硅藻土掺量与细度对沥青性能的影响研究

2023-11-13刘莉萍闫铁成郭建博

重庆交通大学学报(自然科学版) 2023年10期

刘莉萍,闫铁成,杜婷,郭建博

(1.陇东学院土木工程学院,甘肃庆阳 745000;2.甘肃省高校黄土工程性质及工程应用省级重点实验室,甘肃庆阳 745000)

0 引言

沥青混合料作为一种黏弹性材料,在高温下会发生车辙变形,在低温下会发生路面开裂。为了解决沥青路面常见的病害,研究者一直在尝试用添加剂来改性沥青混合料,以期能够降低沥青路面病害现象的发生几率[1]。硅藻土是一种成本低、相对密度高、比表面积大、吸附能力强的无机材料,目前已广泛应用于沥青黏结剂和混合料的改性[2-3]。

1982年,美国研究人员首次将硅藻土应用于沥青混合料中,并通过铺筑试验路的方式证明其改性效果良好,随后通过室内试验发现,硅藻土能够有效提高沥青混合料的高温抗车辙性能及疲劳性能。张兴友等[4]通过灰色关联分析法指出,硅藻土中的SiO2含量对沥青高温性能的影响最大,其次为非晶体含量;李晓民等[5]通过试验对比研究了不同掺量条件下不同形态(球状、杆状)硅藻土对沥青及沥青混合料性能的影响情况,结果表明,硅藻土掺量为15%时,沥青胶浆及沥青混合料各项性能均显著提高,且以杆状硅藻土改性效果最佳;TAN Yiqiu等[6]通过差示扫描量热法(DSC)试验表明,硅藻土可以有效提高基质沥青的低温性能,约束试件温度应力试验(TSRST)则表明,硅藻土同样能够提高沥青混合料的低温抗裂性能;CONG Peiliang等[7]研究表明,硅藻土的掺入能够提高沥青胶浆的力学性能,但性能提高主要依靠硅藻土与沥青之间的物理结合;TAN Yiqiu等[8]采用动态力学分析法(DMA)对硅藻土改性沥青玻璃态转化温度及活化能进行测试,结果表明,硅藻土能够显著提高沥青这两项指标,即提高沥青高温性能;王修山等[9]采用车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验等对陶瓷纤维改性沥青混合料的路用性能进行评估,并采用了扫描电镜试验(SEM)分析陶瓷纤维对沥青混合料的增强机理,结果表明,陶瓷纤维可加强沥青混合料的黏性,对改善沥青混合料的路用性能有重要作用;赵曜等[10]通过试验研究了采用生活垃圾焚烧炉渣粉料(BAP)以不同比例替代石灰岩矿粉用于多孔沥青混合料的可行性及替代率对混合料各项性能的影响,结果表明,炉渣粉料替代率对混合料的最佳沥青用量和透水性能影响显著;CHENG Yongchun等[11]、WANG Hanbing等[12]、N.A.M.SHUKRY等[13]通过试验对比研究了硅藻土与其它填料对沥青的改性效果,结果均表明,硅藻土对沥青高温性能及耐老化性能等改善效果最为明显;ZHANG Peng等[14]采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术研究了硅藻土对沥青黏结剂老化性能的影响,结果表明,当硅藻土掺量为10%时,改性沥青的耐老化性能最好;CHENG Yongchun等[15]通过DSR、BBR等胶浆性能试验证明,硅藻土、玄武岩纤维及其相互作用对沥青的高低温性能、抗剪性能、抗疲劳开裂性能和温度敏感性均有显著影响;LIANG Chunyu等[16]采用硅藻土和橡胶颗粒对沥青混合料进行加固,结果表明,橡胶颗粒和硅藻土对沥青混合料的高温、低温和黏弹性性能均有增强作用,但改善效果不如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS);张君韬等[17]将硅藻土应用至季冻区沥青混合料路面,通过室内试验研究表明,硅藻土在含量为5%时,可以有效改善高标号沥青的抗车辙性能、老化性能及黏弹性能,且能够满足季冻区对沥青混合料低温性能的要求。

综上可以看出,针对硅藻土改性沥青的研究已历时较长,研究结果均表明,硅藻土可以有效改善沥青及沥青混合料的各项性能,但目前尚未形成系统的硅藻土改性沥青质量控制标准与质量评价体系。鉴于此,笔者通过分析研究硅藻土细度和掺量对沥青各项性能的影响规律,为硅藻土改性沥青的应用提出合理建议。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所采用的基质沥青型号为70#,其主要性能参数测试结果如表1。

表1 基质沥青的基本技术性能

试验所采用细度为200、500、800 目共3种规格的硅藻土,主要技术指标检测结果见表2。

表2 硅藻土的技术性能

1.2 试验方法

1.2.1 制备方式

为研究硅藻土掺量和细度对沥青性能的影响,分别制备了10%、15%、20%共3种不同掺量条件下200、500、800 目3中不同细度共计9 组硅藻土改性沥青。先将基质沥青加热至160 ℃,分别加入不同掺量与细度的硅藻土,采用高速剪切仪进行剪切,先以1 000 r/min剪切15 min,再以4 000 r/min剪切25 min直至硅藻土完全溶于沥青中且没有气泡产生。最后将制备完成的改性沥青倒入试模中成型相应试件,进行后续试验。

1.2.2 常规性能试验

对9组硅藻土改性沥青胶浆分别进行三大指标试验。通过针入度、软化点及延度对硅藻土改性沥青胶浆基本物理性能进行评价。

1.2.3 流变试验

采用动态剪切流变仪进行动态剪切流变(DSR)试验。试验加载频率设置为10 rad/s,控制应变为12 %。试验初始温度为52 ℃,并以6 ℃的间隔递增4次,得到9 组不同的沥青胶浆抗车辙因子G*/sinδ。车辙因子的数值小,则代表沥青胶浆抗变形能力差,反之则表明抗车辙变形能力更好。

硅藻土改性沥青小梁(127 mm×6.35 mm×12.7 mm)则采用弯曲梁流变仪(BBR)进行试验。试验初始温度设置为-6 ℃,并以6 ℃的间隔递减3次。采用试验得出的蠕变速率m和蠕变劲度模量S两项指标来评估沥青胶浆的低温抗裂性能。

1.2.4 蠕变试验

有研究表明,DSR试验在改性沥青性能评估方面无法取得理想的效果,因此部分研究者提出采用多应力蠕变恢复试验(MSCR)来取代DSR试验。由于沥青属于黏弹性材料,在应力加载过程会产生蠕变变形,在应力卸载后部分蠕变变形能够得到恢复。而另一部分变形不能得到恢复,将累积在下一个加载变形中。因此,较正弦加载方式得出的车辙因子G*/sinδ指标而言,多应力蠕变恢复试验能够更加准确地模拟沥青路面实际工作状态,其测得的应变恢复比率R和不可恢复蠕变柔量Jnr更能准确评价硅藻土改性沥青的抗永久变形能力[17]。

1.2.5 FTIR试验

FTIR试验采用IRTracer-100傅立叶变换红外光谱仪在ATR模式下对试样进行测试,光谱波长范围为4 000～400 cm-1。以波长为横坐标,透过率为纵坐标绘制试样的红外光谱图,并以此探究硅藻土改性沥青制备过程中是否发生化学反应。

1.2.6 SEM试验

采用ZEISS公司生产的SUPRA 55 SAPPHIRE扫描电镜仪对硅藻土及改性沥青进行SEM试验。采用真空衍射镀膜机对经液氮处理的试样进行镀金,通过图像采集装置测得不同放大倍数下的试样微观图像,以确定硅藻土微观形貌特征及其在沥青中的分布情况。

2 试验结果及分析

2.1 常规性能试验

沥青胶浆在25 ℃温度条件下的针入度值条形图如图1。图2、图3为相应的软化点和10 ℃延度结果。

图1 针入度试验结果Fig. 1 Penetration test results

图2 软化点试验结果Fig. 2 Softening point test results

图3 延度试验结果Fig. 3 Ductility test results

由图1可以看出,针入度随硅藻土掺量及细度目数的增加不断降低。这是因为硅藻土的加入能够吸收沥青中轻质组分,使沥青变硬,从而使沥青针入度降低。值得注意的是,在10%、15%、20% 共3 个不同硅藻土掺量条件下,200 目硅藻土较500 目硅藻土针入度分别降低了4.4%、1.7%、1.5%,500 目硅藻土较800 目硅藻土针入度分别降低了6.9%、3.4%、2.8%,表明硅藻土细度对针入度的影响程度随掺量增大逐渐降低。

由图2可以看出,随着硅藻土掺量及细度的增大,沥青胶浆软化点上升。这是因为硅藻土的吸附作用能够降低沥青中轻质油分的含量,进而降低沥青的温度敏感性,表现为软化点上升。以200 目为例,硅藻土掺量由10%增至15%,软化点提高5.9 ℃;掺量继续增至20%,软化点仅提高2.3 ℃,增幅明显降低;在20%掺量条件下,500 目硅藻土较200 目硅藻土软化点提高了0.3 ℃,800 目硅藻土较500 目硅藻土软化点提高了0.7 ℃。结果表明,硅藻土对沥青胶浆软化点的起积极作用,但当其掺量与细度达到一定程度后,作用效果不断降低。

由图3可以看出,随着硅藻土掺量增大,沥青胶浆延度降低,且降低幅度随掺量增大呈加剧趋势,如200 目条件下,15%掺量较10%掺量沥青胶浆延度降低了14.9%,20%掺量较15%掺量沥青胶浆延度则降低了39.5%。由针入度试验结果可知,硅藻土能够增加沥青硬度,因而势必导致其脆性的增加,从而造成延度降低。但在相同掺量条件下,不同细度硅藻土沥青胶浆延度相差不大,表明硅藻土细度对沥青延度影响不大。

2.2 高温流变性能

研究表明,车辙因子G*/sinδ能够较好地反映沥青的高温流变性能。采用动态剪切流变试验测得9组硅藻土改性沥青胶浆的G*/sinδ试验结果如图4。

图4 不同温度下硅藻土沥青胶浆的G*/sinδ曲线Fig. 4 G*/sin δ curve of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

图4表明,温度升高,沥青胶浆G*/sinδ减小,这是因为温度越高,分子热运动越强烈,导致分子间距提高,宏观表现为沥青胶浆由低温高弹态转变为高温黏流态。在硅藻土粒径大小一致时,硅藻土掺量越大,对应的改性沥青G*/sinδ越大。例如52 ℃、硅藻土细度为800目的条件下,20%硅藻土掺量改性沥青较15%、10%掺量改性沥青G*/sinδ分别提高了1.65、2.98 kPa。由此表明,硅藻土的掺入能够改善沥青高温性能。究其原因在于硅藻土具有多孔结构,能够吸附沥青中的轻质组分,使其占比减少,降低其流动性能,最终导致沥青黏度增加,高温流变性能提高。当硅藻土掺量一致时,硅藻土细度增大,对应的沥青胶浆G*/sinδ增大。这意味着硅藻土粒径越小,胶浆的高温性能改善效果越好。值得注意的是,当硅藻土细度从200 目增至500 目时,车辙因子G*/sinδ增加幅度较大;当硅藻土细度进一步增加至800 目后,车辙因子的增加幅度已经很小了。例如,在52 ℃,10 %硅藻土掺量条件下,硅藻土细度从200 目增至500 目时,G*/sinδ提高了0.86 kPa,而细度从500 目增至800 目时,G*/sinδ仅提高了0.36 kPa。由此说明,硅藻土细度达到500 目后对沥青的高温性能改性效果逐渐降低。这是由于随着细度目数增大,颗粒越来越细,越容易与沥青混合,对沥青的改性效果越明显;但当硅藻土粒径达到一定细度后,硅藻土比表面积过大,吸附的自由沥青过多,造成改性沥青稠度增大以及硅藻土与沥青混溶的不均匀性增大,给沥青改性效果带来一定负面影响,表现为沥青性能改善效果降低。

2.3 低温流变性能

沥青的低温流变性能通常采用BBR试验测得的劲度模量S与蠕变速率m值来表征。研究表明,S越大,m值越小,则沥青材料黏性越小,弹性越大,表现为在低温条件下更脆更硬,抗开裂性能越差。图5、图6分别为不同硅藻土沥青胶浆的低温劲度模量和蠕变速率试验结果。

图5 不同温度下硅藻土沥青胶浆的蠕变劲度Fig. 5 Creep strength of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

图6 不同温度下硅藻土沥青胶浆的蠕变速率变化曲线Fig. 6 Creep rate variation curve of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

从图5可知,随温度的降低,不同硅藻土沥青胶浆劲度模量均不断增大。在同一温度、同一硅藻土细度条件下,随着硅藻土掺量的增加,S呈上升趋势,且温度越低,这种上升趋势越明显。由此表明,硅藻土加入会给沥青低温抗变形能力带来一定负面影响,沥青对低温环境更加敏感。在同一硅藻土掺量条件下,硅藻土细度目数越大,S越大,但增大幅度并不大。由此表明,硅藻土细度对沥青低温抗变形能力的影响效果并不显著。

从图6可以看出,随着温度的降低,m值减小。当硅藻土细度目数相同时,硅藻土掺量提高,沥青胶浆m值减小,说明硅藻土掺入会使沥青内部应力消散能力变差,从而降低改性沥青的低温延展性和抵抗疲劳破坏的自愈合能力。在硅藻土掺量一定条件下,硅藻土粒径越小,m值却稍有增大,这可能是由于硅藻土颗粒粒径越小,其与沥青接触面积相对越大,硅藻土与沥青分子间分子作用力加强,提高了沥青的抗低温松弛能力。

2.4 抗永久变形能力

蠕变恢复率R是指沥青在经过蠕变作用后恢复的应变与峰值应变之比,R值越大,沥青蠕变后的恢复能力越强。不可恢复蠕变柔量Jnr是指沥青在经过蠕变作用后的残余应变与蠕变应力之比,Jnr值越小,抵抗永久变形能力越强。MSCR试验测得不同硅藻土沥青胶浆R值如图7,Jnr值如图8。

图7 蠕变恢复率RFig. 7 Creep recovery rate R

图8 不可恢复蠕变柔量JnrFig. 8 Unrecoverable creep compliance Jnr

从图7可以看出,相同条件下,应力越大,改性沥青R值越小,这表明荷载越大,改性沥青的变形恢复能力越差。当荷载一致时,在同一硅藻土细度条件下,硅藻土掺量增大,改性沥青R值逐渐增大,例如,在6.4 kPa荷载作用下,硅藻土细度为200目时,20%、15%掺量沥青较10%掺量沥青R值分别增加了22.5%、13.5%,表明硅藻土掺量的增加有助于提高复合改性沥青的应变恢复率;而在同一硅藻土掺量条件下,硅藻土粒径越小,R值越大,但当粒径进一步减小以后,R值增加幅度不断降低,例如,在6.4 kPa荷载作用下,硅藻土掺量为10%时,500 目硅藻土较200目硅藻土改性沥青R值提高了10.0%,而800 目较500 目硅藻土改性沥青R值则仅提高了2.1%。此与DSR试验分析结果相似,表明硅藻土的掺量和细度对沥青应变恢复能力改善效果均存在一个最佳值。

由图8可以看出,6.4 kPa条件下沥青胶浆Jnr值始终大于3.2 kPa条件下沥青胶浆,表明荷载越大,抗永久变形能力越差。相同条件下,硅藻土掺量越大,Jnr值越小,表明硅藻土可以有效提高改性沥青的抗永久变形能力。当硅藻土掺量一定时,硅藻土粒径越小,Jnr值越小,硅藻土粒径分别由200目增至500目和由500 目增至800 目,沥青Jnr值减小值分别为 0.56、0.87 kPa-1,表明硅藻土细度对沥青抗永久变形能力的提高有一定影响,且细度数目越大,影响效果越显著。

2.5 FTIR试验

沥青的化学分子结构等可以通过FTIR试验进行分析鉴定。不同的分子吸收光的波段不同,利用这一特性,可以得出沥青的红外投射光谱图,通过光谱图吸收峰的数目、强度、位置及形状特征可以分析出沥青的组成及其官能团情况。图9为硅藻土、基质沥青及15%掺量的硅藻土沥青胶浆红外光谱结果。

图9 红外光谱Fig. 9 Infrared spectrogram

从图9可以看出,基质沥青红外光谱曲线主要在2 924、2 853、1 456、1 376、1 110、907～559 cm-1共6 处出现不同大小的吸收峰。其中2 924 cm-1与2 853 cm-1处吸收峰主要由烷烃和环烷烃的C—H对称及反对称伸缩振动引起;1 456 cm-1与1 376 cm-1处吸收峰则主要由芳烃的C=C双键及C=O双键伸缩振动造成;1 110 cm-1处吸收峰由饱和醇C—O伸缩振动引起;907～559 cm-1范围出现的几个较小吸收峰均由苯环上不饱和C—H(=C—H)面外弯曲振动引起。与基质沥青相比,掺入硅藻土的沥青胶浆红外光谱曲线没有发生明显变化,仅在1 098 cm-1与3 413 cm-1处出现两处新的强吸收峰及1 456 cm-1处吸收峰强度增加。两处吸收峰分别与硅藻土自身特征峰对应,其中1 098 cm-1处的强吸收峰是由Si—O—Si键的不对称伸缩振动造成,3 413 cm-1处宽而弱的吸收峰主要由硅羟基Si—OH伸缩振动引起;1 456 cm-1处吸收峰强度的增加表明硅藻土的掺入增强了沥青芳烃基团的键能,再加上C=C双键自身具有较高的键能,最终导致硅藻土沥青胶浆力学性能的增强。综上可知,硅藻土与沥青混合后并未产生新官能团,硅藻土的掺入没有给沥青组成成分和分子结构带来较大的影响,两者以物理混合为主,未发生化学反应。即改性效果主要取决于硅藻土的物理性质。

2.6 SEM试验

选取硅藻土及10%、15%、20% 共 3 种不同掺量的硅藻土改性沥青进行电镜扫描试验,试验结果如图10。

图10 不同掺量硅藻土沥青胶浆扫描电镜图像Fig. 10 SEM image of diatomite modified asphalt mortar with different dosage

由文献[3]、文献[19]可知,硅藻土形态以圆筛状为主,且表面含有大量分布较为规律的小孔,这使得硅藻土比表面积较大。由图10(a)、图10(b)可以看出,硅藻土掺量为10%与15%时,硅藻土能够较为均匀地分散在沥青之中,并与沥青紧密结合形成一个相对稳定的整体。这得益于硅藻土的多孔结构,大量的小孔能够吸附沥青中的轻质组分,产生毛细作用,使沥青与硅藻土颗粒之间的相互作用得到加强,增加两者之间的黏结力,有利于提高改性沥青的各项性能。对比图10(c)可知,当硅藻土掺量进一步提升至20%以后,改性沥青出现硅藻土分布过于密集的现象,改性沥青中局部开始出现轻微重叠以及微弱结团的现象,这种现象的发生会造成硅藻土对沥青改性效果减弱,并带来一定的不利影响。因此在改性沥青过程中,控制硅藻土的掺量不超过20%才能发挥最好的整体改性效果。

2.7 双因素方差分析(ANOVA)及机理分析

统计学中双因素方差分析法常用于评价各个影响因素对试验结果影响程度的大小。为研究硅藻土掺量与细度对沥青各项性能试验指标影响的显著性大小,采用软件SPSS 25进行两个因素的显著性水平分析计算,若P<0.05,则F值至少具有95%的置信水平,表明该因素影响显著,具体分析结果如表3。

表3 双因素方差分析结果

从表3可以看出,硅藻土掺量与细度均对针入度、软化点、64 ℃车辙因子、12 ℃蠕变速率、Jnr(3.2 kPa)、R(3.2 kPa)影响显著。这是因为硅藻土具有比表面积大的特点,能够提高其与沥青的表面润湿作用和界面吸附作用,其与沥青的交互作用更强。随着掺量和细度的增大,这种作用不断增强,表现为沥青胶浆高温性能增强,并且影响效果显著。对比掺量和细度的P值大小可以看出,上述性能指标中掺量P值始终小于细度P值,表明硅藻土掺量始终较细度对沥青胶浆性能的影响程度大。相较于硅藻土细度,硅藻土掺量越大,硅藻土在沥青胶浆中体积占比越大,在搅拌均匀的前提下,分散范围更广,体积效应显著,通过自身空隙吸收沥青中的轻质组分,形成类似锚固点数量增多,产生的锚固作用越强,因此硅藻土掺量较细度对沥青性能影响程度更大。延度与12 ℃劲度模量方差分析结果表明,硅藻土细度对其影响效果并不显著,这是由于在低温环境下,填料和沥青各组分活性降低,各组分吸附作用程度降低,体积效应及锚固作用发挥主要作用,表现为硅藻土细度对沥青胶浆低温性能影响程度较低。

考虑沥青中轻质组分含量存在下限(过低会造成沥青变硬,丧失流动性),这意味着锚固点数量也不宜过多,硅藻土掺量以不超过20%为宜。由于硅藻土细度目数越大,加工成本越高,综合考虑性能及经济性,建议在硅藻土掺量较高的前提下,硅藻土细度选用500 目。