硅藻土改性沥青胶浆高低温流变性能试验研究

孟召明

(新疆希尔路桥工程有限公司， 新疆 乌鲁木齐　830011)



硅藻土改性沥青胶浆高低温流变性能试验研究

孟召明

(新疆希尔路桥工程有限公司， 新疆 乌鲁木齐830011)

摘要：对老化前后不同硅藻土掺量的硅藻土改性沥青胶浆进行动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验，研究硅藻土改性沥青胶浆的高低温流变性能。试验结果显示，随着试验温度的升高，硅藻土改性沥青胶浆的高温性能逐渐降低，老化使沥青胶浆的高温性能削弱；随着硅藻土掺量的增多，沥青胶浆的相位角逐渐减小，复数模量和车辙因子逐渐增大，沥青胶浆的高温性能得到提升。用蠕变劲度评价硅藻土改性沥青胶浆低温性能时，硅藻土掺量越多对低温性能越不利，而m值随硅藻土掺量的增大表现出先减小后增大的变化趋势，建议用m值评价硅藻土改性沥青胶浆的低温性能。

关键词：道路工程； 沥青胶浆； 硅藻土； 流变性能

0前言

硅藻土作为一种典型的无机材料，具有多孔、比表面积大、吸附性强、高熔点等优点，因此经常将其应用于沥青胶浆的改性，能从一定程度上改善沥青胶浆某方面的性能[1，2]。现代胶浆理论认为，沥青混合料是一种具有3级空间网络结构的分散体系，而3级分散相中胶浆起着粘结集料和填充孔隙的作用，胶浆性能直接影响着沥青路面的使用寿命[3-5]。同时硅藻土改性沥青胶浆作为一种沥青材料，具有沥青材料的一切性质，荷载作用下时刻在进行着粘弹性质的演变，表现出较强的流变性质。对硅藻改性沥青胶浆进行流变试验研究，能很好地模拟车辆荷载作用下路面的受力状况。基于此本文动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验，研究不同硅藻土掺量时沥青胶浆的高温流变和低温流变性能，为硅藻土沥青胶浆的进一步研究提供参考。

1试验

1.1原材料

沥青选用AS90#基质沥青，其主要技术指标见表1。选用粒径分别为10 μm和30 μm的两种硅藻土，为灰白色粉末，其主要化学成分见表2。

表1 基质沥青基本技术指标类别针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)软化点/℃延度(5cm/min,5℃)/cm闪点/℃RTFOT后质量损失/%实测值83.043.514.52860.24技术标准80～100≥44—≥260.0±0.8

表2 硅藻土的化学组成%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2K2O烧失量84.605.501.400.620.460.290.684.60

1.2试验方法

1.2.1动态剪切试验

利用Bohlin Gemin Ⅱ型动态剪切流变仪(DSR)测定硅藻土改性沥青胶浆的复数模量G*和相位角δ，分别表征硅藻土改性沥青胶浆的粘性和弹性性质，评价硅藻土改性沥青胶浆的动态剪切流变效果。采用车辙因子G*/sinδ表征硅藻土改性沥青胶浆的抗车辙能力，G*/sinδ越大表示抗车辙能力越强。试验时采用应力控制模式，荷载频率为10 rad/s，振动频率1.59 Hz。

1.2.2弯曲梁流变试验

成型尺寸为125 mm×12.5 mm×6.25 mm的标准硅藻土改性沥青胶浆试件，利用弯曲梁流变仪(BBR)对其进行弯曲梁流变试验，研究硅藻土改性沥青胶浆的低温流变性能。试验时先对试件施加100 g荷载，作用时间1 s，使试件定位。然后卸载，并让其恢复20 s，然后施加100 g荷载，保持240 s，用计算机记录沥青胶浆小梁的挠度，并绘制挠度与时间的关系曲线，计算蠕变劲度和m值。

2原材料试验结果及分析

2.1高温流变性能

对不同硅藻土掺量时，老化前后沥青胶浆进行动态剪切流变试验，测定相位角、复数模量和车辙因子，研究硅藻土改性沥青胶浆的低温流变性能，试验结果如表3所示。

表3 硅藻土改性沥青胶浆DSR试验结果类别相位角/(°)复数模量/kPa车辙因子/kPa58℃64℃70℃58℃64℃70℃58℃64℃70℃老化前0%84.2985.9287.122.140.990.432.211.050.548%83.7585.4586.883.131.520.723.241.510.7910%83.5985.2486.603.761.640.933.911.790.9512%83.4885.1885.993.791.731.033.911.851.0214%83.7885.1085.754.141.951.104.252.051.07短期老化后0%80.0982.42—3.861.79—4.031.89—8%79.5581.2983.404.132.681.314.552.791.4110%78.3780.5583.194.393.341.644.713.191.7412%76.5080.1482.574.743.511.754.943.651.8814%76.1279.9582.508.013.891.968.244.052.03

从表3可以看出，当硅藻土掺量相同时，老化前后硅藻土改性沥青胶浆的相位角随温度的升高而增大，复数模量和车辙因子都随着温度的升高而降低。当温度由58 ℃升高至70 ℃时，所有沥青胶浆的复数模量降低了75%左右，车辙因子也降低75%左右，表明和普通沥青胶浆一样，硅藻土改性沥青胶浆也具有较强的温度敏感性。这是因为，沥青材料为典型的黏-弹-塑性材料，随着温度的升高沥青逐渐软化，弹性性质逐渐降低，粘性流动逐渐增强，因此相位角逐渐增大，复数模量和车辙因子逐渐降低。当其他条件相同时，经短期老化后硅藻土改性沥青胶浆的相位角减小，而复数模量和车辙因子有所增大，表明老化使硅藻土改性沥青胶浆的粘性比例下降，弹性比例增加。这是因为，老化改变了沥青组成中各成分的相对比例，老化使沥青中饱和芬和芳香芬等轻质组分含量降低，胶质和沥青质相对含量上升，因此抗变形能力增强，表现为硅藻土改性沥青胶浆相位角的减小，复数模量和车辙因子的增大。

当温度相同时，老化前后随着硅藻土掺量的增多，沥青胶浆的相位角逐渐减小，复数模量和车辙因子逐渐增大，58 ℃时当硅藻土掺量由0%增大至10%和14%时，老化前沥青胶浆的相位角分别降低了0.76°和0.51°，车辙因子分别升高1.70 kPa和2.04 kPa；老化后沥青胶浆的相位角分别降低了1.72°和3.97°，车辙因子分别升高0.39 kPa和3.69 kPa。解释其原因主要为，随着硅藻土掺量的增多，一方面由沥青包裹的硅藻土颗粒增多，结构沥青比例增大，沥青胶浆硬度、粘度增加；另一方面，硅藻土颗粒会阻碍沥青分子的运动，且掺量越多阻碍作用越明显，因此随着硅藻土掺量的增多，沥青胶浆的抗变形能力逐渐增强，相位角逐渐减小，复数模量和车辙因子逐渐增大。

2.2低温流变性能

对不同硅藻土掺量时，老化前后沥青胶浆进行低温弯曲流变试验，研究硅藻土改性沥青胶浆的低温流变性能，试验结果如图1所示。

从图1可以看出，老化前后硅藻土改性沥青胶浆的蠕变劲度大于基质沥青，随着硅藻土掺量的增多，改性沥青胶浆的蠕变劲度逐渐增大，其中当硅藻土掺量在8%～12%之间时，劲度模量的增长趋

图1　硅藻土改性沥青胶浆BBR试验结果

势较平缓，而当硅藻土掺量大于12%时，蠕变劲度大幅增长。表明硅藻土的加入使沥青胶浆变硬变脆，沥青路面低温时更容易出现开裂，因此从低温性能角度考虑，硅藻土掺量不应该大于12%。当硅藻土掺量相同时，相比于老化前，老化后沥青胶浆的蠕变劲度有所增大，沥青胶浆硬度增大，脆性增强，路面更容易出现低温开裂。

老化前后，硅藻土改性沥青胶浆的m值随着硅藻土掺量的增多出现先减小后增大的变化趋势，当硅藻土掺量由0%增大至14%时，老化前沥青胶浆的m值从0.56变为0.61，增大了8.9%。m值反映了沥青胶结料在温度应力作用下的变形速率，体现了沥青胶结料的低温松弛能力，m值越大表明沥青胶浆的低温松弛能力越好，由此表明硅藻土的加入能改善沥青胶浆的低温松弛能力。也说明用蠕变劲度和m值，评价硅藻土改性沥青胶浆的低温性能时的结果存在差别。相比于蠕变劲度，m值能更好地评价沥青材料的低温性能[6]，因此建议选用m值评价硅藻土改性沥青胶浆的低温性能。

3结论

利用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪，对不同硅藻土掺量的硅藻土改性沥青胶浆的高温和低温流变性能展开研究。试验结果表明，相同条件时，随着温度的升高沥青胶浆的相位角逐渐增大，复数模量和车辙因子逐渐减小，老化后相位角有所减小，复数模量和车辙因子有所增大；随着硅藻土掺量的增多，沥青胶浆的相位角逐渐减小，复数模量和车辙因子逐渐增大，高温性能得到改善。随着硅藻土掺量的增多，蠕变劲度逐渐增大，其中当硅藻土掺量超过12%时，蠕变劲度大幅增加，低温性能急剧降低；m值出现先减小后增大的变化趋势，建议采用m值评价硅藻土改性沥青胶浆的低温性能。

参考文献：

[1] 房军，谭忆秋，李智慧，等.硅藻土改性沥青低温性能的研究[J].石油沥青，2005，19(5)：26-29.

[2] 王羽，魏河广，于亿骅，等.硅藻土改性沥青材料的高温稳定性研究[J].路基工程，2012(6)：27-28.

[3] 陈若祥.硅藻土改性沥青结合料性能试验研究[J].公路工程，2013，38(5)：254-257.

[4] 张兴友，胡光艳，谭忆秋.硅藻土改性沥青混合料低温抗裂性能研究[J].公路交通科技，2006，23(4)：11-13.

[5] 鲍燕妮，蒋相华.硅藻土改性沥青相容性研究[J].公路工程，2009，34(1)：90-93.

[6] 祝斯月，陈拴发，秦先涛，等.透水性沥青路面高黏改性沥青动态力学性能[J] .武汉理工大学学报，2012，34(12)：52-56.

文章编号：1008-844X(2016)02-0053-02

收稿日期:2015-11-16

作者简介:孟召明( 1987-) ，男，主要从事路桥工程的施工及管理工作。

中图分类号：U 414

文献标识码：B