内外学者对硅藻土改性沥青的研究开展了大量的工作.Baldi等[3]研究发现，硅藻土的加入能提升沥青胶浆的疲劳性能.Zhang等[4]研究发现加入硅藻土后，沥青的当量脆点显著降低，劲度模量增大，蠕变速率降低.孟召明[5]研究发现，适宜掺量的硅藻土能增大沥青的蠕变速率.刘丽等[6]研究发现，硅藻土掺量超过15%后，改性沥青的疲劳性能会下降.鲍燕妮[7]研究发现，经硅藻土改性后沥青的感温性、高温性能和抗老化性都得到一定程度的改善.

以上研究表明，硅藻土的掺入能改善沥青的高温性能，但其掺量对沥青低温性能和疲劳性能的影响仍有诸多争议.文中利用基质沥青，通过添加不同掺量硅藻土以研究硅藻土改性沥青的综合性能，包括沥青基本性能、高低温性能和疲劳性能的影响，以确定硅藻土的最佳掺量.

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

采用70号(AH70)基质沥青，性能指标见表1.硅藻土沥青改性剂由某公司生产，见图1，主要技术指标见表2.图2为硅藻土的微观形貌.由图2可知，硅藻土表面有丰富的微孔，因此其具有一定的吸附活性，可以与沥青更加牢固的粘结.

表1 基质沥青的性能指标

表2 硅藻土技术指标

图1 硅藻土原样图

图2 硅藻土扫描电镜图

1.2 实验方法

1.2.1硅藻土改性沥青的制备

先将硅藻土放入105 ℃的烘箱中干燥2 h，保证硅藻土和沥青两者温度相近，同时避免搅拌过程中出现气泡.然后按沥青质量的8%,10%,12%和14%将硅藻土加入事先已加热至135 ℃的基质沥青中，采用自动搅拌机搅拌10 min左右至硅藻土颗粒均匀分散至沥青中，再用高速剪切仪以3 000 r/min的转速在140 ℃下剪切20 min即可.

1.2.2硅藻土改性沥青性能研究

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相关实验方法对基质沥青及四种掺量的改性沥青的针入度(15,25和30 ℃)、5 ℃延度和软化点进行测试.根据不同掺量沥青的针入度对应的温度计算其针入度指数，用于评价沥青的感温性.

沥青的高温流变性能采用动态剪切流变仪(DSR)进行测试. 实验选用温度扫描和频率扫描两种测试模式.实验中沥青试样的厚度为1 mm，采用的转子型号为PP 25.在温度扫描中，温度范围为30～80 ℃，升温速率为2 ℃/min，角频率为10 rad/s.在频率扫描中，测试温度为30,40,50和60 ℃，频率范围为0.01～10 Hz.

沥青的疲劳性能也采用DSR进行测试.实验中的评判指标为疲劳寿命，即沥青复数剪切模量下降至初始值的50%时的加载次数Nf50.实验温度为20 ℃，频率为10 Hz，平板直径8 mm，试样的厚度为2 mm，采用的转子型号为PP 8.实验中选用1%,2%,3%和4%的应变幅度对5组沥青进行剪切疲劳测试.疲劳方程为

Nf=aε-b

式中：Nf为疲劳寿命；ε为应变幅度；a和b为常数.

沥青的低温性能采用弯曲梁流变仪(BBR)进行测试.测试温度为-12 ℃，这是为了模拟路面的实际温度-22 ℃.试件的尺寸为：长(127±2) mm，厚(6.35±0.05) mm，宽(12.70±0.05) mm.实验中每组沥青选用2个平行试样.

由图3可知，溶出时间对铁溶出率影响较大，在一定时间内铁的溶出率随时间的延长而增加。溶出时间短，部分硫酸铁盐未充分溶解和扩散。

2 结果与分析

2.1 硅藻土对沥青常规性能的影响

2.1.1硅藻土对沥青针入度及其指数的影响

图3～4为沥青的针入度和针入度指数随硅藻土掺量变化的趋势图.由图3可知，在同一温度下，针入度随硅藻土掺量的增加而逐渐降低.在掺量达到12%后，增加的速率开始降低.随着温度的上升，沥青的针入度开始升高，但其数值在相同温度下随硅藻土掺量变化的趋势不变.这表明，硅藻土的加入能够明显增加沥青的硬度，改善沥青的高温性能.由图4可知，随着硅藻土掺量的增加，沥青的针入度指数有上升的趋势.这说明硅藻土能在一定程度上改善沥青的感温性，而且掺量越高，改善的效果越明显.五种沥青的针入度指数都在-2～+2之间，即均为溶凝胶型结构，这表明硅藻土的加入不会改变沥青的胶体结构.

图3 硅藻土掺量对沥青针入度的影响

图4 硅藻土掺量对沥青针入度指数的影响

2.1.2硅藻土对沥青延度的影响

图5为硅藻土掺量对沥青延度的影响.由图5可知，硅藻土能明显降低沥青的延度，且下降的趋势随掺量的增加而趋于平缓.这表明硅藻土的加入会使沥青变硬，但这不能真实反映沥青的低温性能.因为硅藻土的改性过程是仅在沥青中发生分散，并未像聚合物改性剂那样与沥青发生交联作用.改性后的硅藻土仍以微粒形式存在，沥青在实验中被拉伸，中部会变细变尖.当沥青被拉成一条细线时，硅藻土颗粒的存在会使中间部分的沥青产生应力集中，导致沥青被拉伸时在颗粒处断裂.

图5 硅藻土掺量对沥青延度的影响

2.1.3硅藻土对沥青软化点的影响

图6 硅藻土掺量对沥青软化点的影响

2.2 硅藻土对沥青高温流变性能的影响

2.2.1温度扫描结果分析

1) 复合模量和相位角 图7为硅藻土的掺量对沥青复合模量和相位角影响的结果.由图7可知，相比基质沥青，硅藻土改性沥青的复合模量增加明显，且随掺量的增加而增加.在硅藻土掺量达到14%时，沥青的复合模量较12%掺量时变化不大.随着温度升高，五种沥青的相位角都逐渐增大，表明从常温到高温，沥青即由粘弹性向粘性转化.图7中硅藻土改性沥青的相位角在75～80 ℃温度范围内有所波动，这是因为硅藻土在高温下有部分成分发生挥发所致.加入硅藻土后，相位角降低，且随掺量的增加先下降后上升，说明改性沥青中的粘性部分所占比例开始减小.但总体来看，当硅藻土掺量超过10%后，其掺量的增加对相位角的影响不明显.

图7 硅藻土掺量对沥青高温复合模量和相位角的影响

2) 车辙因子 图8为沥青车辙因子随硅藻土掺量的变化曲线.由图8可知，五种沥青的车辙因子均随温度的升高而降低，这与沥青路面更易在高温下产生车辙病害相应.沥青的车辙因子随着硅藻土的掺量的增加而上升，在掺量到达12%后，车辙因子上升的幅度减少.这说明硅藻土能增强沥青的抗变形能力，改善其高温稳定性.这一方面是因为硅藻土的加入能吸附沥青中的轻质组分，使得沥青的粘度增大，流动性变差，从而增强抗变形能力.另一方面是因为硅藻土对温度的惰性使其成为一种保温材料，能阻止路面中的沥青因高温环境而发生老化等不良影响[8].

图8 硅藻土掺量对沥青车辙因子的影响

2.2.2频率扫描结果分析

1) 60 ℃的粘度 图9为60 ℃时不同掺量下沥青的粘度随频率变化的曲线.由图9可知，随着加载频率的升高，五种沥青的粘度均呈现下降的趋势.硅藻土的加入能明显提高沥青的粘度，且掺量越大，粘度越高.60 ℃时的粘度能在一定程度上反应沥青的抗变形能力，这表明硅藻土能通过增粘作用达到改善沥青高温性能的效果.

图9 硅藻土掺量对沥青粘度的影响

2) 复合模量和相位角 根据时温等效原理对五种沥青不同温度下的频率扫描的实验结果做出主曲线，参考温度为30 ℃，见图10.图10中显示随着加载频率的升高，五种沥青的复合模量增大，相位角减小.掺入硅藻土能明显增大沥青的复合模量，降低其相位角，这与温度扫描模式下的结果一致.在掺量超过10%后，沥青的复合模量和相位角变化的幅度明显减小.

图10 五种沥青的复合模量和相位角主曲线

2.3 硅藻土对沥青疲劳性能的影响

图11为五种沥青的疲劳曲线.由图11可知，沥青的疲劳寿命随应变幅度的增加而下降.在掺量不大于10%时，硅藻土改性沥青的疲劳寿命随掺量的增加而增加.之后，随着掺量的继续增加，改性沥青的疲劳寿命明显下降，其值甚至低于基质沥青的疲劳寿命.这表明适当掺量的硅藻土能改善沥青的疲劳性能，这是因为硅藻土中的微孔能吸收沥青的轻质组分，增加其与沥青间的界面作用力[9].当掺量过多时，硅藻土会从沥青中离析出去，破坏其整体结构.

图11 硅藻土掺量对沥青疲劳寿命的影响

2.4 硅藻土对沥青低温开裂性能的影响

图12为硅藻土掺量对沥青低温性能相关参数影响的结果.由图12可知，硅藻土改性沥青的劲度模量较基质沥青有很大提升，并且其值随掺量的增加而增大.这是因为硅藻土的加入减少了改性沥青中自由沥青的含量，同时硅藻土的表面和微孔能吸附部分沥青，这在一定程度上降低了沥青的流动性.因此在相同应力模式加载时，改性沥青较基质沥青产生的应变大，导致其模量大.蠕变速率随掺量的增加先增大后减小，在掺量为12%时达到最大值0.505.这说明硅藻土能提升沥青的应力松弛能力，减小其脆性和低温开裂的可能.

图12 硅藻土掺量对沥青劲度模量和蠕变速率的影响

3 结 论

1) 沥青的基本性能测试结果表明，硅藻土的加入能降低沥青的针入度和提升针入度指数，改善沥青的感温性；随着硅藻土掺量的增加，沥青的延度逐渐下降，软化点持续上升.

2) 硅藻土对沥青具有增粘作用，改性沥青60 ℃的粘度随掺量的增加而增大.

3) DSR温度扫描和频率扫描结果均显示，硅藻土能改善沥青的高温流变性，改性沥青的车辙因子随掺量的增大而增大.

4) 适宜掺量的硅藻土能提升沥青的疲劳性能.掺量过多时，改性沥青的疲劳寿命会急剧下降，掺量为10%的改性沥青的疲劳性能最好.

5) 随着硅藻土掺量的增加，沥青的劲度模量逐渐增加，蠕变速率先上升后下降.沥青的蠕变速率在掺量为14%时达到最大，此时硅藻土对沥青低温性能的改善效果最好.

6) 综合分析，适当掺量的硅藻土能改善沥青的高、低温性能和疲劳性能，合理掺量范围为10%～12%.

[1] CONG P L, CHEN S F, CHEN H X. Effects of diatomite on the properties of asphalt binder[J]. Construction and Building Materials,2012,30(30):495-499.

[2] 王雨楠.硅藻土改性沥青混合料的性能研究[D].长春:吉林大学,2007.

[3] BALDI SEVILLA A, MONTERO M L, AGUIAR J P, et al. Influence of nanosilica and diatomite on the physicochemical and mechanical properties of binder at unaged and oxidized conditions[J]. Construction and Building Materials,2016,127:176-182.

[4] ZHANG Y B, ZHU H Z, WANG G A, et al. Evaluation of low temperature performance for diatomite modified asphalt mixture[J]. Advanced Materials Research,2012,413:246-251.

[5] 孟召明.硅藻土改性沥青胶浆高低温流变性能试验研究[J].湖南交通科技,2016,42(2):53-55.

[6] 刘丽,李剑,郝培文,等.硅藻土改性沥青胶浆性能研究[J].重庆交通学院学报,2004,23(2):51-55.

[7] 鲍燕妮.硅藻土改性沥青研究[D].西安:长安大学,2005.

[8] 宋艳茹,张玉贞,张兴友,等.硅藻土改性沥青性能研究[J].石油沥青,2007,21(1):14-17.

[9] 宋艳茹.硅藻土改性沥青机理研究[D].青岛:中国石油大学,2005.