掺加硅藻土的温拌再生混合料路用性能及改性机理分析

韩　娟， 杨青莹

(1.郑州科技学院， 河南 郑州　450064;　2.郑州升达经贸管理学院， 河南 郑州　451191)



掺加硅藻土的温拌再生混合料路用性能及改性机理分析

韩娟1， 杨青莹2

(1.郑州科技学院， 河南 郑州450064;2.郑州升达经贸管理学院， 河南 郑州451191)

[摘要]针对温拌再生混合料低温抗裂性差、水稳定性不足等技术缺陷，提出采用硅藻土改性温拌再生混合料方案，研究硅藻土掺量对温拌再生混合料的体积特性和力学指标的影响，进而基于车辙试验、小梁弯曲试验、冻融循环试验和疲劳试验研究了不同硅藻土掺量下温拌再生混合料的综合路用性能，并揭示了硅藻土对温拌再生混合料的改性机理。结果表明：随着硅藻土掺量的增大，温拌再生混合料的最佳油石比增大，掺加硅藻土可显著提高温拌再生混合料的低温抗裂性以及水稳定性，11%硅藻土掺量下温拌再生混合料的抗疲劳性能最优，硅藻土对温拌再生混合料的改性机理在于其提高了再生混合料的沥青膜厚、提高了沥青胶浆与集料之间的粘附性、弥补了老化沥青与新沥青结合的界面缺陷。

[关键词]路面工程； 硅藻土； 温拌再生混合料； 路用性能； 改性机理

0前言

目前我国已确立了控制温室气体排放行动目标，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，回收沥青路面材料的再生利用以及温拌节能减排技术的推广是推行“绿色公路”理念的必然途径。温拌再生沥青混合料(Warm-RecycledAsphaltMixture，WRAM)是一种“绿色环保型”道路新兴材料，其不仅拌和与压实温度相对较低、能源消耗和温室气体排放相对较小，还可在新混合料中掺加一定比例的RAP(RecycledAsphaltPavement)，减少集料开采、低碳环保、节能减排[1，2]。在日益提倡节能减排、绿色公路和可持续发展的今天，WRMA无疑是一种十分值得提倡的道路建设新技术。北京建筑大学、同济大学、长安大学等研究了不同RAP掺量下温拌再生混合料的路用性能，所得结果大致相同[3-8]：随着RAP掺量的增加，热拌及温拌再生沥青混合料的路用性能除高温性能有所提高外，低温抗裂性能和水稳定性能均有不同程度的降低，而疲劳性能则明显占优势，低温和水稳定性不足是制约温拌再生混合料推广应用的技术瓶颈，研究普遍认为温拌再生混合料由于其路用性能不佳，目前只能用于中下面层，经济效益不高，但鲜见采用一定技术措施来改善温拌再生混合料路用性能的相关报道。国内刘丽、谭忆秋[9-13]等针对硅藻土改性沥青进行了大量研究，研究结果均表明，硅藻土虽对沥青混合料的各项路用性能均有一定改善作用，尤其对沥青混合料水稳定性的改善最为显著。为了改善温拌再生混合料低温抗裂性差、水稳定性不足等技术缺陷，本文提出采用硅藻土改性温拌再生混合料方案，经室内试验和实体工程验证，该法具有较好的推广应用前景，可为温拌再生技术性能的改善提供一个新的改性方案和研究思路。

1试验材料及配比

1.1Sasobit温拌剂

温拌技术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，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，从而降低了沥青混合料的拌和、碾压温度。本文使用的Sasobit温拌剂为白色小颗粒状，厂家推荐的掺加比例为沥青粘结料的1.5%～3.5%，根据实体工程使用情况本文采用的硅藻土掺量为2.0%，试验过程中以干法形式加入Sasobit温拌剂。

1.2旧沥青路面材料(RecycledAsphaltPavement)

RAP取自于洛驻高速公路现场，将取回的RAP分为0～3、3～10、10～25mm共3档，通过抽提及回收试验获得RAP中老化沥青，RAP技术性质检测结果见表1和图1。

表1 RAP技术性质试验结果汇总表Table1 RAPtechnicalpropertytestresults项目检测项目要求试验方法AC16含水率/%实测0.36RAP级配实测 见图1 RAP沥青含量/%实测JTGF41-2008附录A4.3砂当量/%>5583理论最大密/(g·cm-3)实测2.568针入度/(0.1mm)>2037RAP中的沥青软化点/℃实测JTGE20-201167.710℃延度/cm实测7.3RAP中的粗集料针片状颗粒含量、压碎值实测JTGE42-200524.6

图1　RAP集料级配Figure 1　RAP aggregate gradation

1.3沥青

考虑到RAP老化程度虽然比较严重，但仍满足热拌再生的条件，试验选用高标号沥青调和再生和掺加再生剂复合再生。经初步试验确定再生剂掺量为3%(沥青质量的百分比)，按照lgPmix=algPnew+(1-a)lgPold确定新沥青标号，计算本文所用新沥青为SK90#石油沥青。

1.4硅藻土

硅藻土主要是中世纪时期海底或湖泊中的藻类植物遗骸在复杂条件下通过与软泥固结形成的沉积矿，属于生物成因的硅质沉积岩。硅藻土的主要化学成分是SiO2，同时还有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其中SiO2的含量通常占80%以上，如图2所示，本研究采用的硅藻土呈黄色，粉末状，容量瓶法测量其密度为2.254g/cm3，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，可显著改善沥青混合料的水稳定性。

图2　硅藻土细微观图片

1.5新集料

粗集料选用玄武岩，细集料采用机制砂，经检测集料各项技术指标均满足规范要求。

2掺加硅藻土的温拌再生混合料配合比设计

2.1确定混合料级配

根据RAP筛分试验结果，将RAP中除过旧沥青部分单独作为一种矿料，进行矿料级配调整，混合料合成级配见表2。

表2 AC-16沥青混合料的合成级配Table2 AC-16asphaltsyntheticgrading筛孔尺寸/mm通过率/%规范级配上限下限40%RAP合成级配19100100100.0169010095.613.2769283.89.5608065.74.75346247.82.36204834.61.18133627.50.692617.20.371811.90.155148.70.075486.1

2.2确定最佳沥青用量

按照JTGF41-2008修正马歇尔法确定温拌再生混合料的最佳油石比，假定RAP材料添加到沥青混合料中，旧沥青砂浆层与新沥青或者再生剂100%融合。试验选择RAP掺量为40%，研究硅藻土掺量对温拌再生混合料性能的影响。控制RAP预热温度为120 ℃，以目标空隙率4%确定新集料加热温度为200 ℃，温拌再生混合料拌和温度约为138 ℃，压实温度约为130 ℃，最佳油石表条件下的马歇尔体积指标、力学指标汇总结果如表3所示。

表3 不同硅藻土掺量AC—16温拌再生混合料配合比设计结果Table3 DifferentdosageofAC—16diatomitewarmre-cycledmixtureratiodesignresults硅藻土掺量OAC/%VV/(g·cm-3)VMA/%VFA/%MS/%FL/mm04.344.013.4769.659.83.3474.534.013.7270.8410.43.1794.644.014.1271.6711.13.03114.824.014.3372.0811.72.97134.944.014.4572.319.33.16规范要求—3～6≥13.565～75≥82～4

由表3试验结果可知： 相同RAP掺量下，掺加硅藻土的温拌再生混合料各项马歇尔指标均满足规范要求，温拌再生混合料的最佳油石比随硅藻土掺量的增大而增加，矿料间隙率、沥青饱和度也有类似变化规律，强度指标方面，马歇尔稳定度随硅藻土掺量的增加呈先增大后减小的变化趋势。分析其原因，掺加硅藻土后，硅藻土的吸油特性使得温拌再生混合料集料表面的沥青膜厚增加，沥青饱和度增大，此外硅藻土所具有的特殊微观结构，能吸收沥青的油分，沥青胶浆黏度增大改变了基质沥青的胶体结构，有助于改善温拌再生混合料的力学性能。

3掺加硅藻土的温拌再生混合料路用性能研究

3.1高温稳定性

高温稳定性是温拌再 生混合料的基本指标，其定义 为在高温和车轮荷载作用下，沥青混合料抵抗高温变形的能力，是指沥青混合料在高温荷载作用下抵抗永久变形的能力。按照JTGF40-2004要求采用车辙试验评价不同硅藻土掺量下温拌再生混合料的高温稳定性，车辙试验试件尺寸为300mm×300mm×50mm，试验的温度为60 ℃，轮压为0.7±0.05MPa，试验轮行走速度为42±1次/min，试验结果见表4和图3。

由图3和表4试验结果可知: 相比普通40%RAP掺量的温拌再生混合料，7%、9%、11%、13%硅藻土掺量下60min车辙深度分别降低了25.7%、29.1%、29%、24.1%，车辙试验动稳定度分别增大了27.3%、36.7%、68.8%、58.5%，可见硅藻土的掺加可显著改善温拌再生混合料的高温稳定性，硅藻土掺量为11%时车辙试验动稳定度出现峰值。硅藻土对温拌再生混合料高温抗永久变形能力改善的原因，可做如下解释： ①随着硅藻土的加入，基质

表4 不同硅藻土掺量温拌再生混合料车辙试验结果Table4 differentdosagediatomitewarmrecycledmixturemixtureruttingtestresults硅藻土掺量/%d45min/mmd60min/mmDS/(次·mm-1)123平均值123平均值123平均值02.7482.9342.6382.7733.1102.9023.0173.008157923511663274771.8331.9502.3702.0512.0042.1452.5462.232368432313580349892.0722.0691.7451.9622.2382.2461.9062.1303795355939133756111.8162.2091.9741.9991.9522.3502.1042.1354631443848464638131.9902.1992.1692.1192.1452.3382.3102.2644065453244684355

沥青中沥青质含量和胶质含量明显得到提高，改性后沥青胶团的极性增强，使胶体结构由溶胶型逐步向凝胶型转变，沥青胶浆的高温稳定性增强，高温流变特性得到改善； ②从表面化学角度讲，硅藻土掺入后，以一定尺寸的微粒分布于温拌再生混合料中，通过改性剂掺入及机械共混作用，改变了沥青结晶性组分的存在形式和数量，使各组分的溶融温度发生改变，这不仅是一个共镶共混的过程，也是沥青自身性质的一个完善。

3.2低温抗裂性

采用低温小梁弯曲试验评价不同硅藻土掺量温拌再生混合料的低温抗裂性，小梁试件由车辙板切割而成，试件尺寸为30mm×35mm×250mm，试验温度为-10 ℃，采用单点加载方式，支点间距200mm，加载速率为50mm/min，以破坏应变和单位体积的破坏能指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表5所示。

表5 低温弯曲试验结果Table5 Low-temperaturebendtestresults硅藻土掺量/%弯拉强度/MPa弯拉应变/με劲度模量/MPa单位体积破坏应变能/(kJ·m-3)010.191927.245287.3513.89711.242423.694637.5519.27911.542831.304075.8624.751111.862903.024085.4026.031311.332544.014453.5921.11

表5试验结果表明: 不掺加硅藻土，40%RAP掺量下温拌再生混合料的最大弯拉应变仅为1927.24με，远小于规范冬寒区2300με的要求，可见低温抗裂性能不足是制约厂拌热再生沥青混合料适用性的关键技术指标，相比普通温拌再生混合料，掺加7%硅藻土可使温拌再生混合料的最大弯拉应变提高到2423.69με，提高了25.76%，且随着硅藻土掺量的增大最大弯拉应、单位体积破坏应变能、抗弯拉强度均变呈先增大后减小的变化趋势，掺量为11%时最大弯拉应变出现峰值，峰值弯拉应变达到了2903.02με，满足规范普通沥青混合料破坏应变大于2600με的技术要求。分析硅藻土改善温拌再生混合料低温抗裂性的原因：硅藻土的比表面积大，沥青和矿粉颗粒间的黏合面积大，增强了沥青和硅藻土颗粒之间的机械结合力，从提高温拌再生混合料的柔性，改善低温抗裂性能，随着硅藻土掺量的增大，温拌再生混合料的最佳油石比增大，小梁试件的柔性增强，这也有利于提高低温抗裂性[15]。

3.3水稳定性

国内大量研究结果表明，硅藻土最大的技术优势在于其显著改善了沥青混合料的水稳定性，已有研究成果表明，高RAP掺量温拌再生混合料水稳定性不足是制约其大规模推广应用的技术瓶颈，笔者采用冻融劈裂循环试验研究了不同硅藻土掺量下温拌再生混合料的水稳定性，每次冻融循环按照JTGE20—2011的要求进行，以两组试件劈裂强度平均值的比值，也就是冻融劈裂试验强度比作为评价指标，试验结果见表6和图4所示。

表6 冻融劈裂试验结果Table6 thawsplittingtestresultsMPa冻融循环次数/次硅藻土掺量/%079111301.1371.2031.1211.1271.11610.8121.0711.0931.1041.08320.6320.9340.9650.9730.96330.5240.8930.9120.9430.93240.4310.8240.8450.8730.84350.3560.7190.7830.7920.75460.3130.6420.6730.6920.682

图4　冻融循环试验结果Figure 4　Freeze-thaw cycle test results

由表6和图4试验结果可知: 随着冻融循环次数的增加，温拌再生混合料的劈裂强度呈直线下降，不掺加硅藻土，冻融循环6次后劈裂强度仅为初始劈裂强度的27.5%，7%、9%、11%、13%硅藻土掺量下，经历6次冻融循环后劈裂强度仍大于0.6MPa，为不掺加硅藻土的2倍，可见硅藻土的掺加可显著改善温拌再生混合料的水稳定性。分析硅藻土改善温拌再生混合料水稳定性的改性机理在于其具有丰富的空隙结构，从而具有较大的附着能力和附着强度，提高了沥青胶浆与集料之间的粘附性。

3.4疲劳性能研究

本文采用室内小梁疲劳试验(控制应力)对不同硅藻土掺量下的复合改性沥青混合料疲劳性能进行了研究。参考国内大多采用的研究方法，疲劳试验条件如下：

试件尺寸： 50mm×50mm×250mm

加载波形和频率： 10Hz连续式正弦波；

加载方式：中点加载，有效间距20cm，应力控制方式；

试验温度：15 ℃；

应力水平：0.2、0.3、0.4、0.5应力比。

对不同应力水平对应的疲劳寿命分别取对数进行回归，进而得到回归方程，得出回归方程参数k和n，试验数据处理公式如下：

(1)

式中： Nf为达到破坏是 的重复荷载作用次数；σ0为初始弯拉应力，MPa；K、n为由试验确定的参数。

将上式两边对数值得到：

lgNf=lgK-nlgσ0。

(2)

考虑到沥青混合料本身是不均匀材料，同时试验过程中各个试验条件又有差异，一般试验所得的疲劳寿命离散型很大，为了减小疲劳试验数据误差，本文将疲劳寿命作为一个随机变量，采用Weibull分布概率统计方法对其进行了研究。

Weibull分布的概率密度函数f(n)、累积分布函数以及Pf(n)表达式如下：

(3)

(4)

式中： n为随机变量N的特征值；α为形状参数或在应力σ下Weibull的斜率； n0为位置参数或者应力σ下最小寿命；u为尺度参数。

通常情况下，为了计算和分析方便，最小的寿命n0设为0，所以失效概率Pf(n)表达式变成下式：

Y=αX-β

(5)

试验结果汇总如表7所示,图5。

由疲劳试验结果可知: 随着硅藻土掺量的增加，温拌再生混合料的疲劳曲线K值呈先增大后减小的变化趋势，同时疲劳曲线斜率n值呈先减小后增大的变化趋势，K值越大，疲劳曲线的线位越高[16]，表明随着硅藻土掺量的增大混合料的疲劳寿命提高，n值越小，疲劳曲线越平缓，表明混合料的疲劳寿命对应力水平的变化越不敏感，可见硅藻土的掺加可显著改善温拌再生混合料的抗疲劳性能。分析硅藻土改善温拌再生混合料的改性机理，硅藻土比表面积较大，当硅藻土分布在沥青中时，其巨大的表面积能够形成浸润表面，与沥青充分接触和融合，对集料有更强的粘附力，保证了混合料的整体性，从而提高沥青混合料的疲劳寿命；将硅藻土掺加到混合料中之后，由于其吸附稳定作用，致使混合料

表7 不同失效概率下疲劳方程回归系数Table7 Fatigueequationregressioncoefficientsunderdif-ferentfailureprobability硅藻土掺量/%回归系数Pf(n)0.10.20.30.4K3.1733.3483.4753.5370n2.9862.8272.1892.061R20.9550.9750.9630.977K4.1094.2354.3144.3757n2.6922.6342.6222.594R20.9590.9870.9840.997K4.3494.3954.4104.4469n2.4982.49032.64052.407R20.9660.9790.9790.969K4.9044.8914.8824.87611n2.2772.1242.0282.055R20.9940.9750.9820.989K4.1824.2244.2514.27213n2.4752.5782.6432.692R20.9650.9630.9770.983

图5　不同硅藻土掺量下的疲劳试验参数Figure 5　Fatigue test parameters under different dosage diatomite

的沥青用量增加，从而增强了混合料的柔性，这有利于细裂纹的填隙、弥合作用，弥补了老化沥青与新沥青结合的界面缺陷。

4结论

① 随硅藻土掺量增加，温拌再生混合料的最佳油石比、矿料间隙率、沥青饱和度增大，强度指标方面，马歇尔稳定度随硅藻土掺量的增加呈先增大后减小的变化趋势，采用修正马歇尔法进行温拌再生混合料配合比设计所得到的各项马歇尔指标均满足规范要求。

② 硅藻土的掺加可改善温拌再生混合料的高温稳定性，硅藻土掺量为11%时车辙试验动稳定度出现峰值，掺加11%硅藻土可使温拌再生混合料的低温弯拉应变提高到2903.02με。

③ 掺加硅藻土可显著改善温拌再生混合料的抗冻融循环耐久性以及抗疲劳开裂性能，考虑到硅藻土掺量对温拌再生混合料综合路用性能的影响，推荐最佳硅藻土掺量为11%。

④ 硅藻土对温拌再生混合料的改性机理在于其增强了沥青和硅藻土颗粒之间的机械结合力、提高了沥青胶浆与集料之间的粘附性、弥补了老化沥青与新沥青结合的界面缺陷。

[参考文献]

[1]尹应梅，张荣辉．Evotherm温拌SBR改性沥青高温性能研究[J]．公路工程，2010，35(4)：39-44．

[2]王万平，武和平.掺加车辙王抗车辙剂的沥青混合料试验研究[J].公路工程，2009，34(02)：128-130.

[3]王春.隧道温拌阻燃沥青混合料技术性能研究[D].西安:长安大学，2007.

[4]温拌沥青混合料的长期使用性能[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013.

[5]郭红兵，陈拴发.Aspha-min温拌沥青混合料技术现状与路用性能[J].中外公路，2008，28(2):152-155.

[6]叶奋，王宝松，贾晓阳,等.成型温度对温拌沥青混合料水稳定性的影响[J].建筑材料学报，2009,12(3):302-305,309.2009：03.011.

[7]谢翠玲，张新，苏明，等.温拌沥青混合料水稳定性研究[J].公路交通科技，2011(9)，13-15.2011.09.

[8]纪小平，孙云龙．Sasobit温拌沥青混合料的试验研究[J]．武汉理工大学学报.2010，32(14)：75-78．

[9]李佐山.硅藻土改性沥青混合料路用性能研究[D].长春:吉林大学,2007.

[10]许淳.玻璃纤维-硅藻土复合改性沥青混凝土性能研究[D].长春:吉林大学,2010.

[11]张兴友、谭忆秋、王哲人.硅藻土化学成分对沥青高温性能的影响因素分析[J].公路交通科技，2005，22(6)：18-20.

[12]张国辉，杨立森，刘学民.硅藻土改性沥青混凝土路用性能研究[J].北方交通,2006(6).

[13]房军.硅藻土改性沥青及其混合料低温性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2005.

[14]周卫峰.沥青与集料界面粘附性研究[D].西安:长安大学，2002:32-52.

[15]李静，袁建.沥青混合料低温抗裂性能研究[J].公路交通科技,2005,22(4):9-12.

[16]赵磊.沥青混合料疲劳性能研究[D].重庆:重庆交通大学，2009.

StudytheRoadPerformanceandModificationMechanismofDiatomiteonWarm-recycledAsphaltMixture

HANJuan1，YANGQingying2

(1.ZhengzhouInstituteofTechnology,Zhengzhou,Henan450064，China;2.ShengdaTradeEconomics&ManagementCollegeofZhengzhou，Zhengzhou，Henan451191，China)

[Abstract]In order to improve the low temperature cracking， water stability and other technical defects of warm-recycled asphalt mixture，this article proposed use of diatomite modified warm mix recycled mixtures plan，Research diatomite Recycled content on Warm Mix mixture volume characteristics and mechanical indicators，and then based on the rutting test, beam bending test，freeze-thaw cycle test and fatigue test systems studied the road performance of warm-recycled asphalt mixture under different dosage diatomite ，and reveals the mechanism of diatomite on warm-recycled asphalt mixture. The results show that: with the increasing content of diatomaceous， warm recycled asphalt mixture optimum ratio increases，Adding diatomite can significantly improve the low temperature cracking resistanceand water stability of warm-recycled asphalt mixture，under 11% diatomite dosage warm mix recycled mixture fatigue optimal performance，the Mechanism of diatomite is Increased asphalt film thickness, increase the adhesion between asphalt rubber paste and aggregate, and makes up for the aging of asphalt combined with new asphalt interface defects of warm-recycled asphalt mixture

[Key words]road engineering； diatomite； warm-recycled asphalt mixture； road performance； modification mechanism

[收稿日期]2016-01-11

[作者简介]韩娟(1980-)，女，河南商丘人，硕士，讲师，工程师，研究方向：岩土工程方向。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0223-06