韓　娟， 楊青瑩

(1.鄭州科技學院， 河南 鄭州　450064;　2.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院， 河南 鄭州　451191)

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摻加硅藻土的溫拌再生混合料路用性能及改性機理分析

韓娟1， 楊青瑩2

(1.鄭州科技學院， 河南 鄭州450064;2.鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學院， 河南 鄭州451191)

[摘要]針對溫拌再生混合料低溫抗裂性差、水穩(wěn)定性不足等技術缺陷，提出采用硅藻土改性溫拌再生混合料方案，研究硅藻土摻量對溫拌再生混合料的體積特性和力學指標的影響，進而基于車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融循環(huán)試驗和疲勞試驗研究了不同硅藻土摻量下溫拌再生混合料的綜合路用性能，并揭示了硅藻土對溫拌再生混合料的改性機理。結果表明：隨著硅藻土摻量的增大，溫拌再生混合料的最佳油石比增大，摻加硅藻土可顯著提高溫拌再生混合料的低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，11%硅藻土摻量下溫拌再生混合料的抗疲勞性能最優(yōu)，硅藻土對溫拌再生混合料的改性機理在于其提高了再生混合料的瀝青膜厚、提高了瀝青膠漿與集料之間的粘附性、彌補了老化瀝青與新瀝青結合的界面缺陷。

[關鍵詞]路面工程； 硅藻土； 溫拌再生混合料； 路用性能； 改性機理

0前言

目前我國已確立了控制溫室氣體排放行動目標，作為約束性指標納入國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中長期規(guī)劃，回收瀝青路面材料的再生利用以及溫拌節(jié)能減排技術的推廣是推行“綠色公路”理念的必然途徑。溫拌再生瀝青混合料(Warm-RecycledAsphaltMixture，WRAM)是一種“綠色環(huán)保型”道路新興材料，其不僅拌和與壓實溫度相對較低、能源消耗和溫室氣體排放相對較小，還可在新混合料中摻加一定比例的RAP(RecycledAsphaltPavement)，減少集料開采、低碳環(huán)保、節(jié)能減排[1，2]。在日益提倡節(jié)能減排、綠色公路和可持續(xù)發(fā)展的今天，WRMA無疑是一種十分值得提倡的道路建設新技術。北京建筑大學、同濟大學、長安大學等研究了不同RAP摻量下溫拌再生混合料的路用性能，所得結果大致相同[3-8]：隨著RAP摻量的增加，熱拌及溫拌再生瀝青混合料的路用性能除高溫性能有所提高外，低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能均有不同程度的降低，而疲勞性能則明顯占優(yōu)勢，低溫和水穩(wěn)定性不足是制約溫拌再生混合料推廣應用的技術瓶頸，研究普遍認為溫拌再生混合料由于其路用性能不佳，目前只能用于中下面層，經(jīng)濟效益不高，但鮮見采用一定技術措施來改善溫拌再生混合料路用性能的相關報道。國內(nèi)劉麗、譚憶秋[9-13]等針對硅藻土改性瀝青進行了大量研究，研究結果均表明，硅藻土雖對瀝青混合料的各項路用性能均有一定改善作用，尤其對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善最為顯著。為了改善溫拌再生混合料低溫抗裂性差、水穩(wěn)定性不足等技術缺陷，本文提出采用硅藻土改性溫拌再生混合料方案，經(jīng)室內(nèi)試驗和實體工程驗證，該法具有較好的推廣應用前景，可為溫拌再生技術性能的改善提供一個新的改性方案和研究思路。

1試驗材料及配比

1.1Sasobit溫拌劑

溫拌技術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，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，從而降低了瀝青混合料的拌和、碾壓溫度。本文使用的Sasobit溫拌劑為白色小顆粒狀，廠家推薦的摻加比例為瀝青粘結料的1.5%～3.5%，根據(jù)實體工程使用情況本文采用的硅藻土摻量為2.0%，試驗過程中以干法形式加入Sasobit溫拌劑。

1.2舊瀝青路面材料(RecycledAsphaltPavement)

RAP取自于洛駐高速公路現(xiàn)場，將取回的RAP分為0～3、3～10、10～25mm共3檔，通過抽提及回收試驗獲得RAP中老化瀝青，RAP技術性質(zhì)檢測結果見表1和圖1。

表1 RAP技術性質(zhì)試驗結果匯總表Table1 RAPtechnicalpropertytestresults項目檢測項目要求試驗方法AC16含水率/%實測0.36RAP級配實測 見圖1 RAP瀝青含量/%實測JTGF41-2008附錄A4.3砂當量/%>5583理論最大密/(g·cm-3)實測2.568針入度/(0.1mm)>2037RAP中的瀝青軟化點/℃實測JTGE20-201167.710℃延度/cm實測7.3RAP中的粗集料針片狀顆粒含量、壓碎值實測JTGE42-200524.6

圖1　RAP集料級配Figure 1　RAP aggregate gradation

1.3瀝青

考慮到RAP老化程度雖然比較嚴重，但仍滿足熱拌再生的條件，試驗選用高標號瀝青調(diào)和再生和摻加再生劑復合再生。經(jīng)初步試驗確定再生劑摻量為3%(瀝青質(zhì)量的百分比)，按照lgPmix=algPnew+(1-a)lgPold確定新瀝青標號，計算本文所用新瀝青為SK90#石油瀝青。

1.4硅藻土

硅藻土主要是中世紀時期海底或湖泊中的藻類植物遺骸在復雜條件下通過與軟泥固結形成的沉積礦，屬于生物成因的硅質(zhì)沉積巖。硅藻土的主要化學成分是SiO2，同時還有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其中SiO2的含量通常占80%以上，如圖2所示，本研究采用的硅藻土呈黃色，粉末狀，容量瓶法測量其密度為2.254g/cm3，硅藻土具有孔結構多、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，可顯著改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

圖2　硅藻土細微觀圖片

1.5新集料

粗集料選用玄武巖，細集料采用機制砂，經(jīng)檢測集料各項技術指標均滿足規(guī)范要求。

2摻加硅藻土的溫拌再生混合料配合比設計

2.1確定混合料級配

根據(jù)RAP篩分試驗結果，將RAP中除過舊瀝青部分單獨作為一種礦料，進行礦料級配調(diào)整，混合料合成級配見表2。

表2 AC-16瀝青混合料的合成級配Table2 AC-16asphaltsyntheticgrading篩孔尺寸/mm通過率/%規(guī)范級配上限下限40%RAP合成級配19100100100.0169010095.613.2769283.89.5608065.74.75346247.82.36204834.61.18133627.50.692617.20.371811.90.155148.70.075486.1

2.2確定最佳瀝青用量

按照JTGF41-2008修正馬歇爾法確定溫拌再生混合料的最佳油石比，假定RAP材料添加到瀝青混合料中，舊瀝青砂漿層與新瀝青或者再生劑100%融合。試驗選擇RAP摻量為40%，研究硅藻土摻量對溫拌再生混合料性能的影響。控制RAP預熱溫度為120 ℃，以目標空隙率4%確定新集料加熱溫度為200 ℃，溫拌再生混合料拌和溫度約為138 ℃，壓實溫度約為130 ℃，最佳油石表條件下的馬歇爾體積指標、力學指標匯總結果如表3所示。

表3 不同硅藻土摻量AC—16溫拌再生混合料配合比設計結果Table3 DifferentdosageofAC—16diatomitewarmre-cycledmixtureratiodesignresults硅藻土摻量OAC/%VV/(g·cm-3)VMA/%VFA/%MS/%FL/mm04.344.013.4769.659.83.3474.534.013.7270.8410.43.1794.644.014.1271.6711.13.03114.824.014.3372.0811.72.97134.944.014.4572.319.33.16規(guī)范要求—3～6≥13.565～75≥82～4

由表3試驗結果可知： 相同RAP摻量下，摻加硅藻土的溫拌再生混合料各項馬歇爾指標均滿足規(guī)范要求，溫拌再生混合料的最佳油石比隨硅藻土摻量的增大而增加，礦料間隙率、瀝青飽和度也有類似變化規(guī)律，強度指標方面，馬歇爾穩(wěn)定度隨硅藻土摻量的增加呈先增大后減小的變化趨勢。分析其原因，摻加硅藻土后，硅藻土的吸油特性使得溫拌再生混合料集料表面的瀝青膜厚增加，瀝青飽和度增大，此外硅藻土所具有的特殊微觀結構，能吸收瀝青的油分，瀝青膠漿黏度增大改變了基質(zhì)瀝青的膠體結構，有助于改善溫拌再生混合料的力學性能。

3摻加硅藻土的溫拌再生混合料路用性能研究

3.1高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是溫拌再 生混合料的基本指標，其定義 為在高溫和車輪荷載作用下，瀝青混合料抵抗高溫變形的能力，是指瀝青混合料在高溫荷載作用下抵抗永久變形的能力。按照JTGF40-2004要求采用車轍試驗評價不同硅藻土摻量下溫拌再生混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍試驗試件尺寸為300mm×300mm×50mm，試驗的溫度為60 ℃，輪壓為0.7±0.05MPa，試驗輪行走速度為42±1次/min，試驗結果見表4和圖3。

由圖3和表4試驗結果可知: 相比普通40%RAP摻量的溫拌再生混合料，7%、9%、11%、13%硅藻土摻量下60min車轍深度分別降低了25.7%、29.1%、29%、24.1%，車轍試驗動穩(wěn)定度分別增大了27.3%、36.7%、68.8%、58.5%，可見硅藻土的摻加可顯著改善溫拌再生混合料的高溫穩(wěn)定性，硅藻土摻量為11%時車轍試驗動穩(wěn)定度出現(xiàn)峰值。硅藻土對溫拌再生混合料高溫抗永久變形能力改善的原因，可做如下解釋： ①隨著硅藻土的加入，基質(zhì)

表4 不同硅藻土摻量溫拌再生混合料車轍試驗結果Table4 differentdosagediatomitewarmrecycledmixturemixtureruttingtestresults硅藻土摻量/%d45min/mmd60min/mmDS/(次·mm-1)123平均值123平均值123平均值02.7482.9342.6382.7733.1102.9023.0173.008157923511663274771.8331.9502.3702.0512.0042.1452.5462.232368432313580349892.0722.0691.7451.9622.2382.2461.9062.1303795355939133756111.8162.2091.9741.9991.9522.3502.1042.1354631443848464638131.9902.1992.1692.1192.1452.3382.3102.2644065453244684355

瀝青中瀝青質(zhì)含量和膠質(zhì)含量明顯得到提高，改性后瀝青膠團的極性增強，使膠體結構由溶膠型逐步向凝膠型轉(zhuǎn)變，瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性增強，高溫流變特性得到改善； ②從表面化學角度講，硅藻土摻入后，以一定尺寸的微粒分布于溫拌再生混合料中，通過改性劑摻入及機械共混作用，改變了瀝青結晶性組分的存在形式和數(shù)量，使各組分的溶融溫度發(fā)生改變，這不僅是一個共鑲共混的過程，也是瀝青自身性質(zhì)的一個完善。

3.2低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗評價不同硅藻土摻量溫拌再生混合料的低溫抗裂性，小梁試件由車轍板切割而成，試件尺寸為30mm×35mm×250mm，試驗溫度為-10 ℃，采用單點加載方式，支點間距200mm，加載速率為50mm/min，以破壞應變和單位體積的破壞能指標來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結果見表5所示。

表5 低溫彎曲試驗結果Table5 Low-temperaturebendtestresults硅藻土摻量/%彎拉強度/MPa彎拉應變/με勁度模量/MPa單位體積破壞應變能/(kJ·m-3)010.191927.245287.3513.89711.242423.694637.5519.27911.542831.304075.8624.751111.862903.024085.4026.031311.332544.014453.5921.11

表5試驗結果表明: 不摻加硅藻土，40%RAP摻量下溫拌再生混合料的最大彎拉應變僅為1927.24με，遠小于規(guī)范冬寒區(qū)2300με的要求，可見低溫抗裂性能不足是制約廠拌熱再生瀝青混合料適用性的關鍵技術指標，相比普通溫拌再生混合料，摻加7%硅藻土可使溫拌再生混合料的最大彎拉應變提高到2423.69με，提高了25.76%，且隨著硅藻土摻量的增大最大彎拉應、單位體積破壞應變能、抗彎拉強度均變呈先增大后減小的變化趨勢，摻量為11%時最大彎拉應變出現(xiàn)峰值，峰值彎拉應變達到了2903.02με，滿足規(guī)范普通瀝青混合料破壞應變大于2600με的技術要求。分析硅藻土改善溫拌再生混合料低溫抗裂性的原因：硅藻土的比表面積大，瀝青和礦粉顆粒間的黏合面積大，增強了瀝青和硅藻土顆粒之間的機械結合力，從提高溫拌再生混合料的柔性，改善低溫抗裂性能，隨著硅藻土摻量的增大，溫拌再生混合料的最佳油石比增大，小梁試件的柔性增強，這也有利于提高低溫抗裂性[15]。

3.3水穩(wěn)定性

國內(nèi)大量研究結果表明，硅藻土最大的技術優(yōu)勢在于其顯著改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，已有研究成果表明，高RAP摻量溫拌再生混合料水穩(wěn)定性不足是制約其大規(guī)模推廣應用的技術瓶頸，筆者采用凍融劈裂循環(huán)試驗研究了不同硅藻土摻量下溫拌再生混合料的水穩(wěn)定性，每次凍融循環(huán)按照JTGE20—2011的要求進行，以兩組試件劈裂強度平均值的比值，也就是凍融劈裂試驗強度比作為評價指標，試驗結果見表6和圖4所示。

表6 凍融劈裂試驗結果Table6 thawsplittingtestresultsMPa凍融循環(huán)次數(shù)/次硅藻土摻量/%079111301.1371.2031.1211.1271.11610.8121.0711.0931.1041.08320.6320.9340.9650.9730.96330.5240.8930.9120.9430.93240.4310.8240.8450.8730.84350.3560.7190.7830.7920.75460.3130.6420.6730.6920.682

圖4　凍融循環(huán)試驗結果Figure 4　Freeze-thaw cycle test results

由表6和圖4試驗結果可知: 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，溫拌再生混合料的劈裂強度呈直線下降，不摻加硅藻土，凍融循環(huán)6次后劈裂強度僅為初始劈裂強度的27.5%，7%、9%、11%、13%硅藻土摻量下，經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后劈裂強度仍大于0.6MPa，為不摻加硅藻土的2倍，可見硅藻土的摻加可顯著改善溫拌再生混合料的水穩(wěn)定性。分析硅藻土改善溫拌再生混合料水穩(wěn)定性的改性機理在于其具有豐富的空隙結構，從而具有較大的附著能力和附著強度，提高了瀝青膠漿與集料之間的粘附性。

3.4疲勞性能研究

本文采用室內(nèi)小梁疲勞試驗(控制應力)對不同硅藻土摻量下的復合改性瀝青混合料疲勞性能進行了研究。參考國內(nèi)大多采用的研究方法，疲勞試驗條件如下：

試件尺寸： 50mm×50mm×250mm

加載波形和頻率： 10Hz連續(xù)式正弦波；

加載方式：中點加載，有效間距20cm，應力控制方式；

試驗溫度：15 ℃；

應力水平：0.2、0.3、0.4、0.5應力比。

對不同應力水平對應的疲勞壽命分別取對數(shù)進行回歸，進而得到回歸方程，得出回歸方程參數(shù)k和n，試驗數(shù)據(jù)處理公式如下：

(1)

式中： Nf為達到破壞是 的重復荷載作用次數(shù)；σ0為初始彎拉應力，MPa；K、n為由試驗確定的參數(shù)。

將上式兩邊對數(shù)值得到：

lgNf=lgK-nlgσ0。

(2)

考慮到瀝青混合料本身是不均勻材料，同時試驗過程中各個試驗條件又有差異，一般試驗所得的疲勞壽命離散型很大，為了減小疲勞試驗數(shù)據(jù)誤差，本文將疲勞壽命作為一個隨機變量，采用Weibull分布概率統(tǒng)計方法對其進行了研究。

Weibull分布的概率密度函數(shù)f(n)、累積分布函數(shù)以及Pf(n)表達式如下：

(3)

(4)

式中： n為隨機變量N的特征值；α為形狀參數(shù)或在應力σ下Weibull的斜率； n0為位置參數(shù)或者應力σ下最小壽命；u為尺度參數(shù)。

通常情況下，為了計算和分析方便，最小的壽命n0設為0，所以失效概率Pf(n)表達式變成下式：

Y=αX-β

(5)

試驗結果匯總如表7所示,圖5。

由疲勞試驗結果可知: 隨著硅藻土摻量的增加，溫拌再生混合料的疲勞曲線K值呈先增大后減小的變化趨勢，同時疲勞曲線斜率n值呈先減小后增大的變化趨勢，K值越大，疲勞曲線的線位越高[16]，表明隨著硅藻土摻量的增大混合料的疲勞壽命提高，n值越小，疲勞曲線越平緩，表明混合料的疲勞壽命對應力水平的變化越不敏感，可見硅藻土的摻加可顯著改善溫拌再生混合料的抗疲勞性能。分析硅藻土改善溫拌再生混合料的改性機理，硅藻土比表面積較大，當硅藻土分布在瀝青中時，其巨大的表面積能夠形成浸潤表面，與瀝青充分接觸和融合，對集料有更強的粘附力，保證了混合料的整體性，從而提高瀝青混合料的疲勞壽命；將硅藻土摻加到混合料中之后，由于其吸附穩(wěn)定作用，致使混合料

表7 不同失效概率下疲勞方程回歸系數(shù)Table7 Fatigueequationregressioncoefficientsunderdif-ferentfailureprobability硅藻土摻量/%回歸系數(shù)Pf(n)0.10.20.30.4K3.1733.3483.4753.5370n2.9862.8272.1892.061R20.9550.9750.9630.977K4.1094.2354.3144.3757n2.6922.6342.6222.594R20.9590.9870.9840.997K4.3494.3954.4104.4469n2.4982.49032.64052.407R20.9660.9790.9790.969K4.9044.8914.8824.87611n2.2772.1242.0282.055R20.9940.9750.9820.989K4.1824.2244.2514.27213n2.4752.5782.6432.692R20.9650.9630.9770.983

圖5　不同硅藻土摻量下的疲勞試驗參數(shù)Figure 5　Fatigue test parameters under different dosage diatomite

的瀝青用量增加，從而增強了混合料的柔性，這有利于細裂紋的填隙、彌合作用，彌補了老化瀝青與新瀝青結合的界面缺陷。

4結論

① 隨硅藻土摻量增加，溫拌再生混合料的最佳油石比、礦料間隙率、瀝青飽和度增大，強度指標方面，馬歇爾穩(wěn)定度隨硅藻土摻量的增加呈先增大后減小的變化趨勢，采用修正馬歇爾法進行溫拌再生混合料配合比設計所得到的各項馬歇爾指標均滿足規(guī)范要求。

② 硅藻土的摻加可改善溫拌再生混合料的高溫穩(wěn)定性，硅藻土摻量為11%時車轍試驗動穩(wěn)定度出現(xiàn)峰值，摻加11%硅藻土可使溫拌再生混合料的低溫彎拉應變提高到2903.02με。

③ 摻加硅藻土可顯著改善溫拌再生混合料的抗凍融循環(huán)耐久性以及抗疲勞開裂性能，考慮到硅藻土摻量對溫拌再生混合料綜合路用性能的影響，推薦最佳硅藻土摻量為11%。

④ 硅藻土對溫拌再生混合料的改性機理在于其增強了瀝青和硅藻土顆粒之間的機械結合力、提高了瀝青膠漿與集料之間的粘附性、彌補了老化瀝青與新瀝青結合的界面缺陷。

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StudytheRoadPerformanceandModificationMechanismofDiatomiteonWarm-recycledAsphaltMixture

HANJuan1，YANGQingying2

(1.ZhengzhouInstituteofTechnology,Zhengzhou,Henan450064，China;2.ShengdaTradeEconomics&ManagementCollegeofZhengzhou，Zhengzhou，Henan451191，China)

[Abstract]In order to improve the low temperature cracking， water stability and other technical defects of warm-recycled asphalt mixture，this article proposed use of diatomite modified warm mix recycled mixtures plan，Research diatomite Recycled content on Warm Mix mixture volume characteristics and mechanical indicators，and then based on the rutting test, beam bending test，freeze-thaw cycle test and fatigue test systems studied the road performance of warm-recycled asphalt mixture under different dosage diatomite ，and reveals the mechanism of diatomite on warm-recycled asphalt mixture. The results show that: with the increasing content of diatomaceous， warm recycled asphalt mixture optimum ratio increases，Adding diatomite can significantly improve the low temperature cracking resistanceand water stability of warm-recycled asphalt mixture，under 11% diatomite dosage warm mix recycled mixture fatigue optimal performance，the Mechanism of diatomite is Increased asphalt film thickness, increase the adhesion between asphalt rubber paste and aggregate, and makes up for the aging of asphalt combined with new asphalt interface defects of warm-recycled asphalt mixture

[Key words]road engineering； diatomite； warm-recycled asphalt mixture； road performance； modification mechanism

[收稿日期]2016-01-11

[作者簡介]韓娟(1980-)，女，河南商丘人，碩士，講師，工程師，研究方向：巖土工程方向。

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0223-06