硅藻精土改性瀝青混合料抗水侵蝕性能研究

梁高榮 陳其龍 覃峰

摘要：文章通過將硅藻土提純得到硅藻精土并按不同比例摻入到瀝青中，進(jìn)行瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及浸水車轍試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過馬歇爾試驗(yàn)得出，當(dāng)硅藻精土的摻配比為13%時(shí)，瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)效果;硅藻精土摻量為13%時(shí)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度達(dá)到的峰值是基質(zhì)瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度的1.05倍，說明加入硅藻精土后可以有效提高混合料的力學(xué)特性;在凍融劈裂試驗(yàn)中，硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較70#瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，其中摻入13%硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較70#瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度提高了近6.5%;在浸水車轍試驗(yàn)中，摻入硅藻精土的瀝青混合料變形量均比基質(zhì)瀝青混合料小，動(dòng)穩(wěn)定度均比基質(zhì)瀝青大，說明加入硅藻精土改性劑后可以有效提高混合料的抗變形能力。綜合得出13%摻量的硅藻精土改性瀝青混合料的抗水侵蝕性能效果最佳。

關(guān)鍵詞：硅藻精土;改性瀝青;混合料;抗水侵蝕;性能研究

This article adds the diatom fine soil purified from diatomite into the asphalt in different proportions to conduct the asphalt mixture Marshall test，water immersion Marshall test，freezethaw splitting test and water immersion rutting test.The test results show that，as shown from Marshall test，when the blending ratio of diatom fine soil content is 13%，all indexes of asphalt mixture reach the best performance;when the diatom fine soil content is 13%，the waterimmersed Marshall residue stability reaches the peak value which is 1.05 times of waterimmersed Marshall residual stability of matrix asphalt mixture，indicating that the mechanical properties of the mixture can be effectively improved after adding the diatom fine soil;in the freezethaw splitting test，the splitting strength of diatomite modified asphalt mixture is significantly stronger than that of the 70# asphalt mixture，of which the splitting strength of modified asphalt mixture with 13% diatom fine soil is increased by nearly 6.5% compared with the splitting strength of 70# asphalt mixture;in water immersion rutting test，the deformation of asphalt mixture mixed with diatomite content is smaller than that of the matrix asphalt mixture，and the dynamic stability is larger than that of the matrix asphalt，indicating that the addition of diatom fine soil modifier can effectively improve the deformation resistance of mixtures.It is concluded that the modified asphalt mixture at 13% diatomite content has the best water erosion resistance effect.

Diatomite;Modified asphalt;Mixture;Water erosion resistance;Performance study

0 引言

硅藻土是一種生物礦沉積巖，具有良好的分散性能及穩(wěn)定的化學(xué)性能、耐磨性能以及絕緣電性能等，屬于一種無機(jī)質(zhì)材料[1]。陳其龍等[2]通過在瀝青中加入最佳摻量為13%的硅藻精土進(jìn)行相關(guān)路用性能試驗(yàn)研究，研究表明：普通70#基質(zhì)瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度僅達(dá)到硅改瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度的0.84倍。王宏斌等[3-4]通過對(duì)普通瀝青與硅藻土改性瀝青的性能進(jìn)行對(duì)比檢測，研究得出硅藻土的加入使得瀝青對(duì)溫度的敏感性明顯降低，使瀝青的三大指標(biāo)得到明顯的增強(qiáng)。李劍等[5-6]研究了硅改性瀝青及其混合料的性能，得出硅改性瀝青混合料在瀝青和混合料方面各項(xiàng)性能指標(biāo)都有了顯著的提高。高靜等[7-8]通過將三種不同純度的硅藻土摻入基質(zhì)瀝青及瀝青混合料中進(jìn)行一系列的室內(nèi)試驗(yàn)測試，研究測試表明：在瀝青中加入硅藻土拌制瀝青混合料能夠大大改善瀝青混合料的高、低溫性能。

本試驗(yàn)通過將提純的硅藻精土加入70#Esso重交基質(zhì)瀝青配制硅改性瀝青，硅改性瀝青混合料抗水侵蝕性能研究則針對(duì)不同摻量提純的硅藻精土改性瀝青結(jié)合設(shè)計(jì)的級(jí)配進(jìn)行。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 硅藻精土

試驗(yàn)采用省外某品牌的硅藻土經(jīng)提純后得到硅藻精土，各項(xiàng)物化指標(biāo)如表1所示。

1.2 瀝青

試驗(yàn)采用70#Esso重交基質(zhì)瀝青，瀝青的基礎(chǔ)性能指標(biāo)如表2所示。其他如動(dòng)力黏度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 040-2004）[9]的要求。

1.3 礦料

制備混合料所需的礦料，選用廣西某巖石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r礦料作為粗集料與細(xì)集料。礦料表觀密度、含水量等技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）[10]的要求。礦粉選用的是高細(xì)礦粉，其各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。

2 試驗(yàn)樣品制備

本試驗(yàn)采用0%、7%、9%、11%、13%、15%摻量的提純硅藻土配制改性瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）[11]（下文簡稱《規(guī)程》）的要求制備最佳油石比試驗(yàn)樣、浸水馬歇爾試驗(yàn)樣、凍融劈裂試驗(yàn)樣以及浸水車轍試驗(yàn)樣。

3 性能試驗(yàn)

3.1 礦料級(jí)配

試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)際及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的級(jí)配如表4所示。

3.2 最佳油石比實(shí)驗(yàn)

最佳油石比試驗(yàn)即馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)《規(guī)程》要求各試樣必須滿足質(zhì)量和高度要求，否則作廢。實(shí)驗(yàn)采用的儀器為全自動(dòng)Marshall試驗(yàn)儀，試樣采用雙面各擊實(shí)75次成型。將試樣冷卻24 h后，測定并記錄測試結(jié)果以及瀝青混合料的瀝青飽和度、空隙率、礦料間隙率、穩(wěn)定度以及流值等指標(biāo)，指標(biāo)結(jié)果見表5。

由表5得出：

（1）與70#Esso重交基質(zhì)瀝青配制混合料最佳油石比相比，經(jīng)提純的硅藻土改性瀝青配制的瀝青混合料的最佳油石比有所提高。由于油石比的增加改善了瀝青路面的抗老化性能和耐久性能，使得瀝青路面的壽命得以延長。

（2）不同摻量硅藻精土改性瀝青混合料的密度整體呈平穩(wěn)態(tài)勢，這是因?yàn)楣柙寰恋拿芏认鄬?duì)于其他礦料的密度要小得多。

（3）VV伴隨著提純硅藻土的加入先增加后減小。當(dāng)提純硅藻土的摻配量為13%時(shí)，VV最小，說明經(jīng)提純的硅藻土微觀孔隙增多，需要吸附更多的瀝青，但當(dāng)硅藻土達(dá)到一定量后，則無法再吸附瀝青。

（4）瀝青混合料強(qiáng)度和耐久性設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一就是礦料間隙率。礦料間隙率過小，瀝青混合料路面的耐久性將無法保證，這會(huì)縮短瀝青路面的使用壽命;礦料間隙率過大，則會(huì)增大瀝青路面的變形從而影響混合料的高溫性能。

（5）飽和度伴隨著提純硅藻土用量的增加而增大，說明提純硅藻土的加入使得混合料礦料間的有效瀝青層厚度在增加。

（6）70#Esso重交基質(zhì)瀝青混合料的穩(wěn)定度剛過標(biāo)準(zhǔn)線，但是摻配了提純硅藻土改性瀝青混合料的穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青混合料至少提高了30%。穩(wěn)定度是反映瀝青路面力學(xué)特性的重要指標(biāo)，能夠直觀地反映混合料抵抗破壞的能力，也是瀝青混合料高溫抗車轍性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。硅改性瀝青混合料穩(wěn)定度的提升，闡明了提純的硅藻土作為改性劑在一定程度上提高了混合料的高溫抗變形性能。

3.3 浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)《規(guī)程》要求各試樣必須滿足質(zhì)量和高度要求，否則作廢。實(shí)驗(yàn)采用的儀器為全自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀，試樣雙面各擊實(shí)75次成型，冷卻24 h后脫模，再放在60 ℃±0.5 ℃恒溫水槽中浸泡48 h，測定各自穩(wěn)定度以及計(jì)算殘留穩(wěn)定度，結(jié)果如表6所示。

由表6分析得出：

（1）伴隨提純硅藻土摻配比的增加，試樣浸水前后的穩(wěn)定度均呈上升的趨勢，在提純硅藻土摻配比為13%時(shí)，穩(wěn)定度均達(dá)到最大。

（2）隨著提純硅藻土摻配比的增加，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度明顯提升，在硅藻精土摻量為13%時(shí)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度達(dá)到峰值且是基質(zhì)瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度的1.05倍，說明加入提純硅藻土后可以有效提高混合料的力學(xué)特性。

3.4 凍融劈裂實(shí)驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)所擊實(shí)的試樣也是標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，不同的地方在于凍融劈裂試驗(yàn)中試樣雙面的擊實(shí)次數(shù)各為50次。試驗(yàn)依據(jù)《規(guī)程》要求各試樣必須滿足質(zhì)量和高度要求，否則作廢。根據(jù)《規(guī)程》的要求，各個(gè)摻量的混合料采用8個(gè)試樣數(shù)，分別對(duì)其編號(hào)并隨機(jī)分成2組。第一組室溫下保存?zhèn)溆?第二組按《規(guī)程》規(guī)定首先進(jìn)行真空飽水后放入-18 ℃±2 ℃的冷凍箱冷凍16 h±1 h，然后再放入60 ℃±0.5 ℃的恒溫水箱中保溫24 h。最后需要將兩組試樣一起放入25 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中，≥2 h后測試各組抗拉劈裂強(qiáng)度，詳見下頁表7。

根據(jù)表7可以看出：

（1）在凍融前后70#Esso重交基質(zhì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度明顯沒有摻入硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度大，結(jié)果表明加入提純硅藻土改性劑后可以有效提高混合料的劈裂強(qiáng)度。

（2）經(jīng)提純的硅藻土摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度比不成線性關(guān)系，但13%摻量的硅藻精土改性瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度比達(dá)到最大，較70#Esso重交基質(zhì)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度提升近6%。

3.5 浸水車轍實(shí)驗(yàn)

評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水侵蝕性能的試驗(yàn)方法除了浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)還有浸水車轍試驗(yàn) [12]。

通過將常規(guī)成型冷卻的車轍試樣放入預(yù)先準(zhǔn)備好的目標(biāo)水溫中（水溫恒溫），要求完全浸泡至少6 h（在試驗(yàn)測試時(shí)試樣不浸水），浸泡后將試件分別放入車轍試驗(yàn)機(jī)內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)將車轍儀溫度設(shè)置為（60±1） ℃，荷載輪壓為（7±0.05） MPa，作用時(shí)間60 min。測試45～60 min時(shí)間內(nèi)的試樣變形量、計(jì)算該時(shí)間段內(nèi)試樣的動(dòng)穩(wěn)定度如表8所示。

由表8可知：

（1）隨著硅藻精土摻量的增加，浸水車轍試驗(yàn)試樣的變形量先減小再增大，當(dāng)硅藻精土摻量為13%時(shí)，變形最小。

（2）摻入硅藻精土的瀝青混合料變形量均比基質(zhì)瀝青混合料要小， 動(dòng)穩(wěn)定度均比70#Esso重交基質(zhì)瀝青要大，說明加入提純硅藻土改性劑后可以有效提高混合料的抗變形能力。

4 結(jié)語

本文通過將硅藻土提純得到硅藻精土并按不同比例摻入瀝青中，進(jìn)行硅藻精土改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論：

（1）通過馬歇爾試驗(yàn)得出，當(dāng)硅藻精土的摻配比為13%時(shí)，瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)效果。

（2）通過對(duì)比不同摻量的硅藻精土改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)，分析得出在硅藻精土摻配比為13%時(shí)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度達(dá)到峰值且是基質(zhì)瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度的1.05倍，說明加入硅藻精土后可以有效提高混合料的力學(xué)特性。

（3）摻入硅藻精土的改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度明顯增強(qiáng)且摻入13%硅藻精土的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，其中13%硅藻精土改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較70#Esso重交瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度提高了近6.5%。

（4）浸水車轍試驗(yàn)中，摻入硅藻精土的瀝青混合料變形量均比基質(zhì)瀝青混合料要小， 動(dòng)穩(wěn)定度均比基質(zhì)瀝青要大，說明加入硅藻精土改性劑后可以有效提高混合料的抗變形能力。

（5）綜合考慮馬歇爾試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)以及浸水車轍試驗(yàn)可知，要使硅藻精土改性瀝青混合料達(dá)到最佳的抗水侵蝕性能，建議硅藻精土的最佳摻配量為13%。

參考文獻(xiàn)：

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