硅藻土-玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青膠漿性能研究

朱春鳳，劉 浩，田 偉*，程永春，艾化學(xué)，金玉杰

1 吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118 2 吉林大學(xué) 交通學(xué)院,長春 130025

0 引言

目前,我國約90 %的道路路面是瀝青混合料路面[1].瀝青膠漿在瀝青混合料中具有關(guān)鍵的作用,其性能的好壞直接影響到瀝青混合料在工程中的應(yīng)用[2].瀝青是典型的粘彈性材料,高溫時(shí)呈流動(dòng)狀態(tài),低溫時(shí)呈脆硬狀態(tài),導(dǎo)致瀝青路面易產(chǎn)生車轍和裂縫等病害.為了延長瀝青道路使用年限,在基質(zhì)瀝青中摻入外加劑,使其高低溫性能以及疲勞性能得到有效改善.其中，硅藻土和玄武巖纖維作為無機(jī)改性材料以其優(yōu)良的特性,使眾多研究人員對(duì)其改善瀝青膠漿性能進(jìn)行研究[3].單獨(dú)摻入硅藻土或玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿的某些性能有所改善,但仍有不足,通過雙摻硅藻土和玄武巖纖維,使瀝青膠漿性能更優(yōu).本文選取13組不同摻量的硅藻土和玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青膠漿進(jìn)行性能試驗(yàn)研究,通過軟化點(diǎn)試驗(yàn)、錐入度試驗(yàn)、DSR試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)復(fù)合改性膠漿的高溫性能,測(cè)力延度試驗(yàn)用來研究復(fù)合膠漿的低溫性能.通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析加入兩種外加劑后瀝青膠漿性能的變化規(guī)律,為此方面的研究提供參考.

1 試驗(yàn)過程

1.1 原材料試驗(yàn)

1.1.1 瀝青

試驗(yàn)采用的瀝青是產(chǎn)自遼寧盤錦AH-90,經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得主要技術(shù)指標(biāo)及結(jié)果見表1.

表1 基質(zhì)瀝青物理性能Table 1 Physical properties of neat asphalt

1.1.2 硅藻土

試驗(yàn)的硅藻土試樣選自吉林省長白山地區(qū) ,由煅燒制成，比表面積41.1 m2/g,粒徑大小10 μm，其化學(xué)成分及物理性質(zhì)見表2，表3.

表2 硅藻土化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of diatomite

表3 硅藻土物理性能Table 3 Physical properties of diatomite

1.1.3 玄武巖纖維

試驗(yàn)選用的玄武巖纖維由吉林省某玄武巖產(chǎn)業(yè)公司提供,基本性質(zhì)見表4.

表4 玄武巖纖維基本性能Table 4 Basic properties of basalt fiber

1.1.4 確定玄武巖纖維和硅藻土摻比

在查閱文獻(xiàn)[4]后,試驗(yàn)選取硅藻土摻量分別為0 %,5 %,7.5 %,10 %,玄武巖纖維摻量分別選取0 %,1 %,2 % ,3 %,4 %,共制成13組不同組合摻量的復(fù)合改性瀝青膠漿試樣.

1.1.5 試樣制備

試驗(yàn)使用的DBFCMAM是利用高速攪拌儀進(jìn)行制備.

首先將基質(zhì)瀝青、硅藻土和玄武巖纖維兩種改性劑放入150 ℃烘箱中保溫3.5 h,保證瀝青呈流動(dòng)狀態(tài),并保證硅藻土和玄武巖纖維達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)恒溫；

然后將硅藻土和玄武巖纖維分別按比例摻入瀝青膠漿試樣中,先用攪拌棒手動(dòng)攪拌2 min；

最后將裝有試樣的燒杯放入用帶有保溫鍋的高速剪切儀中進(jìn)行高速攪拌.油浴溫度170 ℃,速度5 000 r/min,時(shí)間60 min,以確保瀝青膠漿中硅藻土和玄武巖纖維能夠均勻分布.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 錐入度試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]研究基質(zhì)瀝青中摻入硅藻土和玄武巖纖維后改變了原有的均勻體系,變?yōu)榛旌戏稚Ⅲw,其性能受填料的種類、粒徑大小和摻量多少變化影響.由于針入度試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大,本文采用錐入度試驗(yàn)表征硅藻土玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青膠漿抵抗剪切的能力.利用錐入度h計(jì)算抗剪強(qiáng)度,見式(1).

(1)

式中,τ為抗剪強(qiáng)度,kPa;Q為錐針、連桿及砝碼總重,kN;h為試錐錐入度(0.1 mm);α為錐針針尖角度(30°).

1.2.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

軟化點(diǎn)被廣泛用來評(píng)價(jià)瀝青膠漿的高溫敏感性,本試驗(yàn)利用《試驗(yàn)規(guī)程規(guī)》規(guī)定的方法對(duì)不同摻量的改性瀝青膠漿進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn).

1.2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)經(jīng)常被用來評(píng)價(jià)瀝青膠漿性的高溫流變性能.本試驗(yàn)也采用該方法研究DBFCMAM的高溫流變性能.依據(jù)規(guī)范試驗(yàn)采用52 ℃,58 ℃,64 ℃,70 ℃等4個(gè)溫度,試驗(yàn)頻率為10 rad/s,試件尺寸為厚度h=1 mm,直徑d=25 mm,測(cè)得復(fù)合剪切模量G*和相位角δ.

1.2.4 測(cè)力延度試驗(yàn)

許多研究者利用測(cè)力延度試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青的低溫拉伸性能[8],結(jié)果均表明測(cè)力延度試驗(yàn)是測(cè)量瀝青低溫性能的一種可靠的方法.本文在研究改性瀝青膠漿的低溫抗拉性能時(shí)也采用測(cè)力延度試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)方法.以拉伸長度(DON)、最大力(Fmax)和變形能(J)作為評(píng)價(jià)指標(biāo).試件模具為瀝青彈性恢復(fù)試驗(yàn)用的一字試模.測(cè)試溫度5 ℃,采用規(guī)程推薦的拉伸速度1 cm/min+0.5 cm/min.通過試驗(yàn)錄像獲得Fmax和DON數(shù)值,根據(jù)拉力及拉伸長度繪制測(cè)力延度曲線(FDT) .

2 結(jié)果與討論

2.1 錐入度試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1，圖2所示.

圖1 錐入度隨摻量的變化Fig.1 Variation of cone penetration with content

圖2 抗剪強(qiáng)度隨摻量的變化Fig.2 Variation of shear strength with content

從圖1中可以看出:DBFCMAM的錐入度遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青的,錐入度減小則其勁度和剪切應(yīng)力將相應(yīng)增大.勁度增加則代表復(fù)合改性瀝青膠漿相對(duì)于基質(zhì)瀝青有更高的抗剪切能力.

從圖2數(shù)據(jù)可得改性瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度最小提高了22 %,最大提高了157 %,因此加入硅藻土和玄武巖纖維后,瀝青的抗剪強(qiáng)度得到較大改善.

2.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示.

從圖3數(shù)據(jù)可得,加入硅藻土和玄武巖纖維后瀝青膠漿的軟化點(diǎn)升高,說明加入這兩種改性劑的后,瀝青膠漿在高溫下,由車輛行駛引起的荷載其變形量將減小.

圖3 軟化點(diǎn)隨摻量的變化Fig.3 Variation of softening point with content

圖4 復(fù)數(shù)剪切模量隨摻量的變化Fig.4 Variation of counplex shear modulus with content

圖5 相位角隨摻量的變化Fig.5 Variation of phase angle with content

圖6 車轍因子隨摻量的變化Fig.6 Variation of rutting factor with content

2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

在superpave瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中,以DSR試驗(yàn)指標(biāo)車轍因子(G*/sinδ)作為結(jié)合料的高溫評(píng)價(jià)指標(biāo).車轍因子大小影響瀝青在高溫下的流動(dòng)變性,車轍因子越大,流變性越小,抗車轍能力越好.為了對(duì)比分析不同溫度和不同摻量下的復(fù)模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ,將其變化趨勢(shì)如圖4～圖6所示.

由圖4數(shù)據(jù)可知,加入兩種改性劑后的復(fù)合改性瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量G*相對(duì)于基質(zhì)瀝青增大,說明基質(zhì)瀝青中摻加硅藻土和玄武巖纖維后能夠提高瀝青膠漿的高溫性能.在同溫度和同硅藻土含量時(shí),復(fù)合剪切模量G*隨玄武巖纖維含量增多逐漸增大.同樣,當(dāng)玄武巖纖維摻比不變時(shí),硅藻土摻比的增加也會(huì)導(dǎo)致G*數(shù)值的升高.圖4中變化趨勢(shì)表明,硅藻土和玄武巖纖維均能夠提高瀝青膠漿的復(fù)模量G*.

從圖5可以看出,隨溫度的升高,摻加硅藻土和玄武巖纖維后復(fù)合改性膠漿相位角δ減小,但減小的幅度逐漸減小.在高溫下其粘彈性與基質(zhì)瀝青比變化不大.

由圖6所示,加入硅藻土和玄武巖纖維后,瀝青膠漿的高溫抗車轍能力明顯提高.在相同溫度下,硅藻土摻量一定時(shí),車轍因子隨玄武巖纖維的增加而升高.這是由于纖維在瀝青膠漿中良好的分布形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),當(dāng)外力作用時(shí),提高了瀝青的剪切力,同時(shí)阻止了瀝青的剪切位移.同樣,硅藻土摻量的增加也會(huì)使車轍因子增大,這是由于硅藻土表面有許多孔狀結(jié)構(gòu),能夠吸附多余的油分,使瀝青的高溫穩(wěn)定性得到提高.

從高溫剪切模量、相位角及車轍因子等參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,硅藻土和玄武巖纖維能夠提高瀝青膠漿的高溫度抗車轍能力.

2.4 測(cè)力延度試驗(yàn)分析

為了定量分析瀝青膠漿的低溫拉伸性能,以最大拉力(Fmax)、變形(DON)和變形能(J) 3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比.對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并計(jì)算出變形能J,其試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of force ductility

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:最大拉力Fmax是試驗(yàn)過程中力傳感器記錄的最大力,表示瀝青膠漿的抗拉內(nèi)聚破壞強(qiáng)度.表5數(shù)據(jù)表明復(fù)合改性瀝青膠漿的最大拉力Fmax數(shù)值比基質(zhì)瀝青大,說明改性瀝青膠漿抗拉內(nèi)聚破壞度強(qiáng)度增大,且其低溫性能明顯增加；DON反映了瀝青膠漿抵抗變形的能力,由表中結(jié)果可以看出兩種改性劑的摻量越多瀝青膠漿拉伸變形越小,且復(fù)合改性瀝青膠漿的低溫拉伸性能減??；以綜合指標(biāo)變形能J來評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青膠漿的低溫性能.從表5的數(shù)據(jù)可以得出,摻入硅藻土和玄武巖纖維后改性瀝青膠漿的抗拉性能得到大幅提高,當(dāng)硅藻土和玄武巖纖維摻量為(7.5 %,3 %)時(shí),復(fù)合改性膠漿低溫抗拉性能最好,比基質(zhì)瀝青提高了59.6 %.

2.5 復(fù)合改性瀝青膠漿性能的方差分析(ANOVA)

通過以上數(shù)據(jù)可得出摻入硅藻土和玄武巖纖維后瀝青膠漿的高溫性能和低溫性能均得到提高,但兩種改性劑對(duì)各種性能指標(biāo)影響的顯著性并沒有很好地體現(xiàn)出來.為更好地利用硅藻土和玄武巖纖維對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的研究,本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的雙因素方差分析(ANOVA)法,分析摻入硅藻土和玄武巖纖維后對(duì)瀝青膠漿各種性能指標(biāo)的影響程度.

方差分析法(ANOVA)一般用來評(píng)價(jià)每個(gè)影響因素對(duì)響應(yīng)目標(biāo)值的貢獻(xiàn)率. 本文采用的顯著性水平α為0.05(P>0.05),取F檢驗(yàn)值具有95 %的置信水平,分析結(jié)果見表6.

表6 ANOVA分析結(jié)果(a=0.05)Table 6 ANOVA analysis result(a=0.05)

依據(jù)表6數(shù)據(jù)可以得出,軟化點(diǎn)、剪應(yīng)力和車轍因子的P值均小于0.05,玄武巖纖維和硅藻土均對(duì)瀝青膠漿的高溫性能產(chǎn)生影響.當(dāng)?shù)陀?8 ℃時(shí)玄武巖纖維P值小于硅藻土,玄武巖纖維影響較大,高于64 ℃時(shí)硅藻土P值小于玄武巖纖維,說明硅藻土產(chǎn)生的影響較大.從對(duì)測(cè)力延度試驗(yàn)指標(biāo)分析可以得出,最大力對(duì)應(yīng)的P值大于0.05,表明玄武巖纖維和硅藻土對(duì)瀝青膠漿承受的最大力值產(chǎn)生影響較小,變形DON對(duì)應(yīng)的P值小于0.05,瀝青膠漿的低溫抗變形能力受硅藻土和玄武巖纖維的影響,且玄武巖纖維的P值小于硅藻土的,表明玄武巖纖維對(duì)瀝青低溫抗變形能力的貢獻(xiàn)大于硅藻土.

3 結(jié)論

本文對(duì)摻入硅藻土和玄武巖纖維后的瀝青膠漿性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論:

(1) 根據(jù)錐入度、軟化點(diǎn)、DSR等試驗(yàn)結(jié)果可知,復(fù)合改性瀝青膠漿的勁度和彈性比基質(zhì)瀝青有了明顯的提高,硅藻土和玄武巖纖維對(duì)瀝青膠漿有增粘作用,可以提高瀝青膠漿高溫時(shí)的彈性,因此二者同時(shí)摻加可以明顯改善瀝青膠漿的高溫性能.

(2) 通過對(duì)比分析測(cè)力延度試驗(yàn)所得最大力、最大變形及變形能等數(shù)據(jù)可知,摻入硅藻土和玄武巖纖維后的改性瀝青膠漿低溫性能得到大幅提高.

(3) 用方差分析可以得出,玄武巖纖維和硅藻土對(duì)瀝青膠漿的高溫性能和低溫性能的改善均有貢獻(xiàn),在低溫抗拉伸性能方面,玄武巖纖維的貢獻(xiàn)率高于硅藻土.