硅藻土摻量與細(xì)度對(duì)瀝青性能的影響研究

劉莉萍,閆鐵成,杜 婷,郭建博

(1.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院,甘肅 慶陽(yáng) 745000;2.甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引 言

瀝青混合料作為一種黏彈性材料,在高溫下會(huì)發(fā)生車轍變形,在低溫下會(huì)發(fā)生路面開(kāi)裂。為了解決瀝青路面常見(jiàn)的病害,研究者一直在嘗試用添加劑來(lái)改性瀝青混合料,以期能夠降低瀝青路面病害現(xiàn)象的發(fā)生幾率[1]。硅藻土是一種成本低、相對(duì)密度高、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的無(wú)機(jī)材料,目前已廣泛應(yīng)用于瀝青黏結(jié)劑和混合料的改性[2-3]。

1982年,美國(guó)研究人員首次將硅藻土應(yīng)用于瀝青混合料中,并通過(guò)鋪筑試驗(yàn)路的方式證明其改性效果良好,隨后通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),硅藻土能夠有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能及疲勞性能。張興友等[4]通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法指出,硅藻土中的SiO2含量對(duì)瀝青高溫性能的影響最大,其次為非晶體含量;李曉民等[5]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了不同摻量條件下不同形態(tài)(球狀、桿狀)硅藻土對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響情況,結(jié)果表明,硅藻土摻量為15%時(shí),瀝青膠漿及瀝青混合料各項(xiàng)性能均顯著提高,且以桿狀硅藻土改性效果最佳;TAN Yiqiu等[6]通過(guò)差示掃描量熱法(DSC)試驗(yàn)表明,硅藻土可以有效提高基質(zhì)瀝青的低溫性能,約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)(TSRST)則表明,硅藻土同樣能夠提高瀝青混合料的低溫抗裂性能;CONG Peiliang等[7]研究表明,硅藻土的摻入能夠提高瀝青膠漿的力學(xué)性能,但性能提高主要依靠硅藻土與瀝青之間的物理結(jié)合;TAN Yiqiu等[8]采用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析法(DMA)對(duì)硅藻土改性瀝青玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度及活化能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明,硅藻土能夠顯著提高瀝青這兩項(xiàng)指標(biāo),即提高瀝青高溫性能;王修山等[9]采用車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)等對(duì)陶瓷纖維改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行評(píng)估,并采用了掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)分析陶瓷纖維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)機(jī)理,結(jié)果表明,陶瓷纖維可加強(qiáng)瀝青混合料的黏性,對(duì)改善瀝青混合料的路用性能有重要作用;趙曜等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了采用生活垃圾焚燒爐渣粉料(BAP)以不同比例替代石灰?guī)r礦粉用于多孔瀝青混合料的可行性及替代率對(duì)混合料各項(xiàng)性能的影響,結(jié)果表明,爐渣粉料替代率對(duì)混合料的最佳瀝青用量和透水性能影響顯著;CHENG Yongchun等[11]、WANG Hanbing等[12]、N.A.M.SHUKRY等[13]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了硅藻土與其它填料對(duì)瀝青的改性效果,結(jié)果均表明,硅藻土對(duì)瀝青高溫性能及耐老化性能等改善效果最為明顯;ZHANG Peng等[14]采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)研究了硅藻土對(duì)瀝青黏結(jié)劑老化性能的影響,結(jié)果表明,當(dāng)硅藻土摻量為10%時(shí),改性瀝青的耐老化性能最好;CHENG Yongchun等[15]通過(guò)DSR、BBR等膠漿性能試驗(yàn)證明,硅藻土、玄武巖纖維及其相互作用對(duì)瀝青的高低溫性能、抗剪性能、抗疲勞開(kāi)裂性能和溫度敏感性均有顯著影響;LIANG Chunyu等[16]采用硅藻土和橡膠顆粒對(duì)瀝青混合料進(jìn)行加固,結(jié)果表明,橡膠顆粒和硅藻土對(duì)瀝青混合料的高溫、低溫和黏彈性性能均有增強(qiáng)作用,但改善效果不如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS);張君韜等[17]將硅藻土應(yīng)用至季凍區(qū)瀝青混合料路面,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究表明,硅藻土在含量為5%時(shí),可以有效改善高標(biāo)號(hào)瀝青的抗車轍性能、老化性能及黏彈性能,且能夠滿足季凍區(qū)對(duì)瀝青混合料低溫性能的要求。

綜上可以看出,針對(duì)硅藻土改性瀝青的研究已歷時(shí)較長(zhǎng),研究結(jié)果均表明,硅藻土可以有效改善瀝青及瀝青混合料的各項(xiàng)性能,但目前尚未形成系統(tǒng)的硅藻土改性瀝青質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。鑒于此,筆者通過(guò)分析研究硅藻土細(xì)度和摻量對(duì)瀝青各項(xiàng)性能的影響規(guī)律,為硅藻土改性瀝青的應(yīng)用提出合理建議。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所采用的基質(zhì)瀝青型號(hào)為70#,其主要性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)性能

試驗(yàn)所采用細(xì)度為200、500、800 目共3種規(guī)格的硅藻土,主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 硅藻土的技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 制備方式

為研究硅藻土摻量和細(xì)度對(duì)瀝青性能的影響,分別制備了10%、15%、20%共3種不同摻量條件下200、500、800 目3中不同細(xì)度共計(jì)9 組硅藻土改性瀝青。先將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃,分別加入不同摻量與細(xì)度的硅藻土,采用高速剪切儀進(jìn)行剪切,先以1 000 r/min剪切15 min,再以4 000 r/min剪切25 min直至硅藻土完全溶于瀝青中且沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。最后將制備完成的改性瀝青倒入試模中成型相應(yīng)試件,進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.2.2 常規(guī)性能試驗(yàn)

對(duì)9組硅藻土改性瀝青膠漿分別進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)。通過(guò)針入度、軟化點(diǎn)及延度對(duì)硅藻土改性瀝青膠漿基本物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.3 流變?cè)囼?yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)。試驗(yàn)加載頻率設(shè)置為10 rad/s,控制應(yīng)變?yōu)?2 %。試驗(yàn)初始溫度為52 ℃,并以6 ℃的間隔遞增4次,得到9 組不同的瀝青膠漿抗車轍因子G*/sinδ。車轍因子的數(shù)值小,則代表瀝青膠漿抗變形能力差,反之則表明抗車轍變形能力更好。

硅藻土改性瀝青小梁(127 mm×6.35 mm×12.7 mm)則采用彎曲梁流變儀(BBR)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)初始溫度設(shè)置為-6 ℃,并以6 ℃的間隔遞減3次。采用試驗(yàn)得出的蠕變速率m和蠕變勁度模量S兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)估瀝青膠漿的低溫抗裂性能。

1.2.4 蠕變?cè)囼?yàn)

有研究表明,DSR試驗(yàn)在改性瀝青性能評(píng)估方面無(wú)法取得理想的效果,因此部分研究者提出采用多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)來(lái)取代DSR試驗(yàn)。由于瀝青屬于黏彈性材料,在應(yīng)力加載過(guò)程會(huì)產(chǎn)生蠕變變形,在應(yīng)力卸載后部分蠕變變形能夠得到恢復(fù)。而另一部分變形不能得到恢復(fù),將累積在下一個(gè)加載變形中。因此,較正弦加載方式得出的車轍因子G*/sinδ指標(biāo)而言,多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)?zāi)軌蚋訙?zhǔn)確地模擬瀝青路面實(shí)際工作狀態(tài),其測(cè)得的應(yīng)變恢復(fù)比率R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr更能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)硅藻土改性瀝青的抗永久變形能力[17]。

1.2.5 FTIR試驗(yàn)

FTIR試驗(yàn)采用IRTracer-100傅立葉變換紅外光譜儀在ATR模式下對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試,光譜波長(zhǎng)范圍為4 000～400 cm-1。以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo),透過(guò)率為縱坐標(biāo)繪制試樣的紅外光譜圖,并以此探究硅藻土改性瀝青制備過(guò)程中是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

1.2.6 SEM試驗(yàn)

采用ZEISS公司生產(chǎn)的SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電鏡儀對(duì)硅藻土及改性瀝青進(jìn)行SEM試驗(yàn)。采用真空衍射鍍膜機(jī)對(duì)經(jīng)液氮處理的試樣進(jìn)行鍍金,通過(guò)圖像采集裝置測(cè)得不同放大倍數(shù)下的試樣微觀圖像,以確定硅藻土微觀形貌特征及其在瀝青中的分布情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)性能試驗(yàn)

瀝青膠漿在25 ℃溫度條件下的針入度值條形圖如圖1。圖2、圖3為相應(yīng)的軟化點(diǎn)和10 ℃延度結(jié)果。

圖1 針入度試驗(yàn)結(jié)果Fig. 1 Penetration test results

圖2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Softening point test results

圖3 延度試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Ductility test results

由圖1可以看出,針入度隨硅藻土摻量及細(xì)度目數(shù)的增加不斷降低。這是因?yàn)楣柙逋恋募尤肽軌蛭諡r青中輕質(zhì)組分,使瀝青變硬,從而使瀝青針入度降低。值得注意的是,在10%、15%、20% 共3 個(gè)不同硅藻土摻量條件下,200 目硅藻土較500 目硅藻土針入度分別降低了4.4%、1.7%、1.5%,500 目硅藻土較800 目硅藻土針入度分別降低了6.9%、3.4%、2.8%,表明硅藻土細(xì)度對(duì)針入度的影響程度隨摻量增大逐漸降低。

由圖2可以看出,隨著硅藻土摻量及細(xì)度的增大,瀝青膠漿軟化點(diǎn)上升。這是因?yàn)楣柙逋恋奈阶饔媚軌蚪档蜑r青中輕質(zhì)油分的含量,進(jìn)而降低瀝青的溫度敏感性,表現(xiàn)為軟化點(diǎn)上升。以200 目為例,硅藻土摻量由10%增至15%,軟化點(diǎn)提高5.9 ℃;摻量繼續(xù)增至20%,軟化點(diǎn)僅提高2.3 ℃,增幅明顯降低;在20%摻量條件下,500 目硅藻土較200 目硅藻土軟化點(diǎn)提高了0.3 ℃,800 目硅藻土較500 目硅藻土軟化點(diǎn)提高了0.7 ℃。結(jié)果表明,硅藻土對(duì)瀝青膠漿軟化點(diǎn)的起積極作用,但當(dāng)其摻量與細(xì)度達(dá)到一定程度后,作用效果不斷降低。

由圖3可以看出,隨著硅藻土摻量增大,瀝青膠漿延度降低,且降低幅度隨摻量增大呈加劇趨勢(shì),如200 目條件下,15%摻量較10%摻量瀝青膠漿延度降低了14.9%,20%摻量較15%摻量瀝青膠漿延度則降低了39.5%。由針入度試驗(yàn)結(jié)果可知,硅藻土能夠增加瀝青硬度,因而勢(shì)必導(dǎo)致其脆性的增加,從而造成延度降低。但在相同摻量條件下,不同細(xì)度硅藻土瀝青膠漿延度相差不大,表明硅藻土細(xì)度對(duì)瀝青延度影響不大。

2.2 高溫流變性能

研究表明,車轍因子G*/sinδ能夠較好地反映瀝青的高溫流變性能。采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)測(cè)得9組硅藻土改性瀝青膠漿的G*/sinδ試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 不同溫度下硅藻土瀝青膠漿的G*/sinδ曲線Fig. 4 G*/sin δ curve of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

圖4表明,溫度升高,瀝青膠漿G*/sinδ減小,這是因?yàn)闇囟仍礁?分子熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈,導(dǎo)致分子間距提高,宏觀表現(xiàn)為瀝青膠漿由低溫高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷仞ち鲬B(tài)。在硅藻土粒徑大小一致時(shí),硅藻土摻量越大,對(duì)應(yīng)的改性瀝青G*/sinδ越大。例如52 ℃、硅藻土細(xì)度為800目的條件下,20%硅藻土摻量改性瀝青較15%、10%摻量改性瀝青G*/sinδ分別提高了1.65、2.98 kPa。由此表明,硅藻土的摻入能夠改善瀝青高溫性能。究其原因在于硅藻土具有多孔結(jié)構(gòu),能夠吸附瀝青中的輕質(zhì)組分,使其占比減少,降低其流動(dòng)性能,最終導(dǎo)致瀝青黏度增加,高溫流變性能提高。當(dāng)硅藻土摻量一致時(shí),硅藻土細(xì)度增大,對(duì)應(yīng)的瀝青膠漿G*/sinδ增大。這意味著硅藻土粒徑越小,膠漿的高溫性能改善效果越好。值得注意的是,當(dāng)硅藻土細(xì)度從200 目增至500 目時(shí),車轍因子G*/sinδ增加幅度較大;當(dāng)硅藻土細(xì)度進(jìn)一步增加至800 目后,車轍因子的增加幅度已經(jīng)很小了。例如,在52 ℃,10 %硅藻土摻量條件下,硅藻土細(xì)度從200 目增至500 目時(shí),G*/sinδ提高了0.86 kPa,而細(xì)度從500 目增至800 目時(shí),G*/sinδ僅提高了0.36 kPa。由此說(shuō)明,硅藻土細(xì)度達(dá)到500 目后對(duì)瀝青的高溫性能改性效果逐漸降低。這是由于隨著細(xì)度目數(shù)增大,顆粒越來(lái)越細(xì),越容易與瀝青混合,對(duì)瀝青的改性效果越明顯;但當(dāng)硅藻土粒徑達(dá)到一定細(xì)度后,硅藻土比表面積過(guò)大,吸附的自由瀝青過(guò)多,造成改性瀝青稠度增大以及硅藻土與瀝青混溶的不均勻性增大,給瀝青改性效果帶來(lái)一定負(fù)面影響,表現(xiàn)為瀝青性能改善效果降低。

2.3 低溫流變性能

瀝青的低溫流變性能通常采用BBR試驗(yàn)測(cè)得的勁度模量S與蠕變速率m值來(lái)表征。研究表明,S越大,m值越小,則瀝青材料黏性越小,彈性越大,表現(xiàn)為在低溫條件下更脆更硬,抗開(kāi)裂性能越差。圖5、圖6分別為不同硅藻土瀝青膠漿的低溫勁度模量和蠕變速率試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 不同溫度下硅藻土瀝青膠漿的蠕變勁度Fig. 5 Creep strength of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

圖6 不同溫度下硅藻土瀝青膠漿的蠕變速率變化曲線Fig. 6 Creep rate variation curve of diatomite modified asphalt mortar at different temperatures

從圖5可知,隨溫度的降低,不同硅藻土瀝青膠漿勁度模量均不斷增大。在同一溫度、同一硅藻土細(xì)度條件下,隨著硅藻土摻量的增加,S呈上升趨勢(shì),且溫度越低,這種上升趨勢(shì)越明顯。由此表明,硅藻土加入會(huì)給瀝青低溫抗變形能力帶來(lái)一定負(fù)面影響,瀝青對(duì)低溫環(huán)境更加敏感。在同一硅藻土摻量條件下,硅藻土細(xì)度目數(shù)越大,S越大,但增大幅度并不大。由此表明,硅藻土細(xì)度對(duì)瀝青低溫抗變形能力的影響效果并不顯著。

從圖6可以看出,隨著溫度的降低,m值減小。當(dāng)硅藻土細(xì)度目數(shù)相同時(shí),硅藻土摻量提高,瀝青膠漿m值減小,說(shuō)明硅藻土摻入會(huì)使瀝青內(nèi)部應(yīng)力消散能力變差,從而降低改性瀝青的低溫延展性和抵抗疲勞破壞的自愈合能力。在硅藻土摻量一定條件下,硅藻土粒徑越小,m值卻稍有增大,這可能是由于硅藻土顆粒粒徑越小,其與瀝青接觸面積相對(duì)越大,硅藻土與瀝青分子間分子作用力加強(qiáng),提高了瀝青的抗低溫松弛能力。

2.4 抗永久變形能力

蠕變恢復(fù)率R是指瀝青在經(jīng)過(guò)蠕變作用后恢復(fù)的應(yīng)變與峰值應(yīng)變之比,R值越大,瀝青蠕變后的恢復(fù)能力越強(qiáng)。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr是指瀝青在經(jīng)過(guò)蠕變作用后的殘余應(yīng)變與蠕變應(yīng)力之比,Jnr值越小,抵抗永久變形能力越強(qiáng)。MSCR試驗(yàn)測(cè)得不同硅藻土瀝青膠漿R值如圖7,Jnr值如圖8。

圖7 蠕變恢復(fù)率RFig. 7 Creep recovery rate R

圖8 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nrFig. 8 Unrecoverable creep compliance Jnr

從圖7可以看出,相同條件下,應(yīng)力越大,改性瀝青R值越小,這表明荷載越大,改性瀝青的變形恢復(fù)能力越差。當(dāng)荷載一致時(shí),在同一硅藻土細(xì)度條件下,硅藻土摻量增大,改性瀝青R值逐漸增大,例如,在6.4 kPa荷載作用下,硅藻土細(xì)度為200目時(shí),20%、15%摻量瀝青較10%摻量瀝青R值分別增加了22.5%、13.5%,表明硅藻土摻量的增加有助于提高復(fù)合改性瀝青的應(yīng)變恢復(fù)率;而在同一硅藻土摻量條件下,硅藻土粒徑越小,R值越大,但當(dāng)粒徑進(jìn)一步減小以后,R值增加幅度不斷降低,例如,在6.4 kPa荷載作用下,硅藻土摻量為10%時(shí),500 目硅藻土較200目硅藻土改性瀝青R值提高了10.0%,而800 目較500 目硅藻土改性瀝青R值則僅提高了2.1%。此與DSR試驗(yàn)分析結(jié)果相似,表明硅藻土的摻量和細(xì)度對(duì)瀝青應(yīng)變恢復(fù)能力改善效果均存在一個(gè)最佳值。

由圖8可以看出,6.4 kPa條件下瀝青膠漿Jnr值始終大于3.2 kPa條件下瀝青膠漿,表明荷載越大,抗永久變形能力越差。相同條件下,硅藻土摻量越大,Jnr值越小,表明硅藻土可以有效提高改性瀝青的抗永久變形能力。當(dāng)硅藻土摻量一定時(shí),硅藻土粒徑越小,Jnr值越小,硅藻土粒徑分別由200目增至500目和由500 目增至800 目,瀝青Jnr值減小值分別為 0.56、0.87 kPa-1,表明硅藻土細(xì)度對(duì)瀝青抗永久變形能力的提高有一定影響,且細(xì)度數(shù)目越大,影響效果越顯著。

2.5 FTIR試驗(yàn)

瀝青的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)等可以通過(guò)FTIR試驗(yàn)進(jìn)行分析鑒定。不同的分子吸收光的波段不同,利用這一特性,可以得出瀝青的紅外投射光譜圖,通過(guò)光譜圖吸收峰的數(shù)目、強(qiáng)度、位置及形狀特征可以分析出瀝青的組成及其官能團(tuán)情況。圖9為硅藻土、基質(zhì)瀝青及15%摻量的硅藻土瀝青膠漿紅外光譜結(jié)果。

圖9 紅外光譜Fig. 9 Infrared spectrogram

從圖9可以看出,基質(zhì)瀝青紅外光譜曲線主要在2 924、2 853、1 456、1 376、1 110、907～559 cm-1共6 處出現(xiàn)不同大小的吸收峰。其中2 924 cm-1與2 853 cm-1處吸收峰主要由烷烴和環(huán)烷烴的C—H對(duì)稱及反對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起;1 456 cm-1與1 376 cm-1處吸收峰則主要由芳烴的C=C雙鍵及C=O雙鍵伸縮振動(dòng)造成;1 110 cm-1處吸收峰由飽和醇C—O伸縮振動(dòng)引起;907～559 cm-1范圍出現(xiàn)的幾個(gè)較小吸收峰均由苯環(huán)上不飽和C—H(=C—H)面外彎曲振動(dòng)引起。與基質(zhì)瀝青相比,摻入硅藻土的瀝青膠漿紅外光譜曲線沒(méi)有發(fā)生明顯變化,僅在1 098 cm-1與3 413 cm-1處出現(xiàn)兩處新的強(qiáng)吸收峰及1 456 cm-1處吸收峰強(qiáng)度增加。兩處吸收峰分別與硅藻土自身特征峰對(duì)應(yīng),其中1 098 cm-1處的強(qiáng)吸收峰是由Si—O—Si鍵的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)造成,3 413 cm-1處寬而弱的吸收峰主要由硅羥基Si—OH伸縮振動(dòng)引起;1 456 cm-1處吸收峰強(qiáng)度的增加表明硅藻土的摻入增強(qiáng)了瀝青芳烴基團(tuán)的鍵能,再加上C=C雙鍵自身具有較高的鍵能,最終導(dǎo)致硅藻土瀝青膠漿力學(xué)性能的增強(qiáng)。綜上可知,硅藻土與瀝青混合后并未產(chǎn)生新官能團(tuán),硅藻土的摻入沒(méi)有給瀝青組成成分和分子結(jié)構(gòu)帶來(lái)較大的影響,兩者以物理混合為主,未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。即改性效果主要取決于硅藻土的物理性質(zhì)。

2.6 SEM試驗(yàn)

選取硅藻土及10%、15%、20% 共 3 種不同摻量的硅藻土改性瀝青進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖10。

圖10 不同摻量硅藻土瀝青膠漿掃描電鏡圖像Fig. 10 SEM image of diatomite modified asphalt mortar with different dosage

由文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[19]可知,硅藻土形態(tài)以圓篩狀為主,且表面含有大量分布較為規(guī)律的小孔,這使得硅藻土比表面積較大。由圖10(a)、圖10(b)可以看出,硅藻土摻量為10%與15%時(shí),硅藻土能夠較為均勻地分散在瀝青之中,并與瀝青緊密結(jié)合形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的整體。這得益于硅藻土的多孔結(jié)構(gòu),大量的小孔能夠吸附瀝青中的輕質(zhì)組分,產(chǎn)生毛細(xì)作用,使瀝青與硅藻土顆粒之間的相互作用得到加強(qiáng),增加兩者之間的黏結(jié)力,有利于提高改性瀝青的各項(xiàng)性能。對(duì)比圖10(c)可知,當(dāng)硅藻土摻量進(jìn)一步提升至20%以后,改性瀝青出現(xiàn)硅藻土分布過(guò)于密集的現(xiàn)象,改性瀝青中局部開(kāi)始出現(xiàn)輕微重疊以及微弱結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)造成硅藻土對(duì)瀝青改性效果減弱,并帶來(lái)一定的不利影響。因此在改性瀝青過(guò)程中,控制硅藻土的摻量不超過(guò)20%才能發(fā)揮最好的整體改性效果。

2.7 雙因素方差分析(ANOVA)及機(jī)理分析

統(tǒng)計(jì)學(xué)中雙因素方差分析法常用于評(píng)價(jià)各個(gè)影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度的大小。為研究硅藻土摻量與細(xì)度對(duì)瀝青各項(xiàng)性能試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性大小,采用軟件SPSS 25進(jìn)行兩個(gè)因素的顯著性水平分析計(jì)算,若P<0.05,則F值至少具有95%的置信水平,表明該因素影響顯著,具體分析結(jié)果如表3。

表3 雙因素方差分析結(jié)果

從表3可以看出,硅藻土摻量與細(xì)度均對(duì)針入度、軟化點(diǎn)、64 ℃車轍因子、12 ℃蠕變速率、Jnr(3.2 kPa)、R(3.2 kPa)影響顯著。這是因?yàn)楣柙逋辆哂斜缺砻娣e大的特點(diǎn),能夠提高其與瀝青的表面潤(rùn)濕作用和界面吸附作用,其與瀝青的交互作用更強(qiáng)。隨著摻量和細(xì)度的增大,這種作用不斷增強(qiáng),表現(xiàn)為瀝青膠漿高溫性能增強(qiáng),并且影響效果顯著。對(duì)比摻量和細(xì)度的P值大小可以看出,上述性能指標(biāo)中摻量P值始終小于細(xì)度P值,表明硅藻土摻量始終較細(xì)度對(duì)瀝青膠漿性能的影響程度大。相較于硅藻土細(xì)度,硅藻土摻量越大,硅藻土在瀝青膠漿中體積占比越大,在攪拌均勻的前提下,分散范圍更廣,體積效應(yīng)顯著,通過(guò)自身空隙吸收瀝青中的輕質(zhì)組分,形成類似錨固點(diǎn)數(shù)量增多,產(chǎn)生的錨固作用越強(qiáng),因此硅藻土摻量較細(xì)度對(duì)瀝青性能影響程度更大。延度與12 ℃勁度模量方差分析結(jié)果表明,硅藻土細(xì)度對(duì)其影響效果并不顯著,這是由于在低溫環(huán)境下,填料和瀝青各組分活性降低,各組分吸附作用程度降低,體積效應(yīng)及錨固作用發(fā)揮主要作用,表現(xiàn)為硅藻土細(xì)度對(duì)瀝青膠漿低溫性能影響程度較低。

考慮瀝青中輕質(zhì)組分含量存在下限(過(guò)低會(huì)造成瀝青變硬,喪失流動(dòng)性),這意味著錨固點(diǎn)數(shù)量也不宜過(guò)多,硅藻土摻量以不超過(guò)20%為宜。由于硅藻土細(xì)度目數(shù)越大,加工成本越高,綜合考慮性能及經(jīng)濟(jì)性,建議在硅藻土摻量較高的前提下,硅藻土細(xì)度選用500 目。

3 結(jié) 論

1)硅藻土的摻入對(duì)瀝青性能起到積極作用,且摻量在0%～20%范圍內(nèi),細(xì)度目數(shù)在200～800 目范圍內(nèi),硅藻土摻量與細(xì)度目數(shù)越大,改性瀝青高溫性能越好,抗永久變形能力越強(qiáng);在低溫性能方面,硅藻土起一定負(fù)面作用,但在同一摻量條件下,硅藻土細(xì)度目數(shù)對(duì)低溫性能的影響并不顯著。

2)從改性機(jī)理分析,硅藻土對(duì)瀝青的改性效果主要取決于硅藻土的物理性質(zhì),并沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生。此得益于硅藻土的多孔結(jié)構(gòu),其與瀝青之間黏附性較好,使瀝青表現(xiàn)出較好的性能,但硅藻土摻量過(guò)高則會(huì)出現(xiàn)重疊與團(tuán)聚現(xiàn)象,造成硅藻土對(duì)瀝青改性效果降低。

3)綜合考慮性能與經(jīng)濟(jì)性,建議硅藻土摻量為20%,細(xì)度選用500 目。