高温多雨区硅藻土SBS复合改性沥青混合料路用性能及改性机理

张智涌， 双学珍

(四川水利职业技术学院， 四川 成都 611231)



高温多雨区硅藻土SBS复合改性沥青混合料路用性能及改性机理

张智涌， 双学珍

(四川水利职业技术学院， 四川 成都 611231)

为了研究硅藻土作为填料型沥青改性剂用于高温多雨区的技术可行性，提出采用硅藻土等量替代矿粉与SBS改性剂进行复配，并基于车辙、低温弯曲、冻融劈裂和四分点加载疲劳试验系统研究了硅藻土SBS改性沥青混合料的路用性能，同时揭示了硅藻土对SBS改性沥青混合料的改性机理。试验结果表明，硅藻土等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料在水温耦合作用下的抗车辙能力大幅度提高，同时混合料水稳定性和低温抗裂性显著提高，硅藻土SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达50%，用硅藻土等量替代矿粉作为SBS沥青混合料的改性剂是可行的。硅藻土对SBS改性沥青混合料的改性机理在于，提高了沥青与集料之间粘附性和握裹力。

路面工程； 硅藻土； 高温多雨地区； 改性沥青混合料； 路用性能； 改性机理

0 前言

近年来我国沥青路面无论在建设标准、规模和技术水平各个方面都取得了举世瞩目的成就，但在复杂多变的自然条件和超载重载交通的综合作用下，沥青路面也出现了不同形式的病害，如高温车辙、低温开裂以及水损坏等，尤其是寒冷地区和高温多雨区病害尤为突出[1-3]。国内大量工程实践证明，但对于高温多雨地区来说，道路环境通常要经历超过60 ℃的环境温度，加之水和超载，现有的改性技术很难满足上述高温多雨地区沥青混合料路用性能的要求。为了解决高温多雨区沥青路面水稳定性和车辙等早期病害，国内一方面开展了复合改性沥青材料的相关研究，如橡胶/SBS复合改性沥青，硅藻土纤维复合改性、胶粉和PE复合改性、岩沥青与BRA复合改性、复合纤维改性沥青混合料等[4-7]，另一方面通过优化沥青混合料矿料级配，如采用“S”型级配和间断级配SMA沥青玛蹄脂碎石混合料。这两种方法均并取得了一定成效。

随着矿物材料技术的发展，一些粉体矿物材料在沥青混合料中的应用已从单一的结构填充拓展到功能增强，起到了改性剂的作用。如硅藻土、炭黑、硫磺等矿物填料，但由于受矿物添加剂纯洁度、材料来源、经济效益等方面的原因，没有得到大规模的推广应用[8-11]。硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩材料，主要由硅藻(一种单细胞的水生藻类)遗骸和软泥固结而成的沉积矿物，在我国的储量大约有10亿t。硅藻土主要成分含Al2O3、Fe2O3、CaO等，具有孔结构多、表面吸附能力强等特点。研究表明，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，尤其是显著改善了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。目前国内鲜见关于将硅藻土改性沥青混凝土用于南方湿热地区道路工程方面的研究报道，以至于硅藻土能否替代矿粉作为沥青混合料的改性剂以及其改性效果等问题仍处于探索阶段，本文研究硅藻土作为填料型改性剂改性沥青的技术可行性，研发了硅藻土作为新型沥青改性剂，提出采用硅藻土等量替代矿粉，以期提高沥青路面使用寿命，实现绿色、循环、低碳的公路建设目标。

1 原材料

为了使研究成果具有代表性，本文选用了四种不同产地的硅藻土，其产地分别为吉林长白(硅藻土Ⅰ)、云南先锋(硅藻土Ⅱ)、吉林临江(硅藻土Ⅲ)、四川自贡(硅藻土Ⅳ)，相比石灰岩矿粉，硅藻土的总体粒度小于矿粉，比表面积最大为矿粉的34倍多，试验所用的4种硅藻土常规性能检测结果见表1。选用我国北方常用的SBS改性沥青(I-C)，经检测SBS改性沥青各项技术指标均满足规范要求，试验选用的粗集料为辉绿岩，细集料为机制砂，矿粉由石灰岩磨制而成，集料和矿粉各项技术指标均满足规范要求。

表1 硅藻土各项技术指标Table1 Diatomitetechnicalindicatorstest产地SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO堆密度/(g·cm-3)比表面积/(g·m-2)粒径/μm种属吉林长白64.715.213.24.41.20.4536.616.1直链澡云南先锋72.113.59.53.21.70.5034.714.2小环藻吉林临江83.36.735.11.11.10.4437.215.5冠盘藻四川自贡81.29.123.22.751.70.4236.716.8脆杆藻

2 硅藻土SBS复合改性沥青混合料配合比设计

为了进一步发挥胶浆的性能，确定混合料合成级配时增大了0.075～1.18 mm筛孔档细集料用量，以增大硅藻土沥青胶浆比例，根据集料筛分试验结果试验采用“S”型混合料合成级配见表2。按照现行施工规范要求，以马歇尔法确定硅藻土SBS改性沥青混合料的最佳沥青用量，试验时根据合成级配的要求逐档添加筛分档的集料，按照矿粉质量百分比采用硅藻土等量替代矿粉，成型马歇尔试件时控制矿料加热温度为190 ℃，沥青混合料拌合温度175 ℃，马歇尔试件击实温度165 ℃，最佳沥青用量条件下的马歇尔试件物理指标、力学指标的测定，得出马歇尔试验结果见表3。

表2 AC-16混合料级配Table2 AC-16mixturegradation级配通过下列尺寸(mm)的百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配上限1009076603420139754级配下限10010092806248362618148合成级配1009685.669.949.034.225.616.911.49.07.6

表3 硅藻土SBS改性沥青混合料马歇尔试验结果Table3 DiatomiteSBSmodifiedasphaltmixtureMarshalltestresults填料类型OAC/%VMA/%VV/%VFA/%MS/kNFL/mm石灰岩矿粉4.6415.364.073.9611.353.6硅藻土Ⅰ5.3215.144.073.5812.163.5硅藻土Ⅱ5.1415.194.073.6712.233.7硅藻土Ⅲ5.6615.104.073.5111.963.4硅藻土Ⅳ5.3515.224.073.7212.353.3

配合比设计结果表明：采用硅藻土等量替代矿粉后，复合改性沥青混合料的最佳油石比增大约1%，4种类型的硅藻土SBS改性沥青混合料马歇尔稳定度均大于SBS改性沥青混合料，而矿料间隙率、空隙率、沥青饱和度等体积指标与SBS改性沥青混合料无异。

3 硅藻土SBS复合改性沥青混合料路用性能

3.1 高温稳定性

高温稳定性是在高温、反复车轮荷载作用下，沥青混合料抵抗永久变形的能力。由于湿热地区沥青混合料的抗变形能力很大程度上受水和环境温度的影响，本文采用浸水汉堡车辙试验评价硅藻土SBS改性沥青混合料在谁温耦合作用下的抗车辙变形能力。参考已有研究成果，浸水汉堡车辙试验温度为50 ℃，试验轮标准荷载705 N，试验轮行走速率为52次/min。如图1所示，采用剥落次数、剥落速率、最终车辙深度、车辙变化率、破坏次数综合评价不同硅藻土SBS改性沥青混合料在高温-水耦合作用下性能的优劣，试验结果见表4。

表4试验结果表明：相同试验条件下，与SBS改性沥青混合料相比，硅藻土等量替代矿粉后SBS改性沥青混合料抗剥落次数增大、剥落速率增大、车辙深度减小、车辙变化率减小，破坏次数增大，可见硅藻土SBS改性沥青混合料在水温耦合作用下的看不过永久变形能力增强。综合考虑汉堡车辙试验各项指标，浸水条件下的抗车辙能力依次是硅藻土Ⅱ>硅藻土Ⅲ>硅藻土Ⅰ>硅藻土Ⅳ。分析其主要原因，硅藻土的加入改变了SBS改性沥青的胶体结构，使得沥青混合料中沥青的粘度变大，从而提高了混合料的高温稳定性；此外，硅藻土中的过渡金属元素阳离子与沥青中的极性官能团发生反应生成配位络合物，活性氧化物Na2O和K2O的存在有利于硅藻土与沥青酸和沥青酸酐发生酸碱反应以及硅藻土反应，改善了SBS改性沥青的温度敏感性，此外硅藻土比表面积较大，提高了集料与沥青胶浆之间的粘附性，混合料整体性提高。

图1 浸水汉堡车辙试验标准曲线Figure 1 Flooding Hamburg rutting test standard curve

表4 浸水汉堡车辙试验结果Table4 MarshallHamburgruttingtestresults填料类型试验评价指标剥落次数/次剥落速率/(次·mm-1)车辙深度/mm车辙变化率/(mm·(103次)-1)破坏次数/次石灰岩矿粉1416453619.481.04816509硅藻土Ⅰ1789085412.640.75920000硅藻土Ⅱ1899088911.240.65420000硅藻土Ⅲ1818081013.980.73820000硅藻土Ⅳ1600072214.660.79620000

3.2 低温抗裂性

低温开裂是我国沥青混凝土路面主要的破坏形式之一，严重影响了道路的使用寿命和行车舒适性，按照现行施工规范要求以低温小梁弯曲试验评价硅藻土SBS复合改性沥青混合料的低温抗裂性。试验时根据JTG E20—2011中的要求成型车辙板，切割为30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件，试验温度为-10 ℃，试验时采用单点加载方式，支点间距为200 mm，加载速率为50 mm/min，一组3平行试件，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果如表4所示。不同类型硅藻土SBS改性沥青混合料低温抗裂性试验结果见表5所示。

表5 硅藻土SBS改性沥青混合料低温弯曲试验结果Table5 DiatomiteSBSmodifiedasphaltmixturelow-temperaturebendingresults填料类型抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa石灰岩矿粉12.053435.973492.46硅藻土Ⅰ12.603773.573339.01硅藻土Ⅱ13.173905.683372.01硅藻土Ⅲ12.793867.073307.41硅藻土Ⅳ12.864164.763087.81

由表5试验结果可知：相比SBS改性沥青混合料，采用硅藻土等量替代矿粉后四种复合改性沥青混合料的抗弯拉强度普遍增大4.6%～9.2%，低温弯拉应变指标明显大于SBS改性沥青混合料，尤其掺加硅藻土Ⅳ号后复合改性沥青混合料低温弯曲指标提高幅度达21%，可见采用硅藻土与SBS复合改性方案可显著提高沥青混合料的低温抗裂性。分析硅藻土对SBS改性沥青混合料的低温抗裂性的影响： ①相比矿粉颗粒，硅藻土的比表面积较大，对沥青的吸附能力强，增加了复合改性沥青混合料的沥青膜厚，混合料柔性提高，且硅藻土颗粒表面粗糙，有许多凸起的粒子，并形成间隙孔隙，具有活性吸附能力的内孔隙结构，有利于沥青分子进入，在外力作用下，硅藻土内部的空隙对自由沥青起到缓冲作用，使混合料内部的沥青油膜处于比较稳定的状态； ②SEM图像显示，硅藻土颗粒表面存在褶皱和突起，使硅藻土表面充分润湿，填料表面构造是影响润湿性的重要因素，填料表面越粗糙，沥青在其表面的润湿效果就越好，硅藻土的加入提高了沥青与集料之间粘附性和握裹力，克服了结构沥青和集料颗粒之间的错位与滑移，将颗粒产生的单轴应力转移到其它基体上，同时均匀分散的硅藻土在裂尖处起到了锚固和桥接作用，延缓裂缝的产生，约束裂纹的扩展，增加沥青混凝土的整体性。

3.3 水稳定性

现行规范要求采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔和冻融劈裂试验方法严格按照现行公路沥青及沥青混合料试验规程执行，水稳定性试验结果见表6。

表6 硅藻土SBS改性沥青混合料水稳定性试验结果Table6 DiatomiteandSBSmodifiedasphaltmixturewaterstabilitytestresults填料类型冻融劈裂试验浸水马歇尔试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%石灰岩矿粉11.7510.6790.81.2391.06986.3硅藻土Ⅰ号12.2611.3292.31.2791.13188.4硅藻土Ⅱ号12.4311.6593.71.2861.16690.7硅藻土Ⅲ号11.9611.3094.51.2641.15591.4硅藻土Ⅳ号12.6512.2696.91.2991.22594.3

表6试验结果表明：硅藻土等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的浸水前后劈裂强度和马歇尔稳定度均明显增大，四种硅藻土SBS改性混合料浸水马歇尔残留强度比和冻融劈裂强度均大于90%，满足规范浸水马歇尔残留稳定度大于85%、冻融劈裂试验残留强度比大于85%的要求，可见硅藻土SBS改性沥青混合料具有优良的水稳定性。此外，冻融劈裂强度比和残留稳定度两个评价指标均高于SBS改性沥青混合料，不同种类硅藻土对SBS改性沥青混合料水稳定性的改善程度略有差异，但总体而言，硅藻土可改善沥青混合料的水稳定性。

3.4 硅藻土SBS改性沥青混合料疲劳性能

研究表明，在应变控制疲劳试验过程中，沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况，沥青层底拉应变也是计算路面结构厚度的重要控制指标之一。本文采用四分点控制应变疲劳试验研究硅藻土SBS改性混合料的抗疲劳耐久性。疲劳试件由400 mm×300 mm×100 mm车辙板切割而成，试件尺寸为400 mm×50 mm×63 mm，试验温度为15 ℃，采用控制应变加载模式，应变水平为300、400、500 με，疲劳试验在UTM液压疲劳机上进行，试验结果见表7，疲劳试验拟合方程见图2。

表7 硅藻土SBS改性沥青混合料疲劳试验结果Table7 DiatomiteandSBSmodifiedasphaltmixturefa-tiguetestresults应变水平/με混合料类型石灰岩矿粉硅藻土Ⅰ号30098748712091894006144658797645002330944895混合料类型硅藻土Ⅱ号硅藻土Ⅲ号硅藻土Ⅳ号130704411045071504687961676876636890977478664539749076

图2 硅藻土SBS改性沥青混合料双对数疲劳方程拟合图Figure 2 Diatomite and SBS modified asphalt mixture double logarithm fatigue equation

表7及图2试验结果表明：硅藻土等量替代矿粉后，硅藻土与SBS复合改性沥青混合料的疲劳曲线双对数拟合曲线截距K增大，曲线斜率n值减小，表明硅藻土改善了SBS改性沥青混合料的抗疲劳性能，同时降低了混合料疲劳寿命对应力水平的敏感性。此外与SBS改性沥青混凝土相比，硅藻土SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达50%，具有良好的抗疲劳特性。

4 试验路铺筑

本课题依托2012年广深沿江高速公路(S32)路面工程四合同段，试验段全长共12.247 km。采用全封闭、四车道高速公路标准，设计行车速度为120 km/h，主线整体式路基宽24.5 m，分离式路基宽12.25 m。进行了长白硅藻土等量替代矿粉对上面层采用4 cm硅藻土SBS改性沥青混凝土AC-13C铺设，中面层采用6 cm厚硅藻土SBS改性沥青混凝土AC-20C，下面层采用12 cm沥青稳定碎石ATB-25。工程实践证明，采用硅藻土等量替代矿粉，硅藻土SBS改性沥青混合料的生产不需要对传统的拌合楼进行改造，施工完成后现场压实度、平整度等各项指标均符合设计要求，通过长达3 a的试验路检测该法有效地减少了沥青路面的早期破坏，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好，可见采用硅藻土SBS改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命，经济、社会效益显著，在南方湿热地区推广应用前景广阔。

5 结论

① 通过系统的研究和试验路使用性能检测研究，证明了采用硅藻土等量替代矿粉作为沥青混合料的改性剂用于高温对于区是合理可行的。

② 硅藻土等量替代矿粉可显著改善SBS改性沥青混合料在水温耦合作用下的抗车辙能力，相比普通SBS改性沥青混合料，硅藻土等量替代矿粉后SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度普遍增大4.6%～9.2%，低温弯拉应变指标明显大于SBS改性沥青混合料。

③ 硅藻土等量替代矿粉后，SBS改性沥青混合料的浸水前后劈裂强度和马歇尔稳定度均明显增大，冻融劈裂强度比和残留稳定度两个评价指标均高于SBS改性沥青混合料，硅藻土可改善SBS改性沥青混合料的水稳定性；硅藻土SBS复合改性沥青混合料各应力水平下的疲劳寿命均高于普通SBS改性沥青混合料，疲劳寿命的提高幅度达50%，采用硅藻土等量替代矿粉技术降低了混合料疲劳寿命对应力水平的敏感性。

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Study on Diatomite and SBS Composite Modified Asphalt Mixture Road Performance and Modification Mechanism in High Temperature and Rainy Regions

ZHANG Zhiyong， SHUANG Xuezhen

(SiChuan Water Conservancy Vocational College， Chengdu， Sichuan 611231， China)

in order to study the diatomite as filler type asphalt modifier used for high temperature high temperature and rainy regions the technical feasibility of using diatomaceous earth equivalent substitute mineral powder with SBS modifier for distribution，and based on rutting，low temperature bending，freeze-thaw splitting and four point load fatigue test system studied diatomite road of SBS modified asphalt mixture is，at the same time reveals the diatomite modification mechanism of SBS modified asphalt mixture.Experimental results show that the diatomaceous earth equivalent substitute mineral powder，SBS modified asphalt mixture under the coupled action of water temperature anti-rutting ability increased significantly，the mixture water stability and low temperature crack resistance increased significantly，diatomite SBS composite modified asphalt mixture fatigue life under different stress level are higher than common SBS modified asphalt mixture，the fatigue life of increase rate of 50%，use diatomite amount instead of mineral powder as SBS modifier of asphalt mixture is feasible.Diatomite modified mechanism of SBS modified asphalt mixture is，increase the adhesion between asphalt and aggregate and grip.

road engineering； high temperature and rainy regions； diatomite； modified asphalt mixture； road performance； modification mechanism

2016 — 04 — 22

国家自然科学基金项目(513080091)；交通部科学技术研究发展计划项目(2013KJG008276)

张智涌(1964 — )，男，重庆人，副教授，研究方向：水利水电工程施工与管理。

U 416.217

A

1674 — 0610(2016)05 — 0062 — 04