硅藻土改性沥青胶浆力学性能及老化机理研究_王叶丹.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 江西省交通运输厅科技项目（）作者简介 王叶丹（），女，湖南邵阳人，工程师，硕士研究生，主要从事路面材料研究、公路安全性评价和安全评估等相关工作。引文格式 王叶丹，刘 勇，陶敬林 硅藻土改性沥青胶浆力学性能及老化机理研究 公路工程，（）：，（）：硅藻土改性沥青胶浆力学性能及老化机理研究王叶丹，刘 勇，陶敬林（.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙；.湖南省中欣房地产开发集团有限公司，湖南 长沙；.江西省交通科学研究院江西省道路材料和结构工程技术研究中心，江西 南昌）摘 要 硅藻土对沥青高低温力学性能和老化性能有一定改善作用，是一种较好改性剂。采用了软化点试验和有别于常规试验锥入度与测力延度试验分别对不同掺量（、和 ）硅藻土沥青胶浆高低温性能进行分析，同时结合傅里叶红外光谱试验对其改性和抗老化机理进行研究。研究结果表明，硅藻土对沥青力学性能有较好改善作用，掺量为 时，沥青胶浆表现出较好高温稳定性，掺量为 时，其低温抗裂性最佳。在热氧老化过程中，沥青中不饱和烃与空气中氧气发生反应，生成了新官能团羰基（）和亚砜基（），但硅藻土特殊孔隙结构有较强吸附作用，能抑制沥青老化，硅藻土掺量 时，老化抑制作用达到最大。关键词 硅藻土；沥青胶浆；力学性能；红外光谱；老化机理中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（.，.，；.，.，；.，），.，（，）.，（）.，.，（）（）.，.，；公路工程 卷 硅藻土在我国华北、东北地区存储丰富，其优越的微空隙结构，使其作为沥青改性剂成为可能。以往研究发现，硅藻土对改善沥青高低温力学性能和老化性能等均有一定的改善作用。但目前针对沥青和沥青混合料研究相对较多，对沥青胶浆研究较少，而沥青路面的抗裂性 是由沥青胶浆提供的，因此对沥青胶浆的研究显得很有必要。众所周知，常规的针入度指标和延度指标不能很好地反映沥青胶浆的力学性能。而相关研究表明，锥入度和测力延度试验能较好地反映沥青胶浆性能特征。目前，我国对沥青老化的研究主要也是模拟老化形式和改变老化影响因素等，而对硅藻土改性沥青微观机理的研究相对较少。但要从根本上改善沥青老化问题，就必 须了解沥青老化机理，从微观层面分析沥青老化原因。本文首先采用软化点、锥入度和测力延度从宏观上分析硅藻土对沥青胶浆高低温性能的改善作用，然后借助红外光谱分析法，利用特征吸收峰数值、强度、位置等参数反映硅藻土改性沥青胶浆官能团生产和反应情况，从微观层面上确定硅藻土最佳掺量，分析沥青老化的氧化反应机理。试验方案.试验原材料性能指标本文使用沥青技术性能指标见表。硅藻土平均粒径，主要化学成分，含量占硅藻土.，烧失量.，微观下圆盘状，孔隙发达，硅藻土的基本性质如下：为 ，渗透率为 表 基质沥青技术指标 类别针入度（；，）（.）软化点 针入度指数密度（）（）老化质量损失老化后针入度比（）老化后延度（）试验结果 技术要求 .，比重为.，堆密度为.。矿粉亲水系数.，表观密度.，微观下棱角突出，轮廓不规则，级配范围如表 所示。硅藻土和矿粉的扫描电镜图如图 所示。表 矿粉级配分布表 项目孔径 规范限值 通过率.级配.图 填料扫描电镜图像 .沥青胶浆制备沥青胶浆制备具体操作流程如图 所示。图 沥青胶浆制备流程图 参考相关研究文献，硅藻土最佳掺量约为 ，为综合分析改性沥青胶浆性能，硅藻土掺量分别选取 、，对应选取矿粉掺量 、，如表 所示。.沥青胶浆老化采用室内薄膜加热试验（）模拟沥青胶浆短期热氧老化过程，称取 沥青胶浆试样放入铁盘中，铁盘对称放入托盘，保持旋转轴垂直，第 期王叶丹，等：硅藻土改性沥青胶浆力学性能及老化机理研究 将其放入烘箱中，烘箱恒温，托盘在烘箱中以 的速度旋转 （见图）。表 试验组数 试验组号硅藻土掺量 矿粉掺量 图 薄膜烘箱老化 硅藻土沥青胶浆物理力学性能研究针入度指数普遍用于评价沥青高温稳定性，低温延度评价沥青低温性能，这些方法是否适用于评价沥青胶浆，仍存在较大质疑，由于矿粉和硅藻土的掺入改变了沥青原有结构，沥青由原来的均匀体系变为混合分散体。然而，长安大学刘丽等研究表明，采用锥入度抗剪强度能较好反映沥青胶浆的高温性能，测力延度指标（如韧性值、黏弹比或黏韧性）能够较好地反映沥青胶浆的低温性。本文参照已有研究，选用软化点和锥入度试验测试沥青胶浆高温性能，采用测力延度测试沥青胶浆的低温性能，分析硅藻土对沥青胶浆的改善作用。.软化点和锥入度试验和结果分析.软化点本文软化点试验采用环球法，试验结果如图 所示。由图 可知，硅藻土沥青胶浆和矿粉沥青胶浆的软化点均随填料掺量的增加而增大，但同一掺图 不同掺量沥青胶浆软化点 量硅藻土沥青胶浆的软化点明显大于矿粉沥青胶浆，且增大趋势硅藻土强于矿粉，当掺量为 时，两者软化点相差最大，故硅藻土对沥青胶浆高温稳定性的改善作用更佳。.锥入度本文锥入度锥针参照刘丽课题组设计的锥针设计，其尺寸设计如图 所示，不同填料不同掺量的沥青胶浆锥入度随温度变化如图 所示。抗剪强度由式（）计算得到，其中锥入度 为.，为，总重 当温度为 时为.，而、和 时为.。（）（）（）图 锥针尺寸（单位：）（：）由图 可知，温度较低时，填料种类与其掺量对沥青胶浆锥入度的影响不大。当温度大于 时，相同填料、不同掺量的沥青胶浆锥入度变化明显不同，此时掺量对沥青胶浆锥入度起决定作用。对比老化前后发现，硅藻土沥青胶浆锥入度均小于矿粉沥青胶浆，进一步验证了硅藻土的改善作用。根据式（）计算不同填料不同掺量沥青胶浆的抗剪强度，结果如图 所示。由图 可知，随温度升高，沥青胶浆老化前后抗剪强度均呈下降趋势。当温度较低时，抗剪强度随填料掺量变化较明显，随着温度升高，抗剪强度受温度影响越来越小。对比老化前后可知，老化后，沥青 公路工程 卷（）硅藻上（）矿粉图 沥青胶浆锥入度随温度变化 （）硅藻上（）矿粉图 沥青胶浆抗剪强度随温度变化 胶浆的抗剪强度明显提高，这与沥青老化后胶浆变稠变硬有关。.测力延度试验和结果分析测力延度试验（简称 试验）采用与普通延度试验相同的模具，试验温度 ，拉伸速率 。.拉伸柔度。（）.黏韧性。（）.韧性比 。（）各掺量沥青胶浆老化前后测力延度曲线图如图 所示，测力延度试验指标统计如表 所示。（）老化前（）老化后图 测力延度曲线图 对比沥青胶浆老化前后测力延度曲线图，老化前后沥青胶浆抗拉内聚破坏强度（即最大拉力）均大于基质沥青，且相同掺量的硅藻土沥青胶浆大于矿粉沥青胶浆，硅藻土掺量 时抗拉内聚破坏强度最大，说明硅藻土更有利于提高沥第 期王叶丹，等：硅藻土改性沥青胶浆力学性能及老化机理研究 表 沥青胶浆测力延度试验指标 填料类型掺量 老化前后 （）老化前老化后老化前硅藻土老化后老化前老化后老化前老化后老化前老化后老化前矿粉老化后老化前老化后老化前老化后青胶浆低温性能。同时，相同掺量的硅藻土沥青胶浆老化前后抗拉内聚破坏强度变化幅度小于矿粉沥青胶浆，进一步验证了硅藻土的抗老化作用。试验结果可知：.热氧老化后，硅藻土沥青胶浆和矿粉沥青胶浆拉伸柔度 变小，黏韧性 变大，这是由于老化后沥青中轻质组分挥发，沥青质等大分子相对含量增大，沥青变脆变硬，低温抗裂性变差。对比基质沥青和沥青胶浆可以看出，基质沥青老化后，拉伸柔度和黏韧性变化较大，达到 ，但 种填料的沥青胶浆老化后，柔度和黏韧性变化较小，特别是硅藻土沥青胶浆，试验结果表明填料的加入对沥青抗老化性能有一定的改善作用。.韧性比是 黏弹性面积和韧性面积的比值，可以更系统地反映沥青应力应变状态，由表 可知，韧性比沥青胶浆明显大于基质沥青，同时硅藻土大于矿粉，说明填料的加入对沥青低温性能有较好的改善作用，且硅藻土改善作用强于矿粉，当硅藻土掺量为 时韧性比最大，即沥青胶浆低温性能最佳。硅藻土沥青胶浆微观机理研究为进一步从微观层面上研究硅藻土对沥青改性作用，本文分别对老化前后的基质沥青和 种掺量（、和 ）的硅藻土沥青胶浆进行红外光谱测试，分析硅藻土改性沥青胶浆的改性和抗老化微观机理。.硅藻土沥青胶浆改性机理分析红外光谱分析是利用不同分子吸收不同波长红外射线，进而形成物质分子特定的红外光谱图。基质沥青和不同掺量硅藻土改性沥青光谱图如图 所示。图 吸光度光谱图 通过对照有机化合物官能团特征吸收频率表可知，波数 对应分子间 （氢键），波数 、对应烷烃和环烷烃的，波数 对应芳香族共轭双键（），波数、对应烷烃、烯烃的 ，由此可知，沥青中化合物主要有烷烃、芳香族和烯烃。对比硅藻土改性沥青和基质沥青，光谱图形状没有明显的变化，未出现新的波峰，即没有生成新的官能团，无化学反应的发生。而吸收峰峰值大小反应官能团的含量，现为定量对比硅藻土的加入对沥青中官能团的含量变化，将特征峰峰值统计如表 所示。公路工程 卷表 特征峰峰值汇总表 特征峰波数（）基质沥青 硅藻土改性沥青 硅藻土改性沥青 硅藻土改性沥青 由表 可知，硅藻土加入后各特征峰峰值均变小，即沥青中各官能团减少，硅藻土含量由 至，各官能团含量变化较大，当硅藻土含量超过 后，变化趋势明显降低。沥青中轻质组分的降低，主要是由于硅藻土特定的微空隙机构，吸附了沥青中部分烷烃和芳香族。而当掺量超过 时，沥青胶体自身张力作用增强，吸附作用减弱。.硅藻土沥青胶浆老化机理分析对比不同掺量的硅藻土改性沥青老化前后光谱图，分析硅藻土对沥青老化的影响，如图 所示。（）（）（）图 硅藻土改性沥青老化前后光谱对比图 由图 可知，老化后，各官能团吸收峰强度出现明显减弱趋势。主要是因为沥青老化后，轻质组分受热挥发，但降低幅度随硅藻土掺量不同而不同。老化前后官能团峰值差值随掺量变化如图 所示。图 老化前后光能团峰值差值随硅藻土掺量变化 由图 可知，当硅藻土掺量较少时，官能团峰值老化前后差值较大，随着硅藻土掺量增加，老化前后变化幅度逐渐降低，且当硅藻土掺量增加到 以后，改性沥青老化前后官能团峰值差值变化趋于平缓。由此可知，硅藻土对沥青老化有一定的抑制作用。对比沥青老化前后光谱图发现：沥青老化后出现 了 新 的 特 征 峰，主 要 位 于 和 附近，这 处分别为羰基（）和亚砜基（）特征峰。也就是说，沥青老化也发生了化学反应，这主要是沥青中轻质组分与空气中的氧气发生氧化还原反应，具体反应过程如下：首先，烷氧基自由基的 发生断键反应：（）接着，氢过氧自由基分解：（）最后，双键发生氧化反应：（）第 期王叶丹，等：硅藻土改性沥青胶浆力学性能及老化机理研究 为定量分析硅藻土对沥青老化作用的抑制强度，将羰基和亚砜基的峰值汇总于图。图 老化后光能团峰值随硅藻土掺量变化 由图 可知，随着硅藻土的加入，羰基和亚砜基生成量明显降低，当硅藻土掺量为 时，羰基生成量仅为基质沥青的，亚砜基生成量约为，随后变化趋于平缓。这主要归功于硅藻土特殊的微孔隙结构，该结构能抑制沥青中不饱和官能团与氧气接触发生化学反应。沥青老化抑制作用随着硅藻土掺量增加而增大，但当硅藻土掺量达到 后，抑制作用随硅藻土掺量增加而不再变大，即 硅藻土对沥青老化抑制作用最佳。结论与展望本文采用软化点、锥入度和测力延度和傅里叶红外光谱试验从宏观和微观上对硅藻土改性沥青胶浆进行研究，具体研究结果如下：.软化点和锥入度试验表明，硅藻土的加入使得沥青高温性增强，且当硅藻土掺量为 时达到最佳。老化后，矿粉沥青胶浆的锥入度下降速度明显高于硅藻土，硅藻土对沥青抗老化性能有一定改善。.测力延度试验表明，硅藻土的加入改善了沥青胶浆的低温抗裂性，硅藻土掺量为 时，沥青胶浆低温性能最佳。.傅里叶红外光谱试验表明，沥青与硅藻土混合，未发生化学反应，但沥青老化过程中不饱和官能团与空气中氧发生了化学反应。硅藻土的加入对沥青老化有明显的抑制作用，硅藻土掺量 时，抑制作用达到最大。参考文献 张君韬，赵辉，杜守继，等 季冻区硅藻土改性沥青的高低温性能及抗老化性能 材料科学与工程学报，（）：，（裴明忠 硅藻土橡胶粉复合改性沥青制备工艺优化及抗老化性能研究 长春：吉林大学，张勤玲，黄志义 高温高湿盐环境下 改性沥青胶浆的高温性能 浙江大学学报（工学版），（）：，程永春，马慧莉，张鹏，等 不同填料沥