硅藻土的性質(zhì)及其改性特性分析

李 劍

(黑龍江工程學(xué)院 ，黑龍江 哈爾濱 150001)

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硅藻土的性質(zhì)及其改性特性分析

李 劍

(黑龍江工程學(xué)院 ，黑龍江 哈爾濱 150001)

系統(tǒng)地研究硅藻土改性瀝青的配合比、路用性能、改性機(jī)理、施工工藝，以及如何在高寒地區(qū)進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

硅藻土；改性瀝青；路用性能；高寒地區(qū)

1 硅藻土的基本特點(diǎn)

1.1 硅藻土的物理性質(zhì)

(1)硅藻土顆粒的粒徑

硅藻是以顆粒作為基本單元，而粒徑則是衡量硅藻精土的重要指標(biāo)。不同用途的硅藻土填料，對應(yīng)的顆粒粒徑存在差別。在瀝青混合料中使用的硅藻土，通常情況下是硅藻含量80%以上的硅藻精土，其顆粒粒徑是10～40 μm。由于顆粒粒徑較小，有利于硅藻土與瀝青均勻地混合，分散作用較好，因此硅藻土可以作為增加瀝青路面強(qiáng)度的合格填料。

(2)硅藻細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)

硅藻土是由上、下兩個(gè)硅藻細(xì)胞殼扣和而成，其微觀形式大致可分為兩種形態(tài)：一種是殼面呈輻射對稱形式的圓形，另一種是殼面呈兩側(cè)對稱形式的呈針、線和棒型。通常情況下，硅藻細(xì)胞的外殼壁上含有點(diǎn)紋、線紋和助紋等紋路，一般線紋附近的小孔直徑約為20～100 μm，殼縫尺寸為125 μm左右，硅藻土內(nèi)部的孔隙度達(dá)90%～92%。正是由于硅藻土細(xì)胞內(nèi)部存在大量的空隙，使得硅藻土與瀝青之間擁有較好的粘附性，其使用性能得到保障。

(3)硅藻土的顏色

正常的硅藻土其顏色多為白色、灰色、灰白色或者淺灰褐色等，值得注意的是，其顏色越深，說明硅藻土內(nèi)的雜質(zhì)含量越高。向硅藻土中摻入瀝青之后，硅藻土的顏色將產(chǎn)生變化，使瀝青路面的色調(diào)變得更加柔和。在采用了硅藻土之后，由于其自身多孔結(jié)構(gòu)，瀝青路面將不再油亮，降低了基質(zhì)瀝青反光，汽車的日間行駛變得更加安全。

(4)堆積密度

堆積密度主要是指，在特定條件下單位體積原狀土的重量。對于硅藻土，其堆積密度越大，說明原狀土的質(zhì)量越差，硅藻土質(zhì)量不佳。一般情況下，我國硅藻土的平均堆積密度為0.34～0.65 g/cm2，堆積密度越小越有利于硅藻土將瀝青混合料的微小空隙填充滿。

(5)比表面積

經(jīng)過對建筑材料的研究可知，填料的很多性質(zhì)均與顆粒的比表面積相關(guān)。硅藻土的表面積大約為19～65 m2/g，該數(shù)值的大小一般與藻類種屬有直接關(guān)系，而與顆粒粒徑大小的關(guān)系不大，亦或可以認(rèn)為與硅藻土的粉碎程度相關(guān)度不大。作為多孔填料的硅藻土，其內(nèi)部表面遠(yuǎn)比外部表面大，因此硅藻土的總比表面是由內(nèi)表面積所代表。正因如此，硅藻土擁有了極強(qiáng)的吸附能力以及附著強(qiáng)度，能夠有效地的減小基質(zhì)瀝青的流動(dòng)性，可以提升路面的抗滑指標(biāo)。

(6)硬度

硬度是硅藻土改性瀝青路面在應(yīng)用中的又一優(yōu)勢。一般情況下，不同硬度的填料加入瀝青混合料中會對混合料的強(qiáng)度、耐磨性、延展性以及加工條件產(chǎn)生一系列的影響。硅藻土本身屬于軟質(zhì)填料，常規(guī)狀態(tài)下，硅藻土殼壁莫氏硬度的最低值在4.5～5.5之間，然而當(dāng)添加到熱瀝青中后，在高溫作用下硅藻土的莫氏硬度可提升到5.6～6.0左右。

1.2 硅藻土的化學(xué)性質(zhì)

從化學(xué)成分角度分析，由于硅藻土是一種生物成因的蛋白石，因此在實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行成分測定時(shí)，主要成分包括非晶體的SiO2、Al2O3、Fe2O3，次要成分包括CaO、MgO、K2O、Na2O等等，此外，在成分中還發(fā)現(xiàn)了少量的MnO、TiO2、P2O5等物質(zhì)。

2 硅藻土改性瀝青混合料改性特性分析

2.1 硅藻土與瀝青的相容性

決定改性效果和改性工藝的關(guān)鍵因素，是改性劑與瀝青的相容性。這里所涉及的相容性，可以從不同角度理解。在熱力學(xué)中，相容性主要是指：兩種或兩種以上不同物質(zhì)，以任意比例混合均可以獲得均相物質(zhì)的能力；在物理學(xué)中，相容性是指：兩種物質(zhì)混溶之后，可以形成一個(gè)不發(fā)生分層或者相分離的穩(wěn)定體系。在改性瀝青中，改性劑均勻地分布在基質(zhì)瀝青中，嚴(yán)格意義上講，屬于物理意義上的相容。

硅藻土與瀝青的相容，實(shí)質(zhì)上是一種共混的現(xiàn)象，硅藻土可以與瀝青形成均相物質(zhì)。瀝青與硅藻土在分子量，化學(xué)結(jié)構(gòu)等方面均存在較大差別，因此嚴(yán)格意義上講，二者構(gòu)成熱力學(xué)不相溶體系。改性瀝青恰好利用該性質(zhì)，在不同組分界面相互作用的前提下，瀝青與硅藻土的共混物擁有了其他均相物質(zhì)不具備的性質(zhì)。

2.2 硅藻土與瀝青的分散度

分散度是指，改性劑在瀝青中的分布狀態(tài)及其分散粒子的尺寸。實(shí)踐表明，硅藻土在瀝青中的分散性較好，主要原因是，硅藻土內(nèi)部存在30%～40%相對孤立的“非聚結(jié)”顆粒，在與瀝青接觸的過程中，非聚結(jié)顆粒相互排斥，不發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。因此，選用改性劑重點(diǎn)是要考察其能否在瀝青中均勻分布，不發(fā)生結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象。

在以小劑量摻入硅藻土后，經(jīng)過常規(guī)拌合，硅藻土能夠均勻地分散在瀝青中，經(jīng)過顯微鏡觀測，硅藻土在瀝青中分布均勻，未發(fā)生結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，在不斷增加硅藻土數(shù)量時(shí)，硅藻就會發(fā)生分布不均勻和結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，并產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

2.3 硅藻土與瀝青的吸附性

如前所述，硅藻土自身的比表面積大，吸附性強(qiáng)，而瀝青自身屬于高分子混合物。由于組成瀝青的成分較多、各個(gè)成分間的物理化學(xué)性質(zhì)差別較大，瀝青微觀上表現(xiàn)出性狀不均勻的特性。硅藻土與瀝青的組合，充分發(fā)揮了硅藻土微粒極強(qiáng)的吸附能力的優(yōu)勢，因?yàn)楣柙逋聊軌驅(qū)r青吸附在硅

藻分子的表面，形成機(jī)械鎖力，進(jìn)一步提升組合物的粘度和吸附性。當(dāng)加入集料后，實(shí)現(xiàn)了瀝青路面的強(qiáng)度提升。

由于硅藻土的微粒細(xì)小，根據(jù)能量最低原理，該類材質(zhì)的表面能量極高，體系有自動(dòng)降低表面能的趨勢。通常情況下，該種狀態(tài)可以通過兩種方式完成：一是利用表面積的減小來減小其表面自由能；二是通過吸附周圍結(jié)構(gòu)相近的物質(zhì)來降低自身的表面能。在硅藻土改性瀝青中，由于瀝青成分吸附于硅藻土的面層，形成吸附層，在降低硅藻土顆粒表面能的同時(shí)，提高了改性瀝青的穩(wěn)定性。

此外，不同類型的瀝青對改性劑也具有親和性，我國出產(chǎn)的瀝青芳香烴的含量普遍偏高，而芳香烴易被硅藻土吸附，因此在改性劑選取時(shí)，硅藻土改性效果更為理想。

2.4 硅藻土改性瀝青混合料路用性能的改善特性

(1)硅藻土改性瀝青混合料強(qiáng)度的增加特性；

(2)硅藻土改性瀝青混合料減振性增強(qiáng)的特性；

(3)硅藻土改性瀝青路面安全性能提高的特性；

(4)硅藻土增強(qiáng)改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性的特性；

(5)硅藻土提高改性瀝青混合料高、低溫穩(wěn)定性的特性；

(6)硅藻土可以提高改性瀝青路面防滑能力的特性。

[1] 陳天泉, 張益, 鄧秋紅. 硅藻土改性瀝青掃面電鏡分析[J]. 城市建設(shè)理論研究, 2014, (2):13-15.

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2016-04-12

李劍，講師，研究方向：交通工程。

寒區(qū)道路工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開放課題合同書(黑龍江省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)項(xiàng)目，凍融作用下路面性能穩(wěn)定控制技術(shù)研究，項(xiàng)目編號：H0RF-12-06。

U416.1

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1008-3383(2016)08-0019-02