曹洪梅， 曹珍平

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 德陽　618000；　2.綿陽市川交公路規(guī)劃勘察設(shè)計有限公司， 四川 綿陽　621000)

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硅藻土對Sasobit溫拌瀝青混合料路用性能的影響

曹洪梅1， 曹珍平2

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 德陽618000；2.綿陽市川交公路規(guī)劃勘察設(shè)計有限公司， 四川 綿陽621000)

[摘要]采用車轍試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗以及MMLS3加速加載試驗研究了添加硅藻土前后Sasobit溫拌瀝青混合料路用性能。試驗結(jié)果表明，添加硅藻土后Sasobit溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性有了明顯改善，同時高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性也有了一定提高。

[關(guān)鍵詞]硅藻土； Sasobit溫拌瀝青混合料； 路用性能

0前言

溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt 簡稱WMA)是指使用特定的添加劑或技術(shù)，使得瀝青混合料的拌和溫度介于熱拌瀝青混合料(HMA，拌和溫度150～180 ℃)和冷拌瀝青混合料(10～40 ℃)之間，其技術(shù)性能達到或接近相同級配熱拌瀝青混合料的一種新型瀝青混合料[1-4]。自《京都協(xié)議書》簽訂之后，為了減少溫室氣體排放，歐洲許多國家開始研究溫拌技術(shù)，經(jīng)過十多年的發(fā)展，溫拌技術(shù)已經(jīng)在歐洲、美國、日本等地得到廣泛應(yīng)用，歐洲瀝青路面協(xié)會一項調(diào)查結(jié)果表明，美國在2010年WMA的使用量已經(jīng)達到424萬t，到了2011年WMA的使用量已經(jīng)超過了700萬t[5]。我國在2005年才開始引進溫拌技術(shù)，經(jīng)過近十年的技術(shù)探索，已取得了一些研究成果，同時北京、上海等地也結(jié)合本地的工程經(jīng)驗和理論研究成果制定了溫拌瀝青混合料技術(shù)指南，這對推動溫拌技術(shù)在國內(nèi)的的發(fā)展起到了積極作用。然而由于溫拌技術(shù)在國內(nèi)起步晚，底子薄，研究還不夠深入，以至于對溫拌瀝青混合料的認識仍存在欠缺，如溫拌瀝青混合料的長期路用性能研究及其存在的技術(shù)缺陷等還處于灰色狀態(tài)，本文在研究溫拌瀝青混合料路用性能的基礎(chǔ)之上研究了硅藻土對溫拌瀝青混合料技術(shù)缺陷的改善作用，以期為溫拌技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。

1試驗原材料性質(zhì)

1.1瀝青

試驗采用Shell90#重交通石油瀝青，對基質(zhì)瀝青的性能進行了試驗檢測[6]，試驗結(jié)果見表1。

表1 Shell90#基質(zhì)瀝青試驗結(jié)果Table1 Shell90#matrixasphalttestresults指標(biāo)技術(shù)要求試驗結(jié)果試驗方法針入度(25℃)/0.1mm80～10084.6T0604密度(15℃)/(g·cm-3)實測值1.030T0603延度(5cm/min,10℃)/cm≥20 >100T0605軟化點/℃≥45 49T0606閃點(COC)/℃≥240 300T0611含蠟量/%≤2.20.6T0615彈性恢復(fù)(25℃)/cm≥65 98.7T066260℃動力粘度/(Pa·s)≥160 168.2T0620溶解度(三氯乙烯)/%≥99.599.9T0607RTFOT后殘留物質(zhì)量損失/%±0.8-0.01T0609殘留針入度比/%≥5765T0604殘留延度(5℃)/cm≥812.3T0605

1.2集料

本文粗細集料均選用石灰?guī)r，根據(jù)公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F41-2008)的要求對所用集料主要技術(shù)指標(biāo)進行測試[7]，試驗結(jié)果見表2和表3，試驗結(jié)果表明粗細集料各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，可用于試驗研究。

表2 粗集料性能檢測結(jié)果Table2 Coarseaggregateperformancetestresults檢測項目試驗結(jié)果10～20mm5～10mm指標(biāo)要求表觀相對密度2.7912.804≥2.50對瀝青的黏附性5級≥4吸水率/%0.70.6≤2<0.075mm含量/%0.070.23≤1針片狀含量9—≤12壓碎值/%1515≤28洛杉磯磨耗損失/%20.420.4≤30

表3 機制砂檢測結(jié)果Table3 Mechanismsandtestresults技術(shù)指標(biāo)試驗值要求值表觀相對密度2.732≥2.5砂當(dāng)量/%79≥60棱角性/s33.4≥30堅固性/%0.7≤12亞甲藍/(g·kg-1)14≤25<0.075mm含量/%4.3≤10

1.3硅藻土

如圖1所示硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，其富含SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，硅藻土是由硅藻(一種單細胞的水生藻類)遺骸和軟泥固結(jié)而成的沉積礦，在我國總儲存量約為10億t。將硅藻土用作改性劑添加到基質(zhì)瀝青中，可對瀝青混合料的路用性能起改善作用。由于硅藻土具有孔結(jié)構(gòu)多、高空隙率、高縫隙率、大內(nèi)外比表面積、表面吸附能力強等特點，硅藻土改性瀝青能顯著改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。然而，硅藻土對混合料的其他路用性能的改善，比如高溫性能、低溫性能不如對水穩(wěn)定性改善那么明顯[8，9]。

圖1　硅藻土宏觀、微觀照片

1.4Sasobit溫拌劑

溫拌技術(shù)的實質(zhì)是通過降低瀝青混合料的高溫粘度來提高瀝青混合料的施工和易性，每種溫拌劑對溫拌瀝青混合料的作用機理都不盡相同。Sasobit溫拌劑由于其熔點低，受熱易于融化從而極大地降低了瀝青粘度，進而降低了瀝青混合料的拌和、攤鋪、碾壓溫度。本文使用的Sasobit溫拌劑為白色小顆粒狀，廠家推薦的最佳摻加比例為瀝青粘結(jié)料質(zhì)量的1.5%～3.5%，本文選擇1.5%Sasobit摻量，試驗過程中以干法、外摻形式加入Sasobit溫拌劑。

2Sasobit溫拌瀝青混合料路用性能研究

采用AC-13中在值級配對溫拌瀝青混合料的路用性能進行試驗研究。根據(jù)粘溫曲線試驗確定Sasobit溫拌瀝青混合料的拌和溫度為148 ℃，碾壓溫度為135 ℃。按照馬歇爾試驗結(jié)果確定溫拌瀝青混合料的最佳油石比4.4%，馬歇爾體積指標(biāo)見表4。

表4 AC-13Sasobit溫拌瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果Table4 AC-13sasobitwarmmixasphaltmixturemar-shalltestresults最佳油石比VV/%VMA/%VFA/%毛體積密度/(g·cm-3)4.4%4.115.770.22.548規(guī)范要求3～6≥1465～75—

按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的車轍試驗、凍融劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗、低溫小梁彎曲試驗來研究Sasobit溫拌瀝青混合料的路用性能，試驗結(jié)果見表5～表8。

表5 60℃車轍試驗結(jié)果Table5 60℃ruttingtestresults混合料類型油石比/%d45mind60min車轍試驗動穩(wěn)定度DS/(次·mm-1)HMASasobitWMA4.42.7013.01720272.8173.1551904

表6 凍融劈裂試驗結(jié)果Table6 Freeze-thawsplittingtestresults混合料類型AC-13凍融前劈裂強度/MPa凍融后劈裂強度/MPaTSR/%HMAHMA1.1461.09895.8SasobitWMASasobitHMA0.8350.63272.1

表7 浸水馬歇爾試驗結(jié)果Table7 ImmersionMarshalltestresults混合料類型浸水48h穩(wěn)定度/kN未浸水穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%HMA15.9315.0494.4SasobitWMA13.3411.5586.6

表8 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果Table8 Trabecularinlowtemperaturebendingtestresults混合料類型抗彎拉強度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa破壞應(yīng)變能/kPaHMA13.6734273375.3529.87SasobitWMA11.992099.073809.1314.65

由以上試驗結(jié)果可知：

① 添加Sasobit溫拌劑后溫拌瀝青混合料的車轍試驗動穩(wěn)定度與HMA相比有所下降，45 min和60 min車轍深度有所增加，比較車轍試驗動穩(wěn)定度可以發(fā)現(xiàn)，二者的抗車轍能力相差不大。

② 從凍融劈裂試驗可以看出，添加Sasobit溫拌劑后，溫拌瀝青混合料的凍融劈裂強度顯著下降，甚至不滿足規(guī)范TSR大于75%要求，浸水馬歇爾試驗結(jié)果也呈出現(xiàn)類似的變化規(guī)律，唯一不同的是浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度勉強大于規(guī)范85%的要求。水穩(wěn)定性變差主要由Sasobit溫拌劑自身性質(zhì)所致，嚴(yán)格意義上講，Sasobit是一種晶體結(jié)構(gòu)的蠟狀物，具有蠟的性質(zhì)，因此添加后會影響混合料的水穩(wěn)定性。在工程應(yīng)用中應(yīng)加強Sasobit溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性檢驗，尤其在多雨地區(qū)，當(dāng)溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性較差時，必須采取添加抗剝落劑、消石灰、硅藻土等措施來改善其水穩(wěn)定性。

③ 比較AC-13HMA與AC-13SasobitWMA的最大彎拉應(yīng)變和破壞應(yīng)變能可知，Sasobit對瀝青混合料的低溫性能確實有不利影響。

④ 采用STPS統(tǒng)計軟件對以上試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果表明，Sasobit對溫拌瀝青混合料的d60 min、車轍試驗動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變的顯著性概率均大于0.05，而對于凍融劈裂強度比的顯著性概率小于0.05，因此溫拌劑的加入顯著的降低了溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

由以上試驗分析可以發(fā)現(xiàn)，添加Sasobit溫拌劑后，WMA的路用性能基本滿足規(guī)范的要求，但由于混合料水穩(wěn)定性較差，應(yīng)當(dāng)在采取提高Sasobit溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性措施后方可使用。

3硅藻土對Sasobit溫拌瀝青混合料的影響

從上節(jié)的研究可知，Sasobit溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性是其路用性能薄弱環(huán)節(jié)，尤其是凍融劈裂強度不滿足規(guī)范要求，這與溫拌瀝青混合料集料烘干不充分以及Sasobit本身的性質(zhì)有關(guān)。本節(jié)擬通過和硅藻土復(fù)配來對Sasobit固體類溫拌劑的路用性能進行改進，以期得到綜合路用性能更加優(yōu)良的復(fù)合溫拌劑。

3.1復(fù)合溫拌劑復(fù)配方案

參考已有文獻資料，初步確定硅藻土摻量為瀝青質(zhì)量的6%，Sasobit摻量為瀝青質(zhì)量的1.5%。通過研究硅藻土摻量對復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)以及混合料路用性能的影響，來確定硅藻土最佳摻量。試驗發(fā)現(xiàn)，硅藻土摻量達到瀝青質(zhì)量的5%時，復(fù)合改性瀝青的3大指標(biāo)變化趨于平緩，同時凍融劈裂試驗也表明該摻量下硅藻土與Sasobit復(fù)合溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性有顯著提高，且隨著硅藻土摻量的進一步增大，復(fù)合溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性增加不是很明顯。兼顧工程的經(jīng)濟性和混合料的路用性能，因此本文確定的復(fù)合溫拌劑的復(fù)配方案確定為：

硅藻土：Sasobit=5：1.5，復(fù)合改性劑占瀝青質(zhì)量的6.5%。

3.2硅藻土對Sasobit溫拌瀝青混合料長期性能的影響

本文使用MMLS3小型加速加載設(shè)備對硅藻土與Sasobit復(fù)合改性溫拌瀝青混合料的長期使用性能進行了試驗研究。

3.2.1試驗條件

試驗前首先采用高速球磨求設(shè)備將硅藻土與Sasobit按復(fù)配比例碾磨至混合均勻，然后再以干法、外摻的形式加入混合料中?；旌狭习韬途鶆蚝蟪尚痛篑R歇爾試件，按標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸去馬歇爾試件中間5 cm進行加速加載試驗。MMLS3試驗槽裝置設(shè)備(見圖2)每次能同時對9個芯樣進行試驗，根據(jù)設(shè)備的特點，本文對AC-13熱拌瀝青混合料、硅藻土與Sasobit復(fù)合改性瀝青混合料以及硅藻土改性瀝青混合料進行了加速加載試驗，進而得到不同類型瀝青混合料長期性能隨加載次數(shù)的變化規(guī)律。

圖2　加速加載試驗設(shè)備及加載破壞后的試件

Figure 2Accelerated loading test equipment and the load of specimen after damage

加速加載試驗時，采用標(biāo)準(zhǔn)軸載(0.7 MPa)。試驗過程通過試槽底部的加熱系統(tǒng)控制試驗溫度，為了較好模擬行車荷載對路面結(jié)構(gòu)的作用，特別是重車的作用，本文采用的加載速率為6 000次·h-1。MMLS3加速加載設(shè)備可測試并記錄不同加載次數(shù)時各試件的車轍深度隨軸載次數(shù)的變化規(guī)律。目前關(guān)于加速加載試驗的試驗條件(試驗溫度、試件是否浸水等)、試驗評價方法與評價指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)加載次數(shù)、加載速率等仍處于探索階段。經(jīng)過室內(nèi)初步探索本文發(fā)現(xiàn)，在室溫條件下進行加速加載試驗，試件的破壞次數(shù)可達到幾百甚至上千萬次；60 ℃條件下進行試驗，試件的破壞次數(shù)可達到近百萬次；50 ℃浸水條件下進行試驗，不同類型的瀝青混合料破壞次數(shù)從幾萬次到幾十萬次不等，試驗結(jié)果區(qū)分較明顯。綜合考慮之下，本文選擇50 ℃浸水條件進行加速加載試驗。

3.2.2車轍深度變化

為了直觀對不同類型瀝青混合料試件的車轍發(fā)展速度隨加速加載次數(shù)的變化規(guī)律，對熱再生混合料試件在不同加載次數(shù)作用下的車轍深度進行研究。加速加載試驗結(jié)果見圖3。

圖3　車轍變形量隨加載次數(shù)的變化規(guī)律Figure 3　Rut deformation changing with the load times

50 ℃浸水條件下加速加載試驗結(jié)果表明，對于所有的混合料試件在加載次數(shù)不是很大的階段(<5萬次)，車轍深度變化較快，這是由于在初始加載階段，混合料處于壓密階段，車轍變化表現(xiàn)為壓密變形，隨著加載次數(shù)增加，所有試件車轍深度均不斷增加，但是車轍增長幅度沒有初始壓密階段大，表明車轍發(fā)展已趨于穩(wěn)定。由圖3可以清晰地發(fā)現(xiàn)：Sasobit溫拌瀝青混合料加載次數(shù)達到10萬次左右發(fā)生就發(fā)生了明顯的剪切破壞，而添加硅藻土后破壞次數(shù)可以增加到25萬次多，相比增加了150%。另外添加硅藻土后，溫拌瀝青混合料在浸水條件下的車轍深度明顯小于熱拌瀝青混合料，抗車轍能力可以喝硅藻土改性瀝青相媲美。

3.2.3車轍變化率

由圖3可知: 浸水條件下的加速加載試驗，車轍的產(chǎn)生可以分為3個階段，即：壓密階段、蠕變穩(wěn)定階段和加速破壞階段。為了比較不同混合料試件的車轍發(fā)展速度，本文引入了車轍深度變化率的概念，所謂的車轍變化率是指加載每萬次的車轍深度變化，單位為mm·萬次-1，這與車轍試驗動穩(wěn)定度DS的定義相類似。表9給出了蠕變穩(wěn)定階段不同混合料試件加速加載試驗車轍深度變化率。

表9 蠕變穩(wěn)定階段不同混合料試件加速加載試驗車轍深度變化率Table9 Stablecreepstageacceleratedloadingtestspeci-mensrutdepthchangerate混合料類型平均變化率/(mm·萬次-1)SasobitWMA0.59HMA0.0623硅藻土改性SasobitWMA0.0513硅藻土改性HMA0.0494

計算結(jié)果表明加入硅藻土后Sasobit溫拌瀝青混合料的車轍深度變化率顯著減小，由不摻加硅藻土?xí)r的0.59 mm·/萬次降低到0.05130.59 mm·/萬次，減小了近10倍。摻加硅藻土后的Sasobit溫拌瀝青混合料車轍深度變化率不僅小于熱拌瀝青混凝土，而且略小于硅藻土改性瀝青混合料。對蠕變穩(wěn)定階段加速加載試驗車轍變形量與加載次數(shù)進行擬合，結(jié)果見表10。

表10 蠕變穩(wěn)定階段加載次數(shù)與車轍變形量回歸關(guān)系Table10 Stablecreepstageloadingtimesandtherelationbetweenrutdeformation混合料類型擬合方程相關(guān)系數(shù)備注SasobitWMAy=-5.84475×exp(-x/3.78383)+5.872620.9566HMAy=-3.81029×exp(-x/2.57738)+3.810490.99993硅藻土改性SasobitWMAy=-3.61567×exp(-x/4.49744)+3.665950.97993硅藻土改性HMAy=-3.46567×exp(-x/4.39603)+3.50610.98502X為加載次數(shù),單位:萬次;y為車轍變形量,單位:mm

擬合結(jié)果表明：在蠕變穩(wěn)定階段加速加載試驗的加載次數(shù)與車轍變形量之間具有很好的指數(shù)關(guān)系：y=A1×exp(-x/t1)+y0(X為加載次數(shù)，單位：萬次；y為車轍變形量，單位：mm)，回歸參數(shù)y0可代表混合試件在蠕變穩(wěn)定階段末可達到的最大車轍變形量，變形量超過y0后混合料即進入破壞階段，y0越大混合料的抗車轍能力越差，越小抗車轍能力越強。比較表10擬合方程式可以發(fā)現(xiàn)，y0的大小順序為SasobitWMA> HMA>硅藻土改性SasobitWMA>硅藻土改性HMA。綜上硅藻土的加入確實改善了Sasobit溫拌瀝青混合料的抗車轍能，提高了溫拌瀝青混合料的抗水損害能力。

3.3硅藻土對Sasobit溫拌瀝青混合料低溫性能的影響

瀝青路面的開裂是各國道路界普遍關(guān)注的問題，至今仍是各國瀝青路面最為普遍的損害形式之一[10]。目前評價瀝青混合料的低溫抗裂性能的試驗方法有溫度應(yīng)力試驗、低溫彎曲試驗、蠕變試驗、凍斷試驗、J積分試驗等。我國規(guī)范采用采用-10 ℃小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性，以最大彎拉應(yīng)變表征瀝青混合料的抗低溫開裂能力大小。相關(guān)研究結(jié)果表明，瀝青混合料中儲存的彈性應(yīng)變能越多，其低溫抗裂性能就越好。由于瀝青混合料具有一定的儲存能量能力，這種儲存能力的大小可直接用試驗的方法確定，簡稱破壞能。如果瀝青混合料試件破壞時所消耗的能量越大，那么其低溫抗裂性能就越好[11]。根據(jù)瀝青混合料的破壞能的定義，可以將其單位體積的破壞能表示為式(1)：

(1)

通過研究低溫彎曲試驗結(jié)果曲線發(fā)現(xiàn)，三次多項式可較好地模擬低溫彎曲試驗上升階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。即：

δ=A+B1X+B2X2+B3X3

(2)

式中：A、B1、B2和B3表示回歸后的材料參數(shù)。

將式(1)代入式(2)中，就可以計算出瀝青混合料的破壞應(yīng)變能。

(3)

本文采用三分點彎曲試驗研究了，摻加硅藻土前后Sasobit溫拌瀝青混合料的低溫抗裂性，試驗結(jié)果見表11。

表11 低溫彎曲試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線回歸關(guān)系式Table11 Lowtemperaturebendingteststressstraincurveregressionequation混合料類型抗彎拉強度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa破壞應(yīng)變能/kPaSasobitWMA11.992099.073809.1314.65HMA13.6734273375.3529.87硅藻土改性SasobitWMA13.133382.453297.4328.55硅藻土改性HMA13.433367.493430.4929.43

由低溫彎曲試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，加入硅藻土后，Sasobit溫拌瀝青混合料的抗彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變、和破壞應(yīng)變能均有所增加，表明硅藻土改善了Sasobit溫拌瀝青混合料的低溫抗裂性能。同時也可以發(fā)現(xiàn)，添加硅藻土前后Sasobit溫拌瀝青混合料的的最大彎拉應(yīng)變并沒有超過普通熱拌瀝青混凝土。

4結(jié)論

與熱拌瀝青混合料相比，添加Sasobit溫拌劑后溫拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性均略有下降，而水穩(wěn)定性下降較為明顯，當(dāng)氣候分區(qū)內(nèi)瀝青混合料水穩(wěn)定性的要求較嚴(yán)格時，需采取添加抗剝落劑、消石灰、硅藻土等措施來改善其水穩(wěn)定性。加速加載試驗結(jié)果表明添加硅藻土后Sasobit溫拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損害能力得到顯著改善，同時溫拌瀝青混合料的低溫性能也略有提升。

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The Influence of Diatomaceous on Road Performance of >Warm Mix Asphalt

CAO Hongmei1， CAO Zhenping2

(1.Sichuan Construction Vocational and Technical College， Deyang， Sichuan 618000， China；2.Mianyang， Sichuan Highway Planning Survey and Design Co.， LTD. Mianyang， Sichuan 621000， China)

[Abstract]this article mainly the rutting test、freeze-thaw splitting test、low-temperature bending test and the MMLS3 accelerated loading test was used tostudy The Influence of Diatomaceous on Road Performance of Warm Mix Asphalt，the research results show that after adding diatomite Sasobit warm mix asphalt mixture water stability has improved significantly，at the same time，high temperature stability and low temperature crack resistance also had certain improvement.

[Key words]diatomite； sasobit warm mix asphalt mixture； road performance

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0216-05

[作者簡介]曹洪梅(1980-)，女，四川德陽人，工程碩士，工程師，講師，研究方向：公路與橋梁。

[收稿日期]2014-02-21