硅藻土對不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青高溫性能改性效果的影響

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200140；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；3.上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司，上海 200433)

1 引 言

硅藻土是一種地殼中含量豐富、成本低廉的礦產(chǎn)資源，它是由大量硅藻(生長在海洋、湖泊中的單細(xì)胞藻類植物)遺骸和軟泥固結(jié)而成，并經(jīng)過長期地質(zhì)作用形成的硅質(zhì)沉積巖[1]。其主要化學(xué)成分為SiO2，具有輕質(zhì)、孔隙度高、比表面積大、吸附性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、堅固和熱傳導(dǎo)性低等特性[2-3]。

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展和超載及高溫天氣的頻繁出現(xiàn)，瀝青路面車轍問題日益嚴(yán)重，相關(guān)研究表明瀝青性質(zhì)對改善瀝青膠漿抗高溫變形能力起主導(dǎo)作用[4]，并且瀝青的高溫性能與其混合料的抗車轍性能具有很好的相關(guān)性[5]，瀝青對其混合料高溫下抗永久變形能力的貢獻(xiàn)率為40%[6]，通過將硅藻土加入瀝青進(jìn)行改性可進(jìn)一步提高其自身的高溫性能。朱東鵬等[7]對瀝青高溫性能進(jìn)行研究，選用動態(tài)剪切流變儀，對比瀝青經(jīng)硅藻土改性前后的抗車轍因子變化情況，得出改性瀝青的高溫抗車轍性能得到提高的結(jié)論；王國安等[8]為研究改性瀝青高溫性能受硅藻土含量的影響，進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)及動態(tài)剪切流變試驗，測試結(jié)果顯示：瀝青在加入硅藻土后，其高溫抗車轍能力增強(qiáng)，同時對溫度的敏感性減弱；高溫性能隨著硅藻土含量的增加，先增后降；李曉民等[9]為了比較不同類型(球狀、桿狀)及含量的硅藻土對瀝青高溫穩(wěn)定性的影響，開展動態(tài)剪切流變試驗，顯示硅藻土能提高瀝青的高溫性能，且桿狀硅藻土的改性效果更佳。已有研究中多以種類和含量不同的硅藻土對基質(zhì)瀝青改性，分析其高溫性能變化[7-12]。但是改性作用的基礎(chǔ)是基質(zhì)瀝青，不同標(biāo)號的基質(zhì)瀝青適用于不同的氣候分區(qū)、交通狀況、結(jié)構(gòu)層位等，且高溫流變性能存在差異[13]。因此，基于動態(tài)剪切流變(DSR)試驗和軟化點(diǎn)試驗，本實(shí)驗探究硅藻土對不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性前后的高溫性能變化情況，明確瀝青標(biāo)號不同引起的改性效果差異，并提出選擇改性瀝青原料的相關(guān)建議。

2 實(shí) 驗

2.1 原材料

2.1.1基質(zhì)瀝青 為分析硅藻土對不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青高溫性能的改性效果，采用5種同一油源不同標(biāo)號的基質(zhì)瀝青，分別為30#、50#、70#、90#、110#，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。從表1中看出，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越大，針入度(Penetration)和延度(Ductility)越高，軟化點(diǎn)(Softening point)、15℃密度(Density)和閃點(diǎn)(Flash point)越低，經(jīng)TFOT老化后質(zhì)量損失(Mass loss after TFOT)越大，殘留針入度比(Penetration residues after TFOT)越?。桓鳂?biāo)號基質(zhì)瀝青的等級均為B級，可用作改性瀝青的基質(zhì)瀝青，且所測試指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中對B級瀝青的技術(shù)要求。

采用棒狀薄層色譜儀(TLC-FID)[14]測得瀝青四組分色譜圖如圖1所示。圖1中各標(biāo)號瀝青的四個峰從左到右分別代表飽和分(Saturates)、芳香分(Aromatics)、膠質(zhì)(Resins)和瀝青質(zhì)(Asphaltenes)。通過積分求出各組分峰面積占總面積的百分比，可以得出各標(biāo)號基質(zhì)瀝青的四組分含量，如表2所示。從表2可以看出，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，輕質(zhì)組分(飽和分和芳香分)含量越低。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of base asphalt

圖1 基質(zhì)瀝青的四組分色譜圖Fig.1 Four components chromatogram of base asphalt

Asphalt gradeSaturates/%Aromatics/%Resins/%Asphaltenes/%30#8.437.322.931.350#6.542.722.927.970#7.545.022.125.490#7.448.623.720.3110#3.968.317.210.6

2.1.2硅藻土 試驗用硅藻土采用經(jīng)選礦提純的硅藻精土，硅藻形狀為圓篩藻和直鏈藻，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

2.2 試樣制備

在各標(biāo)號基質(zhì)瀝青中均制備硅藻精土含量分別為5%、10%、15%、20%和25%(占瀝青質(zhì)量百分比)的改性瀝青。改性方法如下：烘箱溫度達(dá)到150℃后，放入基質(zhì)瀝青加熱1h，然后將定量的瀝青和硅藻土放入金屬容器中攪拌混合均勻，所采用的機(jī)械攪拌器為IKA RW20數(shù)顯型，攪拌溫度140℃，攪拌時間20min，攪拌速度750r·min-1，最后將攪拌完成的瀝青置于165℃烘箱保溫1h。

表3 硅藻精土技術(shù)指標(biāo) Table 3 Technical index of purified diatomite

2.3 性能測試

試驗儀器為動態(tài)剪切流變試驗儀(DHR-1型)，平板直徑25mm，平板間隙1000μm，應(yīng)變控制的加載方式的應(yīng)變值取12%，正弦振蕩荷載的施加頻率10rad·s-1，溫度變化始于47℃，止于86℃，測試溫度間隔為3℃。試驗依據(jù)AASHTO TP5進(jìn)行。

2.3.2軟化點(diǎn) 采用SYD-2806J自動軟化點(diǎn)試驗儀，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中T0606-2011進(jìn)行瀝青的軟化點(diǎn)測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 DSR試驗結(jié)果分析

3.1.1瀝青粘彈性能變化 對瀝青動態(tài)剪切流變性能中若干流變參數(shù)的主曲線[15]進(jìn)行分析，選擇其中流變參數(shù)G′、G″、δ，繪制主曲線，分析瀝青粘彈性變化。由于經(jīng)不同含量硅藻土改性前后得出的不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青主曲線的變化規(guī)律相似，故此處只對比分析硅藻土含量為5%的改性瀝青與基質(zhì)瀝青G′、G″、δ的主曲線，試驗結(jié)果如圖2～7所示。

圖2 基質(zhì)瀝青的儲能模量主曲線Fig.2 Master curve of storage modulus of base asphalt

圖3 改性瀝青的儲能模量主曲線(硅藻土含量5%)Fig.3 Master curve of storage modulus of modified asphalt (diatomite content is 5%)

圖4 基質(zhì)瀝青的損耗模量主曲線Fig.4 Master curve of loss modulus of base asphalt

圖5 改性瀝青的損耗模量主曲線(硅藻土含量5%)Fig.5 Master curve of loss modulus of modified asphalt (diatomite content is 5%)

圖6 基質(zhì)瀝青的相位角主曲線Fig.6 Master curve of phase angle of base asphalt

圖7 改性瀝青的相位角主曲線(硅藻土含量5%)Fig.7 Master curve of phase angle of modified asphalt (diatomite content is 5%)

圖2和圖3分別顯示了基質(zhì)瀝青和改性瀝青的儲能模量主曲線，圖4和圖5分別顯示了基質(zhì)瀝青和改性瀝青的損耗模量主曲線。由圖2和圖4可以看出，在未加入硅藻土?xí)r，溫度升高時，不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青的儲能模量和損耗模量降低；溫度相同時，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越大，其儲能模量和損耗模量越低。這說明溫度升高，基質(zhì)瀝青的彈性及粘性隨之降低，同樣溫度下，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，彈性及粘性越好。由圖3、5可以看出，當(dāng)基質(zhì)瀝青中加入5%硅藻土后，從總體上看，主曲線的變化趨勢保持不變，同樣的溫度，對于改性瀝青來說依舊表現(xiàn)為標(biāo)號越小，儲能模量和損耗模量越高，即彈性及粘性性能越好。與未改性的相比，同一標(biāo)號的改性瀝青比基質(zhì)瀝青的儲能模量和損耗模量要大，且溫度越低，差距越大，說明改性瀝青彈性及粘性性能得到提高。從局部來看，50#和70#、90#和110#兩組基質(zhì)瀝青在改性后主曲線較為接近，說明50#和70#、90#和110#基質(zhì)瀝青經(jīng)硅藻土改性后彈性和粘性相仿。

從圖2～5可以總結(jié)得出，基質(zhì)瀝青及改性瀝青的粘彈性性能均隨溫度升高而降低，這符合溫度升高，瀝青輕質(zhì)組分變軟，從而導(dǎo)致瀝青的粘彈性降低的規(guī)律；同一溫度下基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，其粘彈性越大，采用硅藻土改性后瀝青的粘彈性也越大。

從圖6、7能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高時，基質(zhì)瀝青、改性瀝青的相位角都增大，溫度相同時，110#瀝青的相位角最大，30#瀝青的相位角最小，50#、70#、90#瀝青的相位角接近。這說明基質(zhì)瀝青標(biāo)號越大，改性前后粘性部分所占的比例越大。并且，硅藻土加入后使相位角的主曲線下移，說明硅藻土改性后使得各標(biāo)號瀝青彈性部分所占的比例增加。

3.1.2改性瀝青的抗車轍因子及臨界溫度的變化 瀝青的抗車轍因子G*/sinδ為復(fù)數(shù)模量和相位角正弦的比值，可由公式(1)計算得出。各標(biāo)號基質(zhì)瀝青經(jīng)硅藻土改性后抗車轍因子隨硅藻土含量的變化情況如圖8所示。由各測試溫度下的結(jié)果表明，硅藻土含量相同時改性瀝青的抗車轍因子變化受基質(zhì)瀝青標(biāo)號的影響，以及各瀝青抗車轍因子隨硅藻土含量變化的規(guī)律都相類似，故此處僅以47℃和59℃時的抗車轍因子為例進(jìn)行分析。

(1)

圖8 不同溫度下瀝青抗車轍因子隨硅藻土含量的變化 (a) 47℃; (b) 59℃Fig.8 Variation of G*/sinδ with the content of diatomite(a) 47℃; (b) 59℃

由圖8可見，從總體上看，隨著硅藻土的加入，不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青的抗車轍因子均呈上升趨勢，同一含量下，基本服從基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，改性瀝青的抗車轍因子越大的趨勢；局部表現(xiàn)為50#和70#、90#和110#兩組改性瀝青的抗車轍因子相接近。

抗車轍因子隨溫度的變化趨勢可以用指數(shù)函數(shù)的形式表示[4]：

G*/sinδ=aebT

(2)

式中：a、b為回歸系數(shù)，T為溫度，單位為℃。

SHRP計劃研究成果中動態(tài)剪切流變試驗對未老化瀝青可能出現(xiàn)的柔度有控制要求，因而規(guī)定路面溫度對應(yīng)的抗車轍因子G*/sinδ應(yīng)≥1kPa。因此，將G*/sinδ等于1kPa時的路面溫度取為臨界溫度，通過臨界溫度也可以間接反映改性瀝青高溫性能的差異。

由式(2)的回歸結(jié)果及臨界溫度的定義可以得出各標(biāo)號基質(zhì)瀝青在不同硅藻土含量下的臨界溫度值(見表4)。從表4可以看出，同一硅藻土含量下，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，改性后臨界溫度越高，并且當(dāng)硅藻土含量分別為5%、10%、15%、20%和25%時，對應(yīng)的30#和110#改性瀝青的臨界溫度之差分別為18.7、22.0、24.9、25.9和27.5℃，這說明基質(zhì)瀝青標(biāo)號對硅藻土改性瀝青間臨界溫度差異有影響，而且這種影響受到硅藻土含量的限制，隨著含量的增加，影響也增加。

表4 各標(biāo)號基質(zhì)瀝青在不同硅藻土含量下的臨界溫度/℃Table 4 Critical temperature of each grades of asphalt under different content of diatomite/℃

3.1.3改性瀝青高溫范圍內(nèi)的溫度敏感性 鐘科等[16]研究瀝青膠漿的溫度敏感性評價指標(biāo)時發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)數(shù)模量G*與溫度回歸得到的復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS與采用針入度評價體系回歸得到的針入度指數(shù)PI相比，GTS的科學(xué)性和準(zhǔn)確性更好。故此處采用GTS來評價高溫范圍內(nèi)硅藻土改性不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青的溫度敏感性差異。GTS值越大，代表對溫度變化越不敏感。

GTS的回歸公式如下式所示：

lglgG*=GTSlgT+C

(3)

式中：T為試驗溫度，單位為℃；GTS為復(fù)數(shù)模量指數(shù)；C為常數(shù)。

lglgG*～lgT回歸曲線的相關(guān)性系數(shù)均在0.985以上，GTS值如圖9所示。從圖9可以看出，當(dāng)硅藻土含量相同時，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，經(jīng)硅藻土改性后瀝青的GTS值越大，對溫度變化就越不敏感。

圖9 各標(biāo)號基質(zhì)瀝青經(jīng)不同含量硅藻土改性后的GTS值Fig.9 GTS value of asphalt with different grade under different content of diatomite

圖10 改性瀝青的軟化點(diǎn)隨硅藻土含量的變化Fig.10 Softening point variation of modified asphalt with content of diatomite

3.2 軟化點(diǎn)測試結(jié)果分析

采用軟化點(diǎn)作為反映改性瀝青高溫性能的常規(guī)指標(biāo)，軟化點(diǎn)越大，高溫性能越好。試驗結(jié)果如圖10所示。從圖10可以得出，從總體上看，隨硅藻土含量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)均呈上升趨勢，同一含量下，基本滿足基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，改性后軟化點(diǎn)越大的規(guī)律；局部呈現(xiàn)50#和70#、90#和110#改性后軟化點(diǎn)相互接近的趨勢。觀察110#基質(zhì)瀝青改性后的變化趨勢，在含量達(dá)5%后軟化點(diǎn)并未繼續(xù)增加，這一現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究。

3.3 機(jī)理分析

用硅藻土改性瀝青，由于硅藻土的孔隙度高、比表面積大，增加了結(jié)構(gòu)瀝青的含量，使得瀝青粘結(jié)力增強(qiáng)。同時，瀝青通過滲透和擴(kuò)散被硅藻土吸附，特別是分子量小、流動性強(qiáng)的輕質(zhì)組分被吸入硅藻土孔隙中，使得瀝青中輕質(zhì)組分的含量相對下降，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量相對增加，加上吸附作用增加的界面作用力等，有利于提高改性瀝青的高溫性能[12]。

總體上，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，改性瀝青的高溫性能也越好。這是因為對于基質(zhì)瀝青來說，標(biāo)號的差異反映其高溫性能，標(biāo)號越小，基質(zhì)瀝青高溫性能越好。與此同時，硅藻土加入瀝青后產(chǎn)生的是物理改性[10]，兩者處于共存狀態(tài)，故基質(zhì)瀝青仍能發(fā)揮自身優(yōu)勢，使得同一硅藻土含量下改性瀝青的高溫性能也服從基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，改性效果越好的變化趨勢。局部上，對于50#和70#、90#和110#兩組瀝青來說，改性后的高溫性能差異分別減小，從瀝青的組分角度可以初步判斷(如表2所示)，50#、90#瀝青的輕質(zhì)組份(飽和份+芳香份)的含量為49.2%、56%，分別低于70#、110#瀝青的52.5%和72.2%，而輕質(zhì)組份含量越高，越容易被吸附到硅藻土的孔隙中去，因而改性后使得50#和70#、90#和110#兩組瀝青的粘彈性性能、抗車轍因子、軟化點(diǎn)的差異減小。

3.4 常規(guī)指標(biāo)軟化點(diǎn)與DSR試驗指標(biāo)的相關(guān)性分析

下面分別對軟化點(diǎn)與抗車轍因子、軟化點(diǎn)與臨界溫度的相關(guān)性進(jìn)行分析，從而建立硅藻土改性不同標(biāo)號基質(zhì)瀝青高溫性能評價的常規(guī)指標(biāo)和SHRP試驗指標(biāo)的聯(lián)系。

3.4.1軟化點(diǎn)與抗車轍因子的相關(guān)性分析 對各溫度(47～86℃測試溫度范圍內(nèi))下瀝青的抗車轍因子與軟化點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，回歸公式為：

G*/sinδ=a+bTR&B

(4)

式中：TR&B為軟化點(diǎn)，單位為℃;a、b為常數(shù)。

圖11為測試溫度86℃時，不同含量硅藻土改性瀝青的軟化點(diǎn)與抗車轍因子的線性回歸線。同理可以得出其他溫度的回歸線，由于回歸結(jié)果基本相同，故此處僅以86℃時的線性回歸線為例進(jìn)行說明。線性回歸結(jié)果的Adj.R2(校正決定系數(shù))如表5所示，Adj.R2用來評價回歸方程的優(yōu)劣，其值越接近1，抗車轍因子與軟化點(diǎn)的相關(guān)性越好。從圖11及表5可以看出，離散點(diǎn)均在擬合直線附近，Adj.R2在0.8～1.0之間，說明在各個溫度下，軟化點(diǎn)與抗車轍因子相關(guān)性較好。

圖11 不同硅藻土含量下抗車轍因子與軟化點(diǎn)的擬合曲線Fig.11 Fitting curve between G*/sinδ and softening point under different content of diatomite

3.4.2臨界溫度與軟化點(diǎn)的相關(guān)性分析 對各溫度(47～86℃測試溫度范圍內(nèi))下瀝青的臨界溫度與軟化點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，回歸公式為：

Tc=a+bTR&B

(5)

式中：Tc為臨界溫度；TR&B為軟化點(diǎn)，單位為℃；a、b為常數(shù)。

圖12為臨界溫度與軟化點(diǎn)的回歸線，表6為線性回歸結(jié)果的Adj.R2(校正決定系數(shù))。從圖12及表6可以看出，離散點(diǎn)在回歸線附近且Adj.R2接近1，說明臨界溫度與軟化點(diǎn)的相關(guān)性也很好。

4 結(jié) 論

1．同一溫度下，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，硅藻土改性瀝青的儲能模量G′和損耗模量G″越大，相位角δ越小。標(biāo)號相同時，改性瀝青的G′、G″比基質(zhì)瀝青大，且溫度越低，差距越大，說明改性瀝青的彈性及粘性性能得到提高。

表5 線性回歸的Adj.R2值Table 5 Adj.R2 of linear regression

圖12 臨界溫度與軟化點(diǎn)的擬合曲線Fig.12 Fitting curve between critical temperature and softening point

ParameterContent of diatomite/%0510152025Adj.R20.910.790.870.930.860.93

2．同一硅藻土含量下，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越小，改性瀝青的抗車轍因子、臨界溫度和軟化點(diǎn)越大，對溫度變化敏感性越弱。同時基質(zhì)瀝青標(biāo)號對改性瀝青間臨界溫度差異的影響受硅藻土含量的限制，含量越大，影響越大。

3．50#和70#、90#和110#兩組基質(zhì)瀝青經(jīng)硅藻土改性后高溫性能差異減小。

4．從常規(guī)指標(biāo)(軟化點(diǎn))和DSR試驗指標(biāo)(G*/sinδ和臨界溫度)的相關(guān)性分析可以得出，兩者都可以用于評價基質(zhì)瀝青標(biāo)號對硅藻土改性瀝青高溫性能的影響。