硅藻土改性瀝青膠漿高低溫流變性能試驗(yàn)研究

孟召明

(新疆希爾路橋工程有限公司， 新疆 烏魯木齊　830011)

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硅藻土改性瀝青膠漿高低溫流變性能試驗(yàn)研究

孟召明

(新疆希爾路橋工程有限公司， 新疆 烏魯木齊830011)

摘要：對(duì)老化前后不同硅藻土摻量的硅藻土改性瀝青膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，研究硅藻土改性瀝青膠漿的高低溫流變性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著試驗(yàn)溫度的升高，硅藻土改性瀝青膠漿的高溫性能逐漸降低，老化使瀝青膠漿的高溫性能削弱；隨著硅藻土摻量的增多，瀝青膠漿的相位角逐漸減小，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸增大，瀝青膠漿的高溫性能得到提升。用蠕變勁度評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青膠漿低溫性能時(shí)，硅藻土摻量越多對(duì)低溫性能越不利，而m值隨硅藻土摻量的增大表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，建議用m值評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青膠漿的低溫性能。

關(guān)鍵詞：道路工程； 瀝青膠漿； 硅藻土； 流變性能

0前言

硅藻土作為一種典型的無(wú)機(jī)材料，具有多孔、比表面積大、吸附性強(qiáng)、高熔點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常將其應(yīng)用于瀝青膠漿的改性，能從一定程度上改善瀝青膠漿某方面的性能[1，2]?，F(xiàn)代膠漿理論認(rèn)為，瀝青混合料是一種具有3級(jí)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分散體系，而3級(jí)分散相中膠漿起著粘結(jié)集料和填充孔隙的作用，膠漿性能直接影響著瀝青路面的使用壽命[3-5]。同時(shí)硅藻土改性瀝青膠漿作為一種瀝青材料，具有瀝青材料的一切性質(zhì)，荷載作用下時(shí)刻在進(jìn)行著粘彈性質(zhì)的演變，表現(xiàn)出較強(qiáng)的流變性質(zhì)。對(duì)硅藻改性瀝青膠漿進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)研究，能很好地模擬車輛荷載作用下路面的受力狀況。基于此本文動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，研究不同硅藻土摻量時(shí)瀝青膠漿的高溫流變和低溫流變性能，為硅藻土瀝青膠漿的進(jìn)一步研究提供參考。

1試驗(yàn)

1.1原材料

瀝青選用AS90#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。選用粒徑分別為10 μm和30 μm的兩種硅藻土，為灰白色粉末，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 基質(zhì)瀝青基本技術(shù)指標(biāo)類別針入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)軟化點(diǎn)/℃延度(5cm/min,5℃)/cm閃點(diǎn)/℃RTFOT后質(zhì)量損失/%實(shí)測(cè)值83.043.514.52860.24技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)80～100≥44—≥260.0±0.8

表2 硅藻土的化學(xué)組成%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2K2O燒失量84.605.501.400.620.460.290.684.60

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)

利用Bohlin Gemin Ⅱ型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)定硅藻土改性瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，分別表征硅藻土改性瀝青膠漿的粘性和彈性性質(zhì)，評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青膠漿的動(dòng)態(tài)剪切流變效果。采用車轍因子G*/sinδ表征硅藻土改性瀝青膠漿的抗車轍能力，G*/sinδ越大表示抗車轍能力越強(qiáng)。試驗(yàn)時(shí)采用應(yīng)力控制模式，荷載頻率為10 rad/s，振動(dòng)頻率1.59 Hz。

1.2.2彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

成型尺寸為125 mm×12.5 mm×6.25 mm的標(biāo)準(zhǔn)硅藻土改性瀝青膠漿試件，利用彎曲梁流變儀(BBR)對(duì)其進(jìn)行彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，研究硅藻土改性瀝青膠漿的低溫流變性能。試驗(yàn)時(shí)先對(duì)試件施加100 g荷載，作用時(shí)間1 s，使試件定位。然后卸載，并讓其恢復(fù)20 s，然后施加100 g荷載，保持240 s，用計(jì)算機(jī)記錄瀝青膠漿小梁的撓度，并繪制撓度與時(shí)間的關(guān)系曲線，計(jì)算蠕變勁度和m值。

2原材料試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1高溫流變性能

對(duì)不同硅藻土摻量時(shí)，老化前后瀝青膠漿進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，測(cè)定相位角、復(fù)數(shù)模量和車轍因子，研究硅藻土改性瀝青膠漿的低溫流變性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 硅藻土改性瀝青膠漿DSR試驗(yàn)結(jié)果類別相位角/(°)復(fù)數(shù)模量/kPa車轍因子/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

從表3可以看出，當(dāng)硅藻土摻量相同時(shí)，老化前后硅藻土改性瀝青膠漿的相位角隨溫度的升高而增大，復(fù)數(shù)模量和車轍因子都隨著溫度的升高而降低。當(dāng)溫度由58 ℃升高至70 ℃時(shí)，所有瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量降低了75%左右，車轍因子也降低75%左右，表明和普通瀝青膠漿一樣，硅藻土改性瀝青膠漿也具有較強(qiáng)的溫度敏感性。這是因?yàn)?，瀝青材料為典型的黏-彈-塑性材料，隨著溫度的升高瀝青逐漸軟化，彈性性質(zhì)逐漸降低，粘性流動(dòng)逐漸增強(qiáng)，因此相位角逐漸增大，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸降低。當(dāng)其他條件相同時(shí)，經(jīng)短期老化后硅藻土改性瀝青膠漿的相位角減小，而復(fù)數(shù)模量和車轍因子有所增大，表明老化使硅藻土改性瀝青膠漿的粘性比例下降，彈性比例增加。這是因?yàn)?，老化改變了瀝青組成中各成分的相對(duì)比例，老化使瀝青中飽和芬和芳香芬等輕質(zhì)組分含量降低，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)相對(duì)含量上升，因此抗變形能力增強(qiáng)，表現(xiàn)為硅藻土改性瀝青膠漿相位角的減小，復(fù)數(shù)模量和車轍因子的增大。

當(dāng)溫度相同時(shí)，老化前后隨著硅藻土摻量的增多，瀝青膠漿的相位角逐漸減小，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸增大，58 ℃時(shí)當(dāng)硅藻土摻量由0%增大至10%和14%時(shí)，老化前瀝青膠漿的相位角分別降低了0.76°和0.51°，車轍因子分別升高1.70 kPa和2.04 kPa；老化后瀝青膠漿的相位角分別降低了1.72°和3.97°，車轍因子分別升高0.39 kPa和3.69 kPa。解釋其原因主要為，隨著硅藻土摻量的增多，一方面由瀝青包裹的硅藻土顆粒增多，結(jié)構(gòu)瀝青比例增大，瀝青膠漿硬度、粘度增加；另一方面，硅藻土顆粒會(huì)阻礙瀝青分子的運(yùn)動(dòng)，且摻量越多阻礙作用越明顯，因此隨著硅藻土摻量的增多，瀝青膠漿的抗變形能力逐漸增強(qiáng)，相位角逐漸減小，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸增大。

2.2低溫流變性能

對(duì)不同硅藻土摻量時(shí)，老化前后瀝青膠漿進(jìn)行低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)，研究硅藻土改性瀝青膠漿的低溫流變性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，老化前后硅藻土改性瀝青膠漿的蠕變勁度大于基質(zhì)瀝青，隨著硅藻土摻量的增多，改性瀝青膠漿的蠕變勁度逐漸增大，其中當(dāng)硅藻土摻量在8%～12%之間時(shí)，勁度模量的增長(zhǎng)趨

圖1　硅藻土改性瀝青膠漿BBR試驗(yàn)結(jié)果

勢(shì)較平緩，而當(dāng)硅藻土摻量大于12%時(shí)，蠕變勁度大幅增長(zhǎng)。表明硅藻土的加入使瀝青膠漿變硬變脆，瀝青路面低溫時(shí)更容易出現(xiàn)開(kāi)裂，因此從低溫性能角度考慮，硅藻土摻量不應(yīng)該大于12%。當(dāng)硅藻土摻量相同時(shí)，相比于老化前，老化后瀝青膠漿的蠕變勁度有所增大，瀝青膠漿硬度增大，脆性增強(qiáng)，路面更容易出現(xiàn)低溫開(kāi)裂。

老化前后，硅藻土改性瀝青膠漿的m值隨著硅藻土摻量的增多出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)硅藻土摻量由0%增大至14%時(shí)，老化前瀝青膠漿的m值從0.56變?yōu)?.61，增大了8.9%。m值反映了瀝青膠結(jié)料在溫度應(yīng)力作用下的變形速率，體現(xiàn)了瀝青膠結(jié)料的低溫松弛能力，m值越大表明瀝青膠漿的低溫松弛能力越好，由此表明硅藻土的加入能改善瀝青膠漿的低溫松弛能力。也說(shuō)明用蠕變勁度和m值，評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青膠漿的低溫性能時(shí)的結(jié)果存在差別。相比于蠕變勁度，m值能更好地評(píng)價(jià)瀝青材料的低溫性能[6]，因此建議選用m值評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青膠漿的低溫性能。

3結(jié)論

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀，對(duì)不同硅藻土摻量的硅藻土改性瀝青膠漿的高溫和低溫流變性能展開(kāi)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同條件時(shí)，隨著溫度的升高瀝青膠漿的相位角逐漸增大，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸減小，老化后相位角有所減小，復(fù)數(shù)模量和車轍因子有所增大；隨著硅藻土摻量的增多，瀝青膠漿的相位角逐漸減小，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸增大，高溫性能得到改善。隨著硅藻土摻量的增多，蠕變勁度逐漸增大，其中當(dāng)硅藻土摻量超過(guò)12%時(shí)，蠕變勁度大幅增加，低溫性能急劇降低；m值出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，建議采用m值評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青膠漿的低溫性能。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0053-02

收稿日期:2015-11-16

作者簡(jiǎn)介:孟召明( 1987-) ，男，主要從事路橋工程的施工及管理工作。

中圖分類號(hào)：U 414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B