活性硅改性對瀝青及混合料高溫性能的影響

黃晚清, 游 宏, 劉 靜

(1.四川省交通運輸廳 交通勘察設(shè)計研究院， 四川 成都 610017； 2.四川南渝高速公路有限公司， 四川 南充 637000)

活性硅改性對瀝青及混合料高溫性能的影響

黃晚清1, 游 宏1, 劉 靜2

(1.四川省交通運輸廳 交通勘察設(shè)計研究院， 四川 成都 610017； 2.四川南渝高速公路有限公司， 四川 南充 637000)

研究了活性硅瀝青的基本指標和高溫流變性能，通過AC-13C混合料的車轍試驗，研究了活性硅對不同瀝青的改性效果和不同礦粉替代量對瀝青混合料高溫性能的影響.結(jié)果表明：活性硅可顯著提高瀝青的軟化點和黏度；活性硅可將普通70號瀝青的高溫等級由64 ℃提高至70 ℃；對不同瀝青，活性硅對混合料高溫性能改性效果不同；活性硅改性劑兼有填料作用，但隨著替代礦粉量的增加，動穩(wěn)定度逐漸降低，當13%活性硅替代40%礦粉時，動穩(wěn)定度與不摻活性硅相當.

活性硅；活性硅改性瀝青；高溫流變；瀝青混合料；動穩(wěn)定度

0 引 言

硅藻土因其空隙度高、比表面積大、吸附性強等特性能顯著提高瀝青混合料的路用性能，且價格低廉，近年來得到不少學者的關(guān)注，也在道路工程中得到了越來越多的應用[1].例如，李曉民等[2]分析了硅藻土改性瀝青膠漿的動態(tài)黏彈性特征，表明硅藻土能顯著提高瀝青膠漿的高溫性能，陳衛(wèi)峰等[3]的研究表明復合硅藻土改性劑能改善瀝青混合料的高溫抗車轍、抗水損害能力，提高耐久性.事實上，不同產(chǎn)地、工藝生產(chǎn)的硅藻土改性效果差異較大，使用前需進行大量的試驗分析.本研究以四川地區(qū)的活性硅為研究對象，聚焦目前瀝青混合料最為突出的高溫性能，通過室內(nèi)試驗研究了活性硅摻量對瀝青基本指標的影響規(guī)律，并與摻加礦粉的瀝青膠漿進行了對比；采用動態(tài)剪切流變試驗儀測試了活性硅瀝青的G*/sinα指標值，研究其高溫流變性能；以細粒式AC-13C礦料級配研究了活性硅對不同瀝青的改性效果和不同礦粉替代量對高溫性能的影響.

1 活性硅技術(shù)指標

試驗采用的活性硅級配篩分(水洗法)結(jié)果如表1所示，其顆粒粒徑大小幾乎均在0.075 mm以下，級配比礦粉更細，比表面積更大，其他技術(shù)指標如表2所示.

表1 活性硅顆粒級配

硅藻土水洗法通過各篩孔(mm)的質(zhì)量百分率(%)0．60．30．150．07510010099．899．7

表2 活性硅技術(shù)指標

2 不同活性硅摻量的瀝青膠漿性能試驗

2.1 不同活性硅摻量的瀝青膠漿常規(guī)指標試驗

為研究活性硅對瀝青混合料性能的影響，試驗以70號道路石油瀝青對象，測定了不同活性硅摻量下(活性硅占瀝青質(zhì)量的10%～16%)，瀝青膠漿的針入度、軟化點、延度以及黏附性和旋轉(zhuǎn)黏度等技術(shù)指標.

室內(nèi)試驗中，活性硅改性瀝青的添加工藝為：先將瀝青在155 ℃烘箱中加熱直至充分流動，同時將活性硅在110 ℃烘箱加熱2 h以上，按摻配比例將活性硅加入瀝青中，并在不小于160 ℃溫度下用玻璃棒迅速攪拌直至均勻，攪拌時間不小于30 min，并且將混入瀝青的氣泡完全排除，測定結(jié)果見表3.

由表3數(shù)據(jù)可知，活性硅的摻入，較顯著地提高了瀝青膠漿的高溫性能，表現(xiàn)為針入度減小，軟化點提高，布氏黏度提高.具體為：當活性硅摻量為13%

表3 不同摻量活性硅瀝青膠漿技術(shù)指標測定結(jié)果

時，25 ℃針入度由66.87(0.1 mm)降至55.13(0.1 mm)，降低約12(0.1 mm)，軟化點由47.45 ℃提高至51.00 ℃，提高約4 ℃，布氏黏度由0.48 pa.s提高至0.70 pa.s，提高約0.28 pa.s.應該指出的是，摻加活性硅后，瀝青膠漿的延度呈現(xiàn)較大幅度的降低，但并不能由此判斷為，活性硅的摻入會降低瀝青混合料的低溫性能.這主要與延度的測試方法有關(guān)，即摻入活性硅后，瀝青膠漿試驗極易在硅顆粒與瀝青的界面處發(fā)生拉伸破壞，從而降低其延度測試值.張志清等[4]的研究表明，摻入硅藻土后，瀝青膠漿延度大幅降低，但瀝青混合料的低溫性能反而提高.本試驗主要研究活性硅對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，故沒有進行混合料低溫試驗的研究.此外，摻加活性硅后，瀝青膠漿與石料的黏附性有一定程度的提高，表明活性硅能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性.

相關(guān)研究表明，礦粉對瀝青的指標有一定影響，為便于對比，試驗測試了不同礦粉摻量的瀝青膠漿針入度、軟化點等技術(shù)指標，測定結(jié)果見表4.

表4 不同礦粉摻量瀝青膠漿技術(shù)指標測定結(jié)果

由表4的數(shù)據(jù)可知，在瀝青中摻加礦粉后，瀝青膠漿的針入度和軟化點變化很小.當?shù)V粉摻量達到30%，25 ℃的針對度僅降低了約0.6(0.1 mm)，軟化點提高約0.8 ℃；當?shù)V粉的摻量達到60%后，瀝青膠漿的測試指標才出現(xiàn)較為明顯的變化.10 ℃的延度變化相對較大，摻加30%的礦粉，延度降低了約9 cm.瀝青膠漿延度降低的原因與摻入活性硅相類似.

對比表3和表4的數(shù)據(jù)結(jié)果可知：礦粉摻量為30%時，瀝青膠漿的高溫性能測試指標雖有一定的提高，但影響很??；當?shù)V粉達到60%及以上時，瀝青膠漿的高溫性能測試指標才有較大幅度的提高；當活性硅摻量為13%時，瀝青膠漿的高溫性能測試指標則出現(xiàn)較大幅度的提高.測試結(jié)果表明，活性硅對瀝青高溫指標的改善遠遠超出礦粉.因此，在瀝青混合料設(shè)計時，活性硅不能簡單當作填料處理，就其作用而言，更適宜作為瀝青改性劑，該結(jié)論與相關(guān)的研究結(jié)果相吻合[5].

2.2 活性硅瀝青膠漿高溫性能試驗

試驗采用動態(tài)剪切流變試驗儀測試瀝青膠結(jié)料抗永久變形能力，并以G*/sinα來表征.在最高路面設(shè)計溫度下，其值越大，表示瀝青的流動變形越小，越有利于抵抗車轍的產(chǎn)生.同時，采用AR1500ex動態(tài)剪切流變儀測試70號瀝青和摻加13%活性硅后瀝青膠漿的原樣瀝青及短期老化后的高溫性能，試驗結(jié)果見表5.

表5 活性硅瀝青高溫性能試驗結(jié)果

由表5知，從G*/sinα指標看，無論是原樣膠結(jié)料試樣還是短期老化后試樣，摻加13%活性硅后的相同試驗溫度下的指標值均有較大幅度的提高，以短期老化試驗為例，64 ℃的G*/sinα值由3.254提高至6.605.從PG高溫等級看，該70號瀝青的高溫等級為64 ℃，即可用于64 ℃的路面最高設(shè)計溫度，但摻加13%的活性硅后，高溫等級提高至70 ℃，即可用于70 ℃的路面最高設(shè)計溫度，高溫等級由64 ℃提高至70 ℃，提高了一個等級.從失效溫度(G*/sinα=1.0時的溫度)看，該70號瀝青的失效溫度為67.33 ℃，摻加13%的活性硅后，失效溫度提高至73.09 ℃，失效溫度提高了近6 ℃.總之，摻加13%活性硅后，瀝青膠漿的高溫性能大幅提高，主要原因是活性硅空隙度高，吸附性強，盤狀顆粒中間孔隙少而大，且有許多圓柱狀的突起，“盤面”上孔隙非常發(fā)達，孔隙細而密，活性硅吸附瀝青中的輕質(zhì)成分，在活性硅表面形成結(jié)構(gòu)瀝青，從而減少了高溫流動變形.

3 活性硅瀝青混合料高溫性試驗

3.1 試驗材料及礦料級配

試驗所用粗集料采用成都市雙流區(qū)卵石軋制碎石，細集料為粗集料加工過程中過2.36 mm篩的篩下部分，粗、細集料測試指標均滿足現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范要求.礦粉由資中地區(qū)石灰?guī)r碎石磨細而成，技術(shù)指標見表6.根據(jù)工程經(jīng)驗，選定AC-13C礦料級配(見表7)，所有試驗均采用相同的材料和礦料級配.

表6 礦粉實測技術(shù)指標

表7 AC-13C礦料級配組成

3.2 替代礦粉對高溫性能影響

活性硅主要為硅質(zhì)礦物，粒度比礦粉還小，且顆粒表面孔隙發(fā)達，與瀝青間吸附作用更強，因此可以作為瀝青混合料的優(yōu)質(zhì)填料使用.工程實踐中，在活性硅改性瀝青混合料設(shè)計過程中，通常以活性硅等量替代礦粉.對此，不少學者對這種等量替代的方法進行了相關(guān)研究，并取得了一些試驗結(jié)果[7-8].本試驗采用上述礦料組成級配和70號道路石油瀝青，進行了活性硅摻量為0%、13%(等量替代13%的礦粉)和13%(替代40%的礦粉)混合料動穩(wěn)定度試驗，結(jié)果如圖1所示.同時，考慮到不同瀝青膠結(jié)料會影響活性硅瀝青混合料的改性效果[9]，以SBS改性瀝青為膠結(jié)料進行了摻量為0%和13%(等量替代13%的礦粉)，結(jié)果如圖2所示.此外，活性硅對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有良好的改善作用，因此，將活性硅作為瀝青改性外摻劑而不改變礦粉用量進行高溫車轍試驗，結(jié)果如圖3所示.為便于比較，同時列入了摻加13%活性硅替代13%礦粉的試驗結(jié)果.

由圖1可知，普通70號瀝青混合料AC-13C的動穩(wěn)定度為1 427次/mm，以13%的活性硅并替代13%的礦粉后，AC-13C的動穩(wěn)定度為2 029次/mm，動穩(wěn)定度提高約600次/mm，提高幅度約42%；以13%活性硅替代40%礦粉，動穩(wěn)定度為1 454次/mm，與不摻加活性硅AC-13C的動穩(wěn)定度基本相同.

圖1 活性硅替代礦粉對70號瀝青混合料高溫性能影響

圖2 活性硅替代礦粉對SBS改性瀝青混合料高溫性能影響

圖3 活性硅替代礦粉對70號瀝青混合料高溫性能影響

由圖2可知，SBS改性瀝青混合料AC-13C的動穩(wěn)定度為5 763次/mm，60 min的位移為1.721 mm，以13%的活性硅并替代13%的礦粉后，AC-13C的動穩(wěn)定度為6 531次/mm，60 min的位移為1.511 mm，動穩(wěn)定度提高約13%，位移減小約12%.

由圖3可知，摻加13%活性硅不改變礦粉用量，70號瀝青混合料AC-13C的動穩(wěn)定度為2 324次/mm，相對于不摻加活性硅和摻加13%活性硅并等量替代礦粉混合料AC-13C分別提高約900次/mm和300次/mm，提高幅度分別約63%和15%.

3.3 分析與討論

1)以活性硅替代等量礦粉可較大幅度提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，表明活性硅不僅可作為瀝青混合料的優(yōu)質(zhì)填料，還可作為改性劑提高混合料的高溫穩(wěn)定性.主要原因是活性硅顆粒富含孔隙，且表面具有豐富的突起構(gòu)造，與瀝青間有很強吸附作用，可形成更強的結(jié)構(gòu)瀝青，從而提高瀝青混合料的強度，減少了瀝青混合料的高溫變形.

2)對不同瀝青而言，活性硅等量替代礦粉的改性效果不同.本試驗條件下，對普通70號和SBS改性瀝青混合料動穩(wěn)定度的分別提高了600次/mm和770次/mm，提高幅度分別為42%和12%，主要可能因活性硅與瀝青間吸附作用大小差異所致.

3)盡管活性硅可作改性劑同時可兼作填料，但替代礦粉應適量，否則會導致高溫穩(wěn)定性降低.就本試驗而言，13%的活性硅替代40%的礦粉時普通瀝青混合料的動穩(wěn)定度與不摻加活性硅的相當.主要原因為替代過多礦粉會導致混合料的填料不足，增加混合料的空隙率，降低混合料的強度和高溫穩(wěn)定性，這一降低作用會削弱或抵消活性硅改性劑對高溫性能的提高作用.在工程實踐中，建議活性硅不替代礦粉，僅作改性劑使用.

4)試驗結(jié)果再次表明，活性硅可作為改性劑提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；單純作為改性劑不改變礦粉用量相對等量替代礦粉下的動穩(wěn)定度更高，主要原因是活性硅作為改性劑在增強與瀝青間吸附作用的同時兼作填料，降低了混合料的空隙率.

4 活性硅瀝青混合料配合比設(shè)計建議

目前，活性硅瀝青混合料的配合比設(shè)計通常采用等量替代礦粉法，即配合比設(shè)計過程中不考慮活性硅的影響，在選定混合料的級配并確定最佳瀝青用量后，以摻加一定量的活性硅，一般為瀝青質(zhì)量的13%，并等量替代礦粉的瀝青混合料進行性能試驗.配合比設(shè)計過程中，將活性硅當作填料且完全等同礦粉，忽略活性硅等量替代礦粉后對最佳瀝青用量的影響.理論上，活性硅由于顆粒粒徑更小，比表面積更大，富含孔隙且表面含有豐富的突起構(gòu)造，用作填料時應該比礦粉需要更大的油石比.由于活性硅摻量較小，假定瀝青用量5%，以瀝青質(zhì)量的13%計，則活性硅用量為混合料的0.65%，這么小的摻量采用等量替代礦粉法進行配合比設(shè)計，對工程實踐不會產(chǎn)生較大的偏差.

本試驗結(jié)果表明，活性硅可作為瀝青混合料的優(yōu)質(zhì)填料，但更適宜作為瀝青改性劑.基于此，活性硅改性瀝青混合料的配合比設(shè)計可采取2種方法：

1)濕法.即將活性硅與瀝青混合制備活性硅改性瀝青，然后以活性硅改性瀝青為膠結(jié)料，依照通常瀝青混合料配合比設(shè)計過程進行相應的最佳瀝青用量確定與性能驗證等試驗.

2)干法.在混合料拌和過程中將活性硅當外摻改性劑加入，并依照通常瀝青混合料配合比設(shè)計過程進行相應的最佳瀝青用量確定與性能驗證等試驗.

從上述配合比設(shè)計過程看，無論是濕法還是干法，均將活性硅當作瀝青改性外摻劑且充分考慮了其兼有填料的作用，即考慮活性硅的摻入對瀝青混合料最佳瀝青用量的影響.考慮室內(nèi)試驗應最大限度模擬實際生產(chǎn)的原則，采用干法更接近于實際，故建議在工程應用中應用干法進行活性硅改性瀝青混合料配合比設(shè)計.

5 結(jié) 論

通過對活性硅瀝青膠漿常規(guī)指標及高溫性能的測試和活性硅改性瀝青混合料高溫車轍試驗，本研究得出以下結(jié)論：

1)對比活性硅和礦粉瀝青膠漿的常規(guī)指標測試結(jié)果，瀝青中摻加少量的活性硅后，其膠漿的軟化點、黏度等有較大幅度的提高，表明活性硅具有良好的高溫改性作用.

2)活性硅可大幅改善瀝青膠漿的G*/sinα指標值，摻加13%的活性硅，70號瀝青的PG高溫等級可由64 ℃提高至70 ℃，失效溫度可提高約6 ℃.

3)摻加13%活性硅并等量替代礦粉，70號普通瀝青和SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提高約42%和12%.表明：活性硅可兼作改性劑和填料作用，對不同瀝青的改性效果不同；隨著替代礦粉量的增加，其改性效果逐漸降低，對普通70號瀝青，當13%活性硅替代40%礦粉時，動穩(wěn)定度不再提高.

4)活性硅單純用作改性劑時，普通70號瀝青混合料摻加13%活性硅后動穩(wěn)定度可提高60%，相對等量替代礦粉的動穩(wěn)定度提高15%.此表明，為提高混合料的動穩(wěn)定度，建議僅考慮活性硅的改性作用，即不替代礦粉，且當作改性劑時，混合料配合比設(shè)計應作相應調(diào)整.

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Influence of Active Silicon Modifier on High Temperature Performance of Bitumen and Asphalt Mixtures

HUANGWanqing1，YOUHong1,LIUJing2

(1.Sichuan Communication Surveying and Design Institute, Chengdu 610041, China; 2.Sichuan Nanyu Expressway Co.， Ltd., Nanchong 637000, China)

The index and high temperature rheological property of active silicon asphalt are studied.Then through the rutting test of the AC-13C asphalt mixtures,the influence of the active silicon on the modification effects of different bitumen as well as the influence of different mineral powder amount on the high temperature performance of asphalt mixture are studied.It is shown that,(1)active silicon can significantly improve the softening point and viscosity of bitumen;(2)the high temperature grade of bitumen 70 can be increased from 64 ℃ to 70 ℃ by adding active silicon;(3)As for different bitumen,the modification influence of active silicon on the high-temperature performance of the mixture is different;(4)active silicon modifier can partially be used as filler,but the dynamic stability of asphalt mixtures decreases as the replacement mineral powder amount increases.The dynamic stability is the same as the one without active silicon when the 13% active silicon replaces 40% mineral powder.

active silicon；active silicon modified asphalt；high temperature rheology；asphalt mixture；dynamic stability

1004-5422(2017)01-0106-05

2017-01-20.

四川省交通廳科研課題(2016C3-4)資助項目.

黃晚清(1978 — )， 男， 博士， 高級工程師， 從事道路工程勘察與設(shè)計研究.

U416.217

A