硅藻土-玄武岩纤维复合改性沥青胶浆性能研究

朱春凤，刘 浩，田 伟*，程永春，艾化学，金玉杰

1 吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118 2 吉林大学 交通学院,长春 130025

0 引言

目前,我国约90 %的道路路面是沥青混合料路面[1].沥青胶浆在沥青混合料中具有关键的作用,其性能的好坏直接影响到沥青混合料在工程中的应用[2].沥青是典型的粘弹性材料,高温时呈流动状态,低温时呈脆硬状态,导致沥青路面易产生车辙和裂缝等病害.为了延长沥青道路使用年限,在基质沥青中掺入外加剂,使其高低温性能以及疲劳性能得到有效改善.其中，硅藻土和玄武岩纤维作为无机改性材料以其优良的特性,使众多研究人员对其改善沥青胶浆性能进行研究[3].单独掺入硅藻土或玄武岩纤维对沥青胶浆的某些性能有所改善,但仍有不足,通过双掺硅藻土和玄武岩纤维,使沥青胶浆性能更优.本文选取13组不同掺量的硅藻土和玄武岩纤维复合改性沥青胶浆进行性能试验研究,通过软化点试验、锥入度试验、DSR试验用来评价复合改性胶浆的高温性能,测力延度试验用来研究复合胶浆的低温性能.通过试验数据分析加入两种外加剂后沥青胶浆性能的变化规律,为此方面的研究提供参考.

1 试验过程

1.1 原材料试验

1.1.1 沥青

试验采用的沥青是产自辽宁盘锦AH-90,经过试验测得主要技术指标及结果见表1.

表1 基质沥青物理性能Table 1 Physical properties of neat asphalt

1.1.2 硅藻土

试验的硅藻土试样选自吉林省长白山地区 ,由煅烧制成，比表面积41.1 m2/g,粒径大小10 μm，其化学成分及物理性质见表2，表3.

表2 硅藻土化学成分Table 2 Chemical composition of diatomite

表3 硅藻土物理性能Table 3 Physical properties of diatomite

1.1.3 玄武岩纤维

试验选用的玄武岩纤维由吉林省某玄武岩产业公司提供,基本性质见表4.

表4 玄武岩纤维基本性能Table 4 Basic properties of basalt fiber

1.1.4 确定玄武岩纤维和硅藻土掺比

在查阅文献[4]后,试验选取硅藻土掺量分别为0 %,5 %,7.5 %,10 %,玄武岩纤维掺量分别选取0 %,1 %,2 % ,3 %,4 %,共制成13组不同组合掺量的复合改性沥青胶浆试样.

1.1.5 试样制备

试验使用的DBFCMAM是利用高速搅拌仪进行制备.

首先将基质沥青、硅藻土和玄武岩纤维两种改性剂放入150 ℃烘箱中保温3.5 h,保证沥青呈流动状态,并保证硅藻土和玄武岩纤维达到规定的试验恒温；

然后将硅藻土和玄武岩纤维分别按比例掺入沥青胶浆试样中,先用搅拌棒手动搅拌2 min；

最后将装有试样的烧杯放入用带有保温锅的高速剪切仪中进行高速搅拌.油浴温度170 ℃,速度5 000 r/min,时间60 min,以确保沥青胶浆中硅藻土和玄武岩纤维能够均匀分布.

1.2 试验方法

1.2.1 锥入度试验

根据文献[5-7]研究基质沥青中掺入硅藻土和玄武岩纤维后改变了原有的均匀体系,变为混合分散体,其性能受填料的种类、粒径大小和掺量多少变化影响.由于针入度试验数据离散性很大,本文采用锥入度试验表征硅藻土玄武岩纤维复合改性沥青胶浆抵抗剪切的能力.利用锥入度h计算抗剪强度,见式(1).

(1)

式中,τ为抗剪强度,kPa;Q为锥针、连杆及砝码总重,kN;h为试锥锥入度(0.1 mm);α为锥针针尖角度(30°).

1.2.2 软化点试验

软化点被广泛用来评价沥青胶浆的高温敏感性,本试验利用《试验规程规》规定的方法对不同掺量的改性沥青胶浆进行软化点试验.

1.2.3 动态剪切流变试验

动态剪切流变试验(DSR)经常被用来评价沥青胶浆性的高温流变性能.本试验也采用该方法研究DBFCMAM的高温流变性能.依据规范试验采用52 ℃,58 ℃,64 ℃,70 ℃等4个温度,试验频率为10 rad/s,试件尺寸为厚度h=1 mm,直径d=25 mm,测得复合剪切模量G*和相位角δ.

1.2.4 测力延度试验

许多研究者利用测力延度试验来评价沥青的低温拉伸性能[8],结果均表明测力延度试验是测量沥青低温性能的一种可靠的方法.本文在研究改性沥青胶浆的低温抗拉性能时也采用测力延度试验作为评价方法.以拉伸长度(DON)、最大力(Fmax)和变形能(J)作为评价指标.试件模具为沥青弹性恢复试验用的一字试模.测试温度5 ℃,采用规程推荐的拉伸速度1 cm/min+0.5 cm/min.通过试验录像获得Fmax和DON数值,根据拉力及拉伸长度绘制测力延度曲线(FDT) .

2 结果与讨论

2.1 锥入度试验结果分析

由试验测得数据结果如图1，图2所示.

图1 锥入度随掺量的变化Fig.1 Variation of cone penetration with content

图2 抗剪强度随掺量的变化Fig.2 Variation of shear strength with content

从图1中可以看出:DBFCMAM的锥入度远小于基质沥青的,锥入度减小则其劲度和剪切应力将相应增大.劲度增加则代表复合改性沥青胶浆相对于基质沥青有更高的抗剪切能力.

从图2数据可得改性沥青胶浆抗剪强度最小提高了22 %,最大提高了157 %,因此加入硅藻土和玄武岩纤维后,沥青的抗剪强度得到较大改善.

2.2 软化点试验结果分析

由试验测得数据结果如图3所示.

从图3数据可得,加入硅藻土和玄武岩纤维后沥青胶浆的软化点升高,说明加入这两种改性剂的后,沥青胶浆在高温下,由车辆行驶引起的荷载其变形量将减小.

图3 软化点随掺量的变化Fig.3 Variation of softening point with content

图4 复数剪切模量随掺量的变化Fig.4 Variation of counplex shear modulus with content

图5 相位角随掺量的变化Fig.5 Variation of phase angle with content

图6 车辙因子随掺量的变化Fig.6 Variation of rutting factor with content

2.3 动态剪切流变试验结果分析

在superpave沥青结合料性能规范中,以DSR试验指标车辙因子(G*/sinδ)作为结合料的高温评价指标.车辙因子大小影响沥青在高温下的流动变性,车辙因子越大,流变性越小,抗车辙能力越好.为了对比分析不同温度和不同掺量下的复模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ,将其变化趋势如图4～图6所示.

由图4数据可知,加入两种改性剂后的复合改性沥青胶浆的复合剪切模量G*相对于基质沥青增大,说明基质沥青中掺加硅藻土和玄武岩纤维后能够提高沥青胶浆的高温性能.在同温度和同硅藻土含量时,复合剪切模量G*随玄武岩纤维含量增多逐渐增大.同样,当玄武岩纤维掺比不变时,硅藻土掺比的增加也会导致G*数值的升高.图4中变化趋势表明,硅藻土和玄武岩纤维均能够提高沥青胶浆的复模量G*.

从图5可以看出,随温度的升高,掺加硅藻土和玄武岩纤维后复合改性胶浆相位角δ减小,但减小的幅度逐渐减小.在高温下其粘弹性与基质沥青比变化不大.

由图6所示,加入硅藻土和玄武岩纤维后,沥青胶浆的高温抗车辙能力明显提高.在相同温度下,硅藻土掺量一定时,车辙因子随玄武岩纤维的增加而升高.这是由于纤维在沥青胶浆中良好的分布形成网状结构,当外力作用时,提高了沥青的剪切力,同时阻止了沥青的剪切位移.同样,硅藻土掺量的增加也会使车辙因子增大,这是由于硅藻土表面有许多孔状结构,能够吸附多余的油分,使沥青的高温稳定性得到提高.

从高温剪切模量、相位角及车辙因子等参数的试验数据可以得出,硅藻土和玄武岩纤维能够提高沥青胶浆的高温度抗车辙能力.

2.4 测力延度试验分析

为了定量分析沥青胶浆的低温拉伸性能,以最大拉力(Fmax)、变形(DON)和变形能(J) 3个指标进行对比.对试验数据进行整理并计算出变形能J,其试验结果见表5.

表5 测力延度试验结果Table 5 Test results of force ductility

从试验数据可知:最大拉力Fmax是试验过程中力传感器记录的最大力,表示沥青胶浆的抗拉内聚破坏强度.表5数据表明复合改性沥青胶浆的最大拉力Fmax数值比基质沥青大,说明改性沥青胶浆抗拉内聚破坏度强度增大,且其低温性能明显增加；DON反映了沥青胶浆抵抗变形的能力,由表中结果可以看出两种改性剂的掺量越多沥青胶浆拉伸变形越小,且复合改性沥青胶浆的低温拉伸性能减小；以综合指标变形能J来评价复合改性沥青胶浆的低温性能.从表5的数据可以得出,掺入硅藻土和玄武岩纤维后改性沥青胶浆的抗拉性能得到大幅提高,当硅藻土和玄武岩纤维掺量为(7.5 %,3 %)时,复合改性胶浆低温抗拉性能最好,比基质沥青提高了59.6 %.

2.5 复合改性沥青胶浆性能的方差分析(ANOVA)

通过以上数据可得出掺入硅藻土和玄武岩纤维后沥青胶浆的高温性能和低温性能均得到提高,但两种改性剂对各种性能指标影响的显著性并没有很好地体现出来.为更好地利用硅藻土和玄武岩纤维对沥青及沥青混合料性能的研究,本文采用统计学中的双因素方差分析(ANOVA)法,分析掺入硅藻土和玄武岩纤维后对沥青胶浆各种性能指标的影响程度.

方差分析法(ANOVA)一般用来评价每个影响因素对响应目标值的贡献率. 本文采用的显著性水平α为0.05(P>0.05),取F检验值具有95 %的置信水平,分析结果见表6.

表6 ANOVA分析结果(a=0.05)Table 6 ANOVA analysis result(a=0.05)

依据表6数据可以得出,软化点、剪应力和车辙因子的P值均小于0.05,玄武岩纤维和硅藻土均对沥青胶浆的高温性能产生影响.当低于58 ℃时玄武岩纤维P值小于硅藻土,玄武岩纤维影响较大,高于64 ℃时硅藻土P值小于玄武岩纤维,说明硅藻土产生的影响较大.从对测力延度试验指标分析可以得出,最大力对应的P值大于0.05,表明玄武岩纤维和硅藻土对沥青胶浆承受的最大力值产生影响较小,变形DON对应的P值小于0.05,沥青胶浆的低温抗变形能力受硅藻土和玄武岩纤维的影响,且玄武岩纤维的P值小于硅藻土的,表明玄武岩纤维对沥青低温抗变形能力的贡献大于硅藻土.

3 结论

本文对掺入硅藻土和玄武岩纤维后的沥青胶浆性能进行了试验研究,通过试验数据得出以下结论:

(1) 根据锥入度、软化点、DSR等试验结果可知,复合改性沥青胶浆的劲度和弹性比基质沥青有了明显的提高,硅藻土和玄武岩纤维对沥青胶浆有增粘作用,可以提高沥青胶浆高温时的弹性,因此二者同时掺加可以明显改善沥青胶浆的高温性能.

(2) 通过对比分析测力延度试验所得最大力、最大变形及变形能等数据可知,掺入硅藻土和玄武岩纤维后的改性沥青胶浆低温性能得到大幅提高.

(3) 用方差分析可以得出,玄武岩纤维和硅藻土对沥青胶浆的高温性能和低温性能的改善均有贡献,在低温抗拉伸性能方面,玄武岩纤维的贡献率高于硅藻土.