硅藻土对Sasobit温拌沥青混合料路用性能的影响

曹洪梅， 曹珍平

(1.四川建筑职业技术学院， 四川 德阳　618000；　2.绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司， 四川 绵阳　621000)



硅藻土对Sasobit温拌沥青混合料路用性能的影响

曹洪梅1， 曹珍平2

(1.四川建筑职业技术学院， 四川 德阳618000；2.绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司， 四川 绵阳621000)

[摘要]采用车辙试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验以及MMLS3加速加载试验研究了添加硅藻土前后Sasobit温拌沥青混合料路用性能。试验结果表明，添加硅藻土后Sasobit温拌沥青混合料的水稳定性有了明显改善，同时高温稳定性和低温抗裂性也有了一定提高。

[关键词]硅藻土； Sasobit温拌沥青混合料； 路用性能

0前言

温拌沥青混合料(Warm Mix Asphalt 简称WMA)是指使用特定的添加剂或技术，使得沥青混合料的拌和温度介于热拌沥青混合料(HMA，拌和温度150～180 ℃)和冷拌沥青混合料(10～40 ℃)之间，其技术性能达到或接近相同级配热拌沥青混合料的一种新型沥青混合料[1-4]。自《京都协议书》签订之后，为了减少温室气体排放，欧洲许多国家开始研究温拌技术，经过十多年的发展，温拌技术已经在欧洲、美国、日本等地得到广泛应用，欧洲沥青路面协会一项调查结果表明，美国在2010年WMA的使用量已经达到424万t，到了2011年WMA的使用量已经超过了700万t[5]。我国在2005年才开始引进温拌技术，经过近十年的技术探索，已取得了一些研究成果，同时北京、上海等地也结合本地的工程经验和理论研究成果制定了温拌沥青混合料技术指南，这对推动温拌技术在国内的的发展起到了积极作用。然而由于温拌技术在国内起步晚，底子薄，研究还不够深入，以至于对温拌沥青混合料的认识仍存在欠缺，如温拌沥青混合料的长期路用性能研究及其存在的技术缺陷等还处于灰色状态，本文在研究温拌沥青混合料路用性能的基础之上研究了硅藻土对温拌沥青混合料技术缺陷的改善作用，以期为温拌技术在全国的推广应用提供理论支撑与技术指导。

1试验原材料性质

1.1沥青

试验采用Shell90#重交通石油沥青，对基质沥青的性能进行了试验检测[6]，试验结果见表1。

表1 Shell90#基质沥青试验结果Table1 Shell90#matrixasphalttestresults指标技术要求试验结果试验方法针入度(25℃)/0.1mm80～10084.6T0604密度(15℃)/(g·cm-3)实测值1.030T0603延度(5cm/min,10℃)/cm≥20 >100T0605软化点/℃≥45 49T0606闪点(COC)/℃≥240 300T0611含蜡量/%≤2.20.6T0615弹性恢复(25℃)/cm≥65 98.7T066260℃动力粘度/(Pa·s)≥160 168.2T0620溶解度(三氯乙烯)/%≥99.599.9T0607RTFOT后残留物质量损失/%±0.8-0.01T0609残留针入度比/%≥5765T0604残留延度(5℃)/cm≥812.3T0605

1.2集料

本文粗细集料均选用石灰岩，根据公路沥青路面施工技术规范(JTG F41-2008)的要求对所用集料主要技术指标进行测试[7]，试验结果见表2和表3，试验结果表明粗细集料各项技术指标均满足规范要求，可用于试验研究。

表2 粗集料性能检测结果Table2 Coarseaggregateperformancetestresults检测项目试验结果10～20mm5～10mm指标要求表观相对密度2.7912.804≥2.50对沥青的黏附性5级≥4吸水率/%0.70.6≤2<0.075mm含量/%0.070.23≤1针片状含量9—≤12压碎值/%1515≤28洛杉矶磨耗损失/%20.420.4≤30

表3 机制砂检测结果Table3 Mechanismsandtestresults技术指标试验值要求值表观相对密度2.732≥2.5砂当量/%79≥60棱角性/s33.4≥30坚固性/%0.7≤12亚甲蓝/(g·kg-1)14≤25<0.075mm含量/%4.3≤10

1.3硅藻土

如图1所示硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，其富含SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，硅藻土是由硅藻(一种单细胞的水生藻类)遗骸和软泥固结而成的沉积矿，在我国总储存量约为10亿t。将硅藻土用作改性剂添加到基质沥青中，可对沥青混合料的路用性能起改善作用。由于硅藻土具有孔结构多、高空隙率、高缝隙率、大内外比表面积、表面吸附能力强等特点，硅藻土改性沥青能显著改善沥青混合料的水稳定性。然而，硅藻土对混合料的其他路用性能的改善，比如高温性能、低温性能不如对水稳定性改善那么明显[8，9]。

图1　硅藻土宏观、微观照片

1.4Sasobit温拌剂

温拌技术的实质是通过降低沥青混合料的高温粘度来提高沥青混合料的施工和易性，每种温拌剂对温拌沥青混合料的作用机理都不尽相同。Sasobit温拌剂由于其熔点低，受热易于融化从而极大地降低了沥青粘度，进而降低了沥青混合料的拌和、摊铺、碾压温度。本文使用的Sasobit温拌剂为白色小颗粒状，厂家推荐的最佳掺加比例为沥青粘结料质量的1.5%～3.5%，本文选择1.5%Sasobit掺量，试验过程中以干法、外掺形式加入Sasobit温拌剂。

2Sasobit温拌沥青混合料路用性能研究

采用AC-13中在值级配对温拌沥青混合料的路用性能进行试验研究。根据粘温曲线试验确定Sasobit温拌沥青混合料的拌和温度为148 ℃，碾压温度为135 ℃。按照马歇尔试验结果确定温拌沥青混合料的最佳油石比4.4%，马歇尔体积指标见表4。

表4 AC-13Sasobit温拌沥青混合料马歇尔试验结果Table4 AC-13sasobitwarmmixasphaltmixturemar-shalltestresults最佳油石比VV/%VMA/%VFA/%毛体积密度/(g·cm-3)4.4%4.115.770.22.548规范要求3～6≥1465～75—

按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》规定的车辙试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、低温小梁弯曲试验来研究Sasobit温拌沥青混合料的路用性能，试验结果见表5～表8。

表5 60℃车辙试验结果Table5 60℃ruttingtestresults混合料类型油石比/%d45mind60min车辙试验动稳定度DS/(次·mm-1)HMASasobitWMA4.42.7013.01720272.8173.1551904

表6 冻融劈裂试验结果Table6 Freeze-thawsplittingtestresults混合料类型AC-13冻融前劈裂强度/MPa冻融后劈裂强度/MPaTSR/%HMAHMA1.1461.09895.8SasobitWMASasobitHMA0.8350.63272.1

表7 浸水马歇尔试验结果Table7 ImmersionMarshalltestresults混合料类型浸水48h稳定度/kN未浸水稳定度/kN残留稳定度/%HMA15.9315.0494.4SasobitWMA13.3411.5586.6

表8 低温小梁弯曲试验结果Table8 Trabecularinlowtemperaturebendingtestresults混合料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa破坏应变能/kPaHMA13.6734273375.3529.87SasobitWMA11.992099.073809.1314.65

由以上试验结果可知：

① 添加Sasobit温拌剂后温拌沥青混合料的车辙试验动稳定度与HMA相比有所下降，45 min和60 min车辙深度有所增加，比较车辙试验动稳定度可以发现，二者的抗车辙能力相差不大。

② 从冻融劈裂试验可以看出，添加Sasobit温拌剂后，温拌沥青混合料的冻融劈裂强度显著下降，甚至不满足规范TSR大于75%要求，浸水马歇尔试验结果也呈出现类似的变化规律，唯一不同的是浸水马歇尔残留稳定度勉强大于规范85%的要求。水稳定性变差主要由Sasobit温拌剂自身性质所致，严格意义上讲，Sasobit是一种晶体结构的蜡状物，具有蜡的性质，因此添加后会影响混合料的水稳定性。在工程应用中应加强Sasobit温拌沥青混合料的水稳定性检验，尤其在多雨地区，当温拌沥青混合料的水稳定性较差时，必须采取添加抗剥落剂、消石灰、硅藻土等措施来改善其水稳定性。

③ 比较AC-13HMA与AC-13SasobitWMA的最大弯拉应变和破坏应变能可知，Sasobit对沥青混合料的低温性能确实有不利影响。

④ 采用STPS统计软件对以上试验结果进行方差分析，结果表明，Sasobit对温拌沥青混合料的d60 min、车辙试验动稳定度、最大弯拉应变的显著性概率均大于0.05，而对于冻融劈裂强度比的显著性概率小于0.05，因此温拌剂的加入显著的降低了温拌沥青混合料的水稳定性。

由以上试验分析可以发现，添加Sasobit温拌剂后，WMA的路用性能基本满足规范的要求，但由于混合料水稳定性较差，应当在采取提高Sasobit温拌沥青混合料的水稳定性措施后方可使用。

3硅藻土对Sasobit温拌沥青混合料的影响

从上节的研究可知，Sasobit温拌沥青混合料的水稳定性是其路用性能薄弱环节，尤其是冻融劈裂强度不满足规范要求，这与温拌沥青混合料集料烘干不充分以及Sasobit本身的性质有关。本节拟通过和硅藻土复配来对Sasobit固体类温拌剂的路用性能进行改进，以期得到综合路用性能更加优良的复合温拌剂。

3.1复合温拌剂复配方案

参考已有文献资料，初步确定硅藻土掺量为沥青质量的6%，Sasobit掺量为沥青质量的1.5%。通过研究硅藻土掺量对复合改性沥青技术指标以及混合料路用性能的影响，来确定硅藻土最佳掺量。试验发现，硅藻土掺量达到沥青质量的5%时，复合改性沥青的3大指标变化趋于平缓，同时冻融劈裂试验也表明该掺量下硅藻土与Sasobit复合温拌沥青混合料的水稳定性有显著提高，且随着硅藻土掺量的进一步增大，复合温拌沥青混合料的水稳定性增加不是很明显。兼顾工程的经济性和混合料的路用性能，因此本文确定的复合温拌剂的复配方案确定为：

硅藻土：Sasobit=5：1.5，复合改性剂占沥青质量的6.5%。

3.2硅藻土对Sasobit温拌沥青混合料长期性能的影响

本文使用MMLS3小型加速加载设备对硅藻土与Sasobit复合改性温拌沥青混合料的长期使用性能进行了试验研究。

3.2.1试验条件

试验前首先采用高速球磨求设备将硅藻土与Sasobit按复配比例碾磨至混合均匀，然后再以干法、外掺的形式加入混合料中。混合料拌和均匀后成型大马歇尔试件，按标准试件尺寸去马歇尔试件中间5 cm进行加速加载试验。MMLS3试验槽装置设备(见图2)每次能同时对9个芯样进行试验，根据设备的特点，本文对AC-13热拌沥青混合料、硅藻土与Sasobit复合改性沥青混合料以及硅藻土改性沥青混合料进行了加速加载试验，进而得到不同类型沥青混合料长期性能随加载次数的变化规律。

图2　加速加载试验设备及加载破坏后的试件

Figure 2Accelerated loading test equipment and the load of specimen after damage

加速加载试验时，采用标准轴载(0.7 MPa)。试验过程通过试槽底部的加热系统控制试验温度，为了较好模拟行车荷载对路面结构的作用，特别是重车的作用，本文采用的加载速率为6 000次·h-1。MMLS3加速加载设备可测试并记录不同加载次数时各试件的车辙深度随轴载次数的变化规律。目前关于加速加载试验的试验条件(试验温度、试件是否浸水等)、试验评价方法与评价指标、标准加载次数、加载速率等仍处于探索阶段。经过室内初步探索本文发现，在室温条件下进行加速加载试验，试件的破坏次数可达到几百甚至上千万次；60 ℃条件下进行试验，试件的破坏次数可达到近百万次；50 ℃浸水条件下进行试验，不同类型的沥青混合料破坏次数从几万次到几十万次不等，试验结果区分较明显。综合考虑之下，本文选择50 ℃浸水条件进行加速加载试验。

3.2.2车辙深度变化

为了直观对不同类型沥青混合料试件的车辙发展速度随加速加载次数的变化规律，对热再生混合料试件在不同加载次数作用下的车辙深度进行研究。加速加载试验结果见图3。

图3　车辙变形量随加载次数的变化规律Figure 3　Rut deformation changing with the load times

50 ℃浸水条件下加速加载试验结果表明，对于所有的混合料试件在加载次数不是很大的阶段(<5万次)，车辙深度变化较快，这是由于在初始加载阶段，混合料处于压密阶段，车辙变化表现为压密变形，随着加载次数增加，所有试件车辙深度均不断增加，但是车辙增长幅度没有初始压密阶段大，表明车辙发展已趋于稳定。由图3可以清晰地发现：Sasobit温拌沥青混合料加载次数达到10万次左右发生就发生了明显的剪切破坏，而添加硅藻土后破坏次数可以增加到25万次多，相比增加了150%。另外添加硅藻土后，温拌沥青混合料在浸水条件下的车辙深度明显小于热拌沥青混合料，抗车辙能力可以喝硅藻土改性沥青相媲美。

3.2.3车辙变化率

由图3可知: 浸水条件下的加速加载试验，车辙的产生可以分为3个阶段，即：压密阶段、蠕变稳定阶段和加速破坏阶段。为了比较不同混合料试件的车辙发展速度，本文引入了车辙深度变化率的概念，所谓的车辙变化率是指加载每万次的车辙深度变化，单位为mm·万次-1，这与车辙试验动稳定度DS的定义相类似。表9给出了蠕变稳定阶段不同混合料试件加速加载试验车辙深度变化率。

表9 蠕变稳定阶段不同混合料试件加速加载试验车辙深度变化率Table9 Stablecreepstageacceleratedloadingtestspeci-mensrutdepthchangerate混合料类型平均变化率/(mm·万次-1)SasobitWMA0.59HMA0.0623硅藻土改性SasobitWMA0.0513硅藻土改性HMA0.0494

计算结果表明加入硅藻土后Sasobit温拌沥青混合料的车辙深度变化率显著减小，由不掺加硅藻土时的0.59 mm·/万次降低到0.05130.59 mm·/万次，减小了近10倍。掺加硅藻土后的Sasobit温拌沥青混合料车辙深度变化率不仅小于热拌沥青混凝土，而且略小于硅藻土改性沥青混合料。对蠕变稳定阶段加速加载试验车辙变形量与加载次数进行拟合，结果见表10。

表10 蠕变稳定阶段加载次数与车辙变形量回归关系Table10 Stablecreepstageloadingtimesandtherelationbetweenrutdeformation混合料类型拟合方程相关系数备注SasobitWMAy=-5.84475×exp(-x/3.78383)+5.872620.9566HMAy=-3.81029×exp(-x/2.57738)+3.810490.99993硅藻土改性SasobitWMAy=-3.61567×exp(-x/4.49744)+3.665950.97993硅藻土改性HMAy=-3.46567×exp(-x/4.39603)+3.50610.98502X为加载次数,单位:万次;y为车辙变形量,单位:mm

拟合结果表明：在蠕变稳定阶段加速加载试验的加载次数与车辙变形量之间具有很好的指数关系：y=A1×exp(-x/t1)+y0(X为加载次数，单位：万次；y为车辙变形量，单位：mm)，回归参数y0可代表混合试件在蠕变稳定阶段末可达到的最大车辙变形量，变形量超过y0后混合料即进入破坏阶段，y0越大混合料的抗车辙能力越差，越小抗车辙能力越强。比较表10拟合方程式可以发现，y0的大小顺序为SasobitWMA> HMA>硅藻土改性SasobitWMA>硅藻土改性HMA。综上硅藻土的加入确实改善了Sasobit温拌沥青混合料的抗车辙能，提高了温拌沥青混合料的抗水损害能力。

3.3硅藻土对Sasobit温拌沥青混合料低温性能的影响

沥青路面的开裂是各国道路界普遍关注的问题，至今仍是各国沥青路面最为普遍的损害形式之一[10]。目前评价沥青混合料的低温抗裂性能的试验方法有温度应力试验、低温弯曲试验、蠕变试验、冻断试验、J积分试验等。我国规范采用采用-10 ℃小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性，以最大弯拉应变表征沥青混合料的抗低温开裂能力大小。相关研究结果表明，沥青混合料中储存的弹性应变能越多，其低温抗裂性能就越好。由于沥青混合料具有一定的储存能量能力，这种储存能力的大小可直接用试验的方法确定，简称破坏能。如果沥青混合料试件破坏时所消耗的能量越大，那么其低温抗裂性能就越好[11]。根据沥青混合料的破坏能的定义，可以将其单位体积的破坏能表示为式(1)：

(1)

通过研究低温弯曲试验结果曲线发现，三次多项式可较好地模拟低温弯曲试验上升阶段的应力-应变关系。即：

δ=A+B1X+B2X2+B3X3

(2)

式中：A、B1、B2和B3表示回归后的材料参数。

将式(1)代入式(2)中，就可以计算出沥青混合料的破坏应变能。

(3)

本文采用三分点弯曲试验研究了，掺加硅藻土前后Sasobit温拌沥青混合料的低温抗裂性，试验结果见表11。

表11 低温弯曲试验应力应变曲线回归关系式Table11 Lowtemperaturebendingteststressstraincurveregressionequation混合料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa破坏应变能/kPaSasobitWMA11.992099.073809.1314.65HMA13.6734273375.3529.87硅藻土改性SasobitWMA13.133382.453297.4328.55硅藻土改性HMA13.433367.493430.4929.43

由低温弯曲试验结果可以发现，加入硅藻土后，Sasobit温拌沥青混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变、和破坏应变能均有所增加，表明硅藻土改善了Sasobit温拌沥青混合料的低温抗裂性能。同时也可以发现，添加硅藻土前后Sasobit温拌沥青混合料的的最大弯拉应变并没有超过普通热拌沥青混凝土。

4结论

与热拌沥青混合料相比，添加Sasobit温拌剂后温拌沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性均略有下降，而水稳定性下降较为明显，当气候分区内沥青混合料水稳定性的要求较严格时，需采取添加抗剥落剂、消石灰、硅藻土等措施来改善其水稳定性。加速加载试验结果表明添加硅藻土后Sasobit温拌沥青混合料的高温稳定性和抗水损害能力得到显著改善，同时温拌沥青混合料的低温性能也略有提升。

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The Influence of Diatomaceous on Road Performance of >Warm Mix Asphalt

CAO Hongmei1， CAO Zhenping2

(1.Sichuan Construction Vocational and Technical College， Deyang， Sichuan 618000， China；2.Mianyang， Sichuan Highway Planning Survey and Design Co.， LTD. Mianyang， Sichuan 621000， China)

[Abstract]this article mainly the rutting test、freeze-thaw splitting test、low-temperature bending test and the MMLS3 accelerated loading test was used tostudy The Influence of Diatomaceous on Road Performance of Warm Mix Asphalt，the research results show that after adding diatomite Sasobit warm mix asphalt mixture water stability has improved significantly，at the same time，high temperature stability and low temperature crack resistance also had certain improvement.

[Key words]diatomite； sasobit warm mix asphalt mixture； road performance

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0216-05

[作者简介]曹洪梅(1980-)，女，四川德阳人，工程硕士，工程师，讲师，研究方向：公路与桥梁。

[收稿日期]2014-02-21