硅藻精土改性沥青混合料抗水侵蚀性能研究

梁高荣 陈其龙 覃峰

摘要：文章通过将硅藻土提纯得到硅藻精土并按不同比例掺入到沥青中，进行沥青混合料马歇尔试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及浸水车辙试验研究。试验结果表明：通过马歇尔试验得出，当硅藻精土的掺配比为13%时，沥青混合料各项指标达到最优效果;硅藻精土掺量为13%时，浸水马歇尔残留稳定度达到的峰值是基质沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度的1.05倍，说明加入硅藻精土后可以有效提高混合料的力学特性;在冻融劈裂试验中，硅藻精土改性沥青混合料的劈裂强度较70#沥青混合料的劈裂强度明显增强，其中掺入13%硅藻精土改性沥青混合料的劈裂强度较70#沥青混合料的劈裂强度提高了近6.5%;在浸水车辙试验中，掺入硅藻精土的沥青混合料变形量均比基质沥青混合料小，动稳定度均比基质沥青大，说明加入硅藻精土改性剂后可以有效提高混合料的抗变形能力。综合得出13%掺量的硅藻精土改性沥青混合料的抗水侵蚀性能效果最佳。

关键词：硅藻精土;改性沥青;混合料;抗水侵蚀;性能研究

This article adds the diatom fine soil purified from diatomite into the asphalt in different proportions to conduct the asphalt mixture Marshall test，water immersion Marshall test，freezethaw splitting test and water immersion rutting test.The test results show that，as shown from Marshall test，when the blending ratio of diatom fine soil content is 13%，all indexes of asphalt mixture reach the best performance;when the diatom fine soil content is 13%，the waterimmersed Marshall residue stability reaches the peak value which is 1.05 times of waterimmersed Marshall residual stability of matrix asphalt mixture，indicating that the mechanical properties of the mixture can be effectively improved after adding the diatom fine soil;in the freezethaw splitting test，the splitting strength of diatomite modified asphalt mixture is significantly stronger than that of the 70# asphalt mixture，of which the splitting strength of modified asphalt mixture with 13% diatom fine soil is increased by nearly 6.5% compared with the splitting strength of 70# asphalt mixture;in water immersion rutting test，the deformation of asphalt mixture mixed with diatomite content is smaller than that of the matrix asphalt mixture，and the dynamic stability is larger than that of the matrix asphalt，indicating that the addition of diatom fine soil modifier can effectively improve the deformation resistance of mixtures.It is concluded that the modified asphalt mixture at 13% diatomite content has the best water erosion resistance effect.

Diatomite;Modified asphalt;Mixture;Water erosion resistance;Performance study

0 引言

硅藻土是一種生物矿沉积岩，具有良好的分散性能及稳定的化学性能、耐磨性能以及绝缘电性能等，属于一种无机质材料[1]。陈其龙等[2]通过在沥青中加入最佳掺量为13%的硅藻精土进行相关路用性能试验研究，研究表明：普通70#基质沥青混合料的劈裂抗拉强度仅达到硅改沥青混合料的劈裂抗拉强度的0.84倍。王宏斌等[3-4]通过对普通沥青与硅藻土改性沥青的性能进行对比检测，研究得出硅藻土的加入使得沥青对温度的敏感性明显降低，使沥青的三大指标得到明显的增强。李剑等[5-6]研究了硅改性沥青及其混合料的性能，得出硅改性沥青混合料在沥青和混合料方面各项性能指标都有了显著的提高。高静等[7-8]通过将三种不同纯度的硅藻土掺入基质沥青及沥青混合料中进行一系列的室内试验测试，研究测试表明：在沥青中加入硅藻土拌制沥青混合料能够大大改善沥青混合料的高、低温性能。

本试验通过将提纯的硅藻精土加入70#Esso重交基质沥青配制硅改性沥青，硅改性沥青混合料抗水侵蚀性能研究则针对不同掺量提纯的硅藻精土改性沥青结合设计的级配进行。

1 试验原材料

1.1 硅藻精土

试验采用省外某品牌的硅藻土经提纯后得到硅藻精土，各项物化指标如表1所示。

1.2 沥青

试验采用70#Esso重交基质沥青，沥青的基础性能指标如表2所示。其他如动力黏度等各项技术指标均能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ 040-2004）[9]的要求。

1.3 矿料

制备混合料所需的矿料，选用广西某岩石厂生产的石灰岩矿料作为粗集料与细集料。矿料表观密度、含水量等技术指标均满足《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）[10]的要求。矿粉选用的是高细矿粉，其各项指标如表3所示。

2 试验样品制备

本试验采用0%、7%、9%、11%、13%、15%掺量的提纯硅藻土配制改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）[11]（下文简称《规程》）的要求制备最佳油石比试验样、浸水马歇尔试验样、冻融劈裂试验样以及浸水车辙试验样。

3 性能试验

3.1 矿料级配

试验结合工程实际及经验设计的级配如表4所示。

3.2 最佳油石比实验

最佳油石比试验即马歇尔试验，试验依据《规程》要求各试样必须满足质量和高度要求，否则作废。实验采用的仪器为全自动Marshall试验仪，试样采用双面各击实75次成型。将试样冷却24 h后，测定并记录测试结果以及沥青混合料的沥青饱和度、空隙率、矿料间隙率、稳定度以及流值等指标，指标结果见表5。

由表5得出：

（1）与70#Esso重交基质沥青配制混合料最佳油石比相比，经提纯的硅藻土改性沥青配制的沥青混合料的最佳油石比有所提高。由于油石比的增加改善了沥青路面的抗老化性能和耐久性能，使得沥青路面的寿命得以延长。

（2）不同掺量硅藻精土改性沥青混合料的密度整体呈平稳态势，这是因为硅藻精土的密度相对于其他矿料的密度要小得多。

（3）VV伴随着提纯硅藻土的加入先增加后减小。当提纯硅藻土的掺配量为13%时，VV最小，说明经提纯的硅藻土微观孔隙增多，需要吸附更多的沥青，但当硅藻土达到一定量后，则无法再吸附沥青。

（4）沥青混合料强度和耐久性设计的重要参数之一就是矿料间隙率。矿料间隙率过小，沥青混合料路面的耐久性将无法保证，这会缩短沥青路面的使用寿命;矿料间隙率过大，则会增大沥青路面的变形从而影响混合料的高温性能。

（5）饱和度伴随着提纯硅藻土用量的增加而增大，说明提纯硅藻土的加入使得混合料矿料间的有效沥青层厚度在增加。

（6）70#Esso重交基质沥青混合料的稳定度刚过标准线，但是掺配了提纯硅藻土改性沥青混合料的稳定度比基质沥青混合料至少提高了30%。稳定度是反映沥青路面力学特性的重要指标，能够直观地反映混合料抵抗破坏的能力，也是沥青混合料高温抗车辙性能的重要评价指标。硅改性沥青混合料稳定度的提升，阐明了提纯的硅藻土作为改性剂在一定程度上提高了混合料的高温抗变形性能。

3.3 浸水马歇尔实验

试验依据《规程》要求各试样必须满足质量和高度要求，否则作废。实验采用的仪器为全自动马歇尔试验仪，试样双面各击实75次成型，冷却24 h后脱模，再放在60 ℃±0.5 ℃恒温水槽中浸泡48 h，测定各自稳定度以及计算残留稳定度，结果如表6所示。

由表6分析得出：

（1）伴随提纯硅藻土掺配比的增加，試样浸水前后的稳定度均呈上升的趋势，在提纯硅藻土掺配比为13%时，稳定度均达到最大。

（2）随着提纯硅藻土掺配比的增加，浸水马歇尔残留稳定度明显提升，在硅藻精土掺量为13%时，浸水马歇尔残留稳定度达到峰值且是基质沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度的1.05倍，说明加入提纯硅藻土后可以有效提高混合料的力学特性。

3.4 冻融劈裂实验

冻融劈裂试验所击实的试样也是标准马歇尔试件，不同的地方在于冻融劈裂试验中试样双面的击实次数各为50次。试验依据《规程》要求各试样必须满足质量和高度要求，否则作废。根据《规程》的要求，各个掺量的混合料采用8个试样数，分别对其编号并随机分成2组。第一组室温下保存备用;第二组按《规程》规定首先进行真空饱水后放入-18 ℃±2 ℃的冷冻箱冷冻16 h±1 h，然后再放入60 ℃±0.5 ℃的恒温水箱中保温24 h。最后需要将两组试样一起放入25 ℃±0.5 ℃的恒温水槽中，≥2 h后测试各组抗拉劈裂强度，详见下页表7。

根据表7可以看出：

（1）在冻融前后70#Esso重交基质沥青混合料的劈裂强度明显没有掺入硅藻精土改性沥青混合料的劈裂强度大，结果表明加入提纯硅藻土改性剂后可以有效提高混合料的劈裂强度。

（2）经提纯的硅藻土掺量与劈裂抗拉强度比不成线性关系，但13%掺量的硅藻精土改性沥青混合料劈裂抗拉强度比达到最大，较70#Esso重交基质沥青混合料的抗拉强度提升近6%。

3.5 浸水车辙实验

评价沥青混合料抗水侵蚀性能的试验方法除了浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验还有浸水车辙试验 [12]。

通过将常规成型冷却的车辙试样放入预先准备好的目标水温中（水温恒温），要求完全浸泡至少6 h（在试验测试时试样不浸水），浸泡后将试件分别放入车辙试验机内。试验时将车辙仪温度设置为（60±1） ℃，荷载轮压为（7±0.05） MPa，作用时间60 min。测试45～60 min时间内的试样变形量、计算该时间段内试样的动稳定度如表8所示。

由表8可知：

（1）随着硅藻精土掺量的增加，浸水车辙试验试样的变形量先减小再增大，当硅藻精土掺量为13%时，变形最小。

（2）掺入硅藻精土的沥青混合料变形量均比基质沥青混合料要小， 动稳定度均比70#Esso重交基质沥青要大，说明加入提纯硅藻土改性剂后可以有效提高混合料的抗变形能力。

4 结语

本文通过将硅藻土提纯得到硅藻精土并按不同比例掺入沥青中，进行硅藻精土改性沥青混合料水稳定性能试验研究，可得到以下结论：

（1）通过马歇尔试验得出，当硅藻精土的掺配比为13%时，沥青混合料各项指标达到最优效果。

（2）通过对比不同掺量的硅藻精土改性沥青混合料浸水马歇尔试验，分析得出在硅藻精土掺配比为13%时，浸水马歇尔残留稳定度达到峰值且是基质沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度的1.05倍，说明加入硅藻精土后可以有效提高混合料的力学特性。

（3）掺入硅藻精土的改性沥青混合料的劈裂强度明显增强且掺入13%硅藻精土的沥青混合料的劈裂强度达到最大值，其中13%硅藻精土改性沥青混合料的劈裂强度较70#Esso重交沥青混合料的劈裂强度提高了近6.5%。

（4）浸水车辙试验中，掺入硅藻精土的沥青混合料变形量均比基质沥青混合料要小， 动稳定度均比基质沥青要大，说明加入硅藻精土改性剂后可以有效提高混合料的抗变形能力。

（5）综合考虑马歇尔试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及浸水车辙试验可知，要使硅藻精土改性沥青混合料达到最佳的抗水侵蚀性能，建议硅藻精土的最佳掺配量为13%。

参考文献：

[1]陈其龙.南方湿热地区硅改沥青混合料级配研究[J].中外公路，2017，37（3）：224-229.

[2]陈其龙，吴 聪，黄世源，等. 硅改沥青及沥青混合料[J].公路，2017，62（3）：50-56.

[3]吴 聪，陈南春，吴志能.改性硅藻土成核剂对聚丙烯性能的影响[J].塑性科技，2015，43（12）：49-53.

[4]王宏斌，张洪涛，赵晓亮.硅藻土改性沥青性能研究[J].公路交通科技，2015（7）：67-70.

[5]李 剑，郝培文，梅庆斌.硅藻土改性沥青混合料路用性能研究[J].东北公路，2003，26（4）：16-18.

[6]张兴友，胡光艳，王柏春，等.硅藻土改性沥青及其混合料的路面性能研究[J].吉林建筑工程学院学報，2008，25（2）：7-10.

[7]高 静，童 琴，王光东，等.硅藻精土改性对沥青混合料路面性能的影响[J].河北交通科技，2010，7（1）：32-34.

[8]Cong Pei liang，Chen Shuan fa，Chen Hua xin.Effects of diatomiteon the properties of asphalt binder[J].construction and buildingmaterals，2012（5）：495-499.

[9]JTJ040-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].