王葉丹，劉 勇，陶敬林

（1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南省中欣房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.江西省交通科學(xué)研究院 江西省道路材料和結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330000）

硅藻土在我國(guó)華北、東北地區(qū)儲(chǔ)量豐富，具有微孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積大、吸附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。已有研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土改性瀝青能較好地改善瀝青混合料的力學(xué)性能和抗老化性能。張君韜[1]綜合運(yùn)用流變、瀝青結(jié)合料彎曲和老化試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土的加入較好地改善了高標(biāo)號(hào)瀝青的黏彈性、抗車轍和抗老化性能，且低溫性能降幅更小；呂澤華等[2]通過(guò)BBR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅藻土的加入削弱了瀝青的低溫性能；呂虎娃[3]研究發(fā)現(xiàn)，適量硅藻土可以明顯改善混合料的高溫抗車轍性、低溫抗裂性和抗水損害性能。但國(guó)內(nèi)外研究主要集中在瀝青膠漿的力學(xué)性能和瀝青混合料的路用性能方面，對(duì)瀝青砂漿力學(xué)性能的探討相對(duì)較少。相關(guān)研究表明，摻入添加劑的基質(zhì)瀝青與橡膠瀝青砂漿能提高其瀝青砂漿的強(qiáng)度，并增強(qiáng)砂漿的水穩(wěn)定性[4]；以硅藻土部分或全部替代礦粉，能有效改善瀝青砂漿的力學(xué)性能[5]。瀝青砂漿作為聯(lián)系瀝青膠漿和瀝青混合料的橋梁，在很大程度上決定了瀝青混合料路用性能的好壞。本研究擬通過(guò)分析硅藻土對(duì)瀝青砂漿力學(xué)性能的影響，為這種材料在瀝青路面的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料性能指標(biāo)

本研究使用的瀝青技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。硅藻土平均粒徑為10 μm，主要化學(xué)成分為SiO2（占硅藻土的85.60%），燒失量為4.61%，微觀下呈圓盤狀，孔隙發(fā)達(dá)。礦粉親水系數(shù)為0.78，表觀密度為2.741 g/cm3，微觀下棱角突出、輪廓不規(guī)則，小于0.600、0.150、0.075 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100.00%、93.40%、81.50%。細(xì)集料選用內(nèi)蒙古旗產(chǎn)石灰?guī)r，最大粒徑不超過(guò)2.360 mm，粒級(jí)1.180、0.600、0.300、0.150、0.075 mm的表觀密度分別為2.639、2.697、2.637、2.469、2.529 g/cm3。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青砂漿配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料目標(biāo)級(jí)配采用JTG F40—2004推薦的細(xì)粒式AC-13級(jí)配中值，考慮到僅研究細(xì)集料對(duì)瀝青砂漿性能的影響，將AC-13中的粗集料部分以相同比例細(xì)集料代替。采用δ體積修正法計(jì)算瀝青用量，得到瀝青用量為5.00%，瀝青砂漿的油石比為13.50%，各檔集料質(zhì)量占瀝青砂漿總質(zhì)量的比例分別為25.00%（1.180 mm）、17.90%（0.600 mm）、13.10%（0.300 mm）、8.30%（0.150 mm）、9.50%（0.075 mm）和14.30%（＜0.075 mm）。

選取幾個(gè)砂漿密度配備集料，砂漿密度為2.200 g/cm3較為合適，瀝青膠漿試件總質(zhì)量為216 g。考慮到同等質(zhì)量條件下硅藻土體積遠(yuǎn)大于礦粉體積，而填料體積分?jǐn)?shù)的不同將對(duì)瀝青砂漿的黏度造成很大影響，因此，以硅藻土替代礦粉時(shí)采用體積替代法，替代比例分別為0%、25%、50%、75%和100%。

1.3 瀝青砂漿試件的制備及試驗(yàn)

選用50 mm×50 mm的圓柱形試件，參照J(rèn)TG E20—2011的規(guī)定靜壓成型硅藻土瀝青砂漿試件。將恒溫箱溫度設(shè)為10 ℃，試件保溫4 h后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，壓縮試驗(yàn)儀器選擇液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)MTS，加載速率為5 mm/min；蠕變?cè)囼?yàn)儀器選用氣壓Cooper試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為20 ℃，加載應(yīng)力為0.24 MPa；低溫劈裂試驗(yàn)儀器仍選用MTS材料試驗(yàn)機(jī)，溫度選擇﹣10 ℃，加載速率為5 mm/min。

2 瀝青砂漿力學(xué)性能研究

單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)芊从碁r青砂漿抵抗變形的能力[6]，低溫間接拉伸性能是低溫抗裂性能的重要體現(xiàn)[7]。為了研究硅藻土對(duì)瀝青砂漿力學(xué)性能的改善作用，現(xiàn)采用單軸常應(yīng)變壓縮、單軸常應(yīng)變?nèi)渥兒偷蜏嘏言囼?yàn)，通過(guò)對(duì)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、蠕變勁度、蠕變速率、勁度模量及應(yīng)變能等指標(biāo)進(jìn)行分析，探索硅藻土替代礦粉的最佳替代比例。

2.1 單軸常應(yīng)變壓縮試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

單軸常應(yīng)變壓縮試驗(yàn)得到老化前后不同硅藻土替代比例的瀝青砂漿抗壓強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 不同替代比例的瀝青砂漿抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，老化后各替代比例的瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度均增大，主要是由于老化使瀝青變稠，增強(qiáng)了瀝青與瀝青及瀝青與填料間的黏聚力。老化前，隨著硅藻土替代比例的增大，瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度逐漸降低；老化后，相比全礦粉瀝青砂漿，硅藻土瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度均有所降低，但當(dāng)硅藻土替代比例為75%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。

2.1.2 彈性模量

試驗(yàn)測(cè)得：老化前，隨著硅藻土替代比例的增加，最大壓應(yīng)力逐漸下降，破壞應(yīng)變基本在2%～3%；老化后，當(dāng)替代比例為75%時(shí)，破壞壓應(yīng)力最大，但小于全礦粉最大壓應(yīng)力，破壞應(yīng)變?cè)?%～4%。綜合考慮應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，采用應(yīng)力應(yīng)變曲線直線段的彈性模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越小，瀝青砂漿的低溫性能越好。各替代比例的瀝青砂漿老化前后彈性模量變化如圖2所示。

圖2 瀝青砂漿老化前后彈性模量值

由圖2可知，當(dāng)硅藻土替代比例一定時(shí)，老化前瀝青砂漿彈性模量均小于老化后。老化前，瀝青砂漿的彈性模量隨替代比例的增大而減小，且接近線性變化關(guān)系；老化后，隨著硅藻土的增加，彈性模量先增大后減小，當(dāng)硅藻土替代比例為100%時(shí)，彈性模量達(dá)到最小值。由此可以看出，硅藻土的加入對(duì)瀝青砂漿低溫抗裂性有明顯的改善作用，當(dāng)硅藻土全部（100%）替代礦粉時(shí)，瀝青砂漿的低溫抗裂性最佳。

2.2 單軸常應(yīng)變?nèi)渥冊(cè)囼?yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 蠕變勁度

瀝青砂漿蠕變勁度是指特定應(yīng)力與給定溫度和時(shí)間下應(yīng)變的比值，反映特定溫度和時(shí)間條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，能有效表征瀝青砂漿的黏彈性及高溫穩(wěn)定性，不同替代比例的硅藻土瀝青砂漿蠕變勁度如表2所示。

表2 瀝青砂漿蠕變勁度

由表2可知，老化后瀝青砂漿的蠕變勁度均增大，即瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性增強(qiáng)。與全礦粉相比，硅藻土的加入使蠕變勁度降低，高溫穩(wěn)定性減弱，但當(dāng)硅藻土替代比例為75%時(shí)，瀝青膠漿的蠕變模量最大，高溫穩(wěn)定性最佳。

2.2.2 第二階段蠕變速率

第二階段蠕變速率指試件在加載過(guò)程中變形隨時(shí)間變化的快慢，反映瀝青砂漿抵抗變形的能力。瀝青砂漿第二階段的蠕變速率變化如圖3所示。

由圖3可知，老化后，相同替代比例的瀝青砂漿第二階段蠕變速率均減小，抗變形能力增強(qiáng)。加入硅藻土后，蠕變速率先增大后減小。當(dāng)硅藻土替代比例為75%時(shí)，第二階段蠕變速率與全礦粉瀝青砂漿蠕變速率相當(dāng)，瀝青砂漿的高溫性能最佳。

圖3 瀝青砂漿第二階段蠕變速率

2.3 低溫劈裂試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.3.1 勁度模量

劈裂強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變是指瀝青砂漿破壞時(shí)所需最大拉力及最大變形，能較好地反映瀝青砂漿的低溫抗裂性能。間接拉伸試驗(yàn)得到的破壞強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變及勁度模量變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，老化后瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度增大、拉伸應(yīng)變減小、相應(yīng)勁度模量增大，說(shuō)明老化后瀝青砂漿的低溫抗裂性能降低了。對(duì)比不同替代比例的瀝青砂漿，全礦粉（0%）瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度最大，25%替代比例瀝青砂漿的拉伸應(yīng)變最大，100%替代比例瀝青砂漿的勁度模量最小。破壞勁度模量是間接拉伸強(qiáng)度與間接拉伸失效應(yīng)變的比值，是強(qiáng)度和應(yīng)變的綜合表征，以勁度模量作為瀝青砂漿低溫抗裂性能指標(biāo)更合適，即當(dāng)硅藻土全部替代礦粉時(shí)，瀝青砂漿的低溫抗裂性最好。

圖4 瀝青砂漿老化前后試驗(yàn)指標(biāo)

2.3.2 應(yīng)變能

劈裂應(yīng)變能也是強(qiáng)度和應(yīng)變的綜合反映，可作為瀝青砂漿低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用origin軟件對(duì)各瀝青砂漿試件的應(yīng)變能進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青砂漿老化前后應(yīng)變能

拉伸應(yīng)變能越大，達(dá)到破壞做功越多，低溫性能就越好。由表3可知，相同替代比例的瀝青砂漿老化后應(yīng)變能均小于老化前，說(shuō)明老化后試件低溫性能降低了。相比于全礦粉瀝青砂漿，加入硅藻土的瀝青砂漿破壞應(yīng)變能均增大，但無(wú)明顯規(guī)律可循，當(dāng)硅藻土100%替代礦粉時(shí)，瀝青砂漿破壞應(yīng)變能最大，此時(shí)瀝青砂漿的低溫性能最佳。

3 結(jié)論與展望

本研究采用單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)和低溫劈裂試驗(yàn)分析硅藻土部分或全部替代礦粉對(duì)瀝青砂漿力學(xué)特性和路用性能的影響，具體研究結(jié)果如下：

（1）當(dāng)硅藻土替代比例為75%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到最大，硅藻土全部（100%）替代礦粉時(shí)，低溫性能最佳。

（2）當(dāng)硅藻土替代比例為75%，瀝青砂漿的高溫穩(wěn)定性最強(qiáng)，且該替代比例下瀝青砂漿的蠕變勁度和第二階段蠕變速率與全礦粉瀝青砂漿相當(dāng)。

（3）當(dāng)硅藻土100%替代礦粉時(shí)，瀝青砂漿膠漿的勁度模量最小、破壞應(yīng)變能最大、低溫抗裂性最強(qiáng)。

（4）老化后瀝青砂漿的高溫性能增強(qiáng)、低溫性能減弱，但硅藻土的加入對(duì)瀝青砂漿老化有一定的抑制作用；當(dāng)硅藻土全部替代礦粉時(shí)，瀝青砂漿的低溫性能最好。