本文采用的沥青为盘锦-AH90#重交通石油沥青,其主要性能测试结果如 表1所示;所用的硅藻土粉为硅藻土助滤剂煅烧品,细度较高,平均直径为20 μm;采用的矿粉为吉林郭家店出产,硅藻土粉及矿粉的主要技术指标如 表2所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 基质沥青性能测试结果 Table 1 Performance result of base asphalt 参数 25 ℃针入度 /0.1 mm 软化点 /℃ 135 ℃黏度 /(Pa·s) 15 ℃延度 /cm 实测值 83.3 45.6 0.3885 167.1 规范限值 80~100 >44 — >130

表1 基质沥青性能测试结果 Table 1 Performance result of base asphalt

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 硅藻土粉和矿粉技术指标 Table 2 Technical index of diatomite and mineral filler 技术指标 硅藻土 矿粉 技术指标 硅藻土 矿粉 色泽 灰白色 白色 堆密度 /(g·cm-3) 0.37 2.2 平均粒度/μm 20 - 比表面积 /(m2·g-1) 51.1 0.47 pH值 7.7 7.2 烧失量/% 0.25 - 密度 /(g·cm-3) 2.14 2.86

表2 硅藻土粉和矿粉技术指标 Table 2 Technical index of diatomite and mineral filler

在适当条件下对沥青胶浆进行充分拌合,使拌合后的沥青胶浆性能稳定,不但可以比较出矿粉沥青胶浆和硅藻土粉沥青胶浆的性能差别,而且可以确定合适的拌合条件,也可以为沥青混合料的拌合工艺提供控制参数。

(1)拌合前,将基质沥青、剪切叶片、矿粉和硅藻土粉同时放入145 ℃环境箱中保温4 h以上。

(2)分别将矿粉和硅藻土粉按7%的掺配比例(指占沥青的质量分数)逐渐加入到145 ℃保温4 h以上的基质沥青中,同时用高速剪切机以600 r/min的转速剪切、磨合挤压30 min以上,剪切时按照由上至下的顺序上下移动叶片,使矿粉和硅藻土粉在整个沥青胶浆中均匀分布。

(3)将充分拌合好的矿粉和硅藻土粉沥青胶浆分别按照软化点试验、针入度试验、布氏黏度试验及力学性能试验要求制备相应的试件,其中沥青胶浆冲击试验试件为10 mm×10 mm×55 mm小梁,沥青胶浆小梁弯曲试验试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm。

采用环球法分别测试了上述矿粉沥青胶浆和硅藻土粉沥青胶浆的软化点 T_R&B,其测试结果如 图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 各类型沥青胶浆软化点柱状比较图Fig.1 Softening point comparison of asphalt mortar

从 图1可以看出:尽管掺入7%的矿粉和硅藻土粉均提高了沥青胶浆的软化点,但是矿粉沥青胶浆软化点只提高了4.27%,而硅藻土粉沥青胶浆的软化点提高了9.78%,改善效果比矿粉沥青胶浆的两倍还多,而软化点越高,沥青热稳定性能越好,表明硅藻土粉更有利于提高沥青胶浆的高温性能。

图2为上述矿粉沥青胶浆和硅藻土粉沥青胶浆的针入度随温度的变化曲线,从图中可以看出:掺入矿粉和硅藻土粉后的沥青针入度都随温度升高而提高,但是同一温度下的针入度从大到小排列顺序为:基质沥青、矿粉沥青胶浆、硅藻土粉沥青胶浆,表明硅藻土粉对沥青的硬化效果要优于矿粉,原因与矿粉和硅藻土粉的细度和成分有关,因为硅藻土粉的粒径和密度都小于矿粉,在相同的质量分数条件下,硅藻土粉颗粒数多于矿粉颗粒,使得形成的沥青胶浆稠度高于矿粉改性沥青胶浆。将 图2中针入度-温度曲线按照式(1)进行拟合回归,并计算相应的针入度指数 PI、当量软化 T₈₀₀和当量脆点 T_1.2,结果如 表3所示。

lgP=AT+K1

式中: P为针入度; A为针入度温度感应系数; K为常数项。

图2

Fig.2

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	图2 各类型沥青胶浆针入度变化曲线Fig.2 Penetration change curve of asphalt mortar

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 沥青胶浆针入度指标计算结果 Table 3 Calculation results of conventional indexes 沥青种类 K A PI T800 T1.2 基质沥青 0.746 0.0475 -1.111 45.4 -14.0 矿粉沥青胶浆 0.799 0.0426 -0.415 49.4 -16.9 硅藻土粉沥青胶浆 0.824 0.0396 0.067 52.5 -18.8

表3 沥青胶浆针入度指标计算结果 Table 3 Calculation results of conventional indexes

从 表3可以看出:各类型沥青的 PI和 T₈₀₀值从大到小排列顺序为:硅藻土粉沥青胶浆、矿粉沥青胶浆、基质沥青。表明硅藻土粉更利于降低沥青的温度敏感性和提升沥青的高温性能。各类型沥青 T_1.2值从大到小排列顺序为:基质沥青、矿粉沥青胶浆、硅藻土粉沥青胶浆,表明硅藻土粉更利于增强沥青的低温性能。

沥青的黏温关系是用于表征沥青流变特性的重要指标之一^{[ 6, 7]}。本文采用布氏旋转黏度计测试了上述矿粉沥青胶浆和硅藻土粉沥青胶浆的黏度值,其随温度的变化曲线如 图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 各类型沥青胶浆黏温关系曲线Fig.3 Viscosity-temperature curve of asphalt mortar

从 图3可以看出:掺入矿粉和硅藻土粉后的沥青黏度都随温度升高而降低,但是同一温度下的黏度从大到小排列顺序为:硅藻土粉沥青胶浆、矿粉沥青胶浆、基质沥青,表明硅藻土粉对沥青的高温性能改性效果优于矿粉,其原因主要是相同质量分数条件下,硅藻土粉颗粒多且粒径小,导致硅藻土粉颗粒与沥青接触的比表面积更大,从而吸附更多的沥青胶质,以至于结构沥青层厚度增加,自由沥青含量相应地减少,在宏观上表现为沥青的高温黏度增大。

采用Saal试验进一步分析各沥青胶浆的黏温性质,见式(2):

lglg( η×10³) =n-mlg( T+273 .13) (2)

式中: η为黏度,Pa·s; T为摄氏温度,℃; n、 m均为回归系数,其中 m表示试验所选温度范围内沥青的感温性能,其值越小,沥青温度敏感性越弱。

其lglg( η×10³)-lg( T+273.13)曲线如 图4所示。 表4为相应的线性拟合回归分析结果。

图4

Fig.4

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	图4 各类型沥青胶浆lglg( η×103)-lg( T+273.13)曲线Fig.4 lglg( η×103)-lg( T+273.13)curve of asphalt mortar

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 lglg( η×103)-lg( T+273.13)拟合回归分析结果 Table 4 Regression fitting results of lglg( η×103)-lg( T+273.13) 沥青种类 回归方程 回归系数 m 相关系数 R 基质沥青 y=-3 .2487 x+8 .8702 3.2483 0.9914 矿粉沥青胶浆 y=-3 .0775 x+8 .4527 3.0776 0.9997 硅藻土粉沥青胶浆 y=-2 .9997 x+8 .2674 2.9993 0.9996

表4 lglg( η×103)-lg( T+273.13)拟合回归分析结果 Table 4 Regression fitting results of lglg( η×103)-lg( T+273.13)

从 表4可以看出,各类型沥青胶浆的回归系数 m从小到大排列顺序为:硅藻土粉沥青胶浆、矿粉沥青胶浆、基质沥青,表明硅藻土粉更利于弱化沥青的温度敏感性,使得沥青具有较好的温度稳定性。

冲击吸收功是指材料受到外加冲击载荷的作用,断裂时所消耗能量的大小,是反映材料抵抗外界冲击特性的重要指标^{[ 8]}。本文通过冲击试验测试矿粉和硅藻土粉沥青胶浆的冲击吸收功,对两种沥青胶浆的低温力学性能进行比较。

冲击试验设备采用摆锤式冲击试验机,试件为事先制备好的各类型沥青胶浆小梁试件,试件尺寸为10 mm×10 mm×55 mm,试验温度为-20 ℃。 图5为各类型沥青胶浆小梁试件在-20 ℃下的冲击吸收功柱状比较图。

图5

Fig.5

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	图5 各类型沥青胶浆冲击吸收功柱状比较图Fig.5 Impact absorbing energy comparison of asphalt mortar

根据冲击试验原理,温度下降时,沥青胶浆内部收缩而产生温度应力积聚,因此,冲击吸收功越大,则该沥青胶浆由于瞬间冲击破坏时所需的能量也越大,表明该沥青胶浆的抗冲击性能更好。从 图5可以看出:尽管矿粉沥青胶浆和硅藻土粉沥青胶浆的冲击吸收功均大于基质沥青,但是矿粉沥青胶浆仅提升了37.5%,而硅藻土粉沥青胶浆提升了114.6%,提升幅度是矿粉沥青胶浆的3倍,因此,硅藻土粉沥青胶浆具有更好的低温抗冲击力学性能。

沥青路面裂缝是沥青混凝土路面中出现频率最高的病害之一,沥青和填料形成的沥青胶浆是决定混合料黏结作用的最主要因素^{[ 9]}。现通过小梁低温弯曲试验比较几种沥青胶浆的低温抗裂性能。试件为事先制备好的各类型沥青胶浆小梁试件,试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm,试验温度为-20 ℃,加载方式为三分点加载,加载速率为5 mm/min。根据试验所测得的试件破坏时最大荷载 P_B和试件破坏时的跨中挠度 d,按照下列计算公式分别计算出破坏时抗弯拉强度 R_B、最大弯拉应变 ε_B和弯曲劲度模量 S_B:

RB=3LPB2bh2;εB=6hdL2;SB=RBεB3

式中: b、 h分别为试件跨中断面宽度和高度,mm; L为试件跨径,mm,本试验为200 mm; P_B为试件破坏时的最大荷载,N; d为试件破坏时的跨中挠度,mm。

图6为各类型沥青胶浆低温弯曲荷载-挠度曲线, 表5为各类型沥青胶浆-20 ℃低温弯曲试验计算结果。

图6

Fig.6

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	图6 各类型沥青胶浆低温弯曲荷载-挠度曲线Fig.6 Load-deflection curve of asphalt mortar

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 各类型沥青胶浆-20 ℃低温弯曲计算结果 Table 5 Bending test result of asphalt mortar at -20 ℃ 试验结果 基质沥青 矿粉沥青胶浆 硅藻土粉沥青胶浆 RB/MPa 5.35 6.04 5.59 εB/10-2 2.84 2.51 2.80 SB/MPa 1883.8 2406.4 1996.4

表5 各类型沥青胶浆-20 ℃低温弯曲计算结果 Table 5 Bending test result of asphalt mortar at -20 ℃

从 表5可以看出:在-20 ℃低温条件下,硅藻土粉沥青胶浆达到破坏时的最大弯拉应变 ε_B大于矿粉沥青胶浆,说明硅藻土粉沥青胶浆在低温条件下能够承受的变形比矿粉沥青胶浆大,而大变形能够有效地阻止裂缝的产生,表明硅藻土粉沥青胶浆的低温抗裂性能优于矿粉沥青胶浆,此外,硅藻土粉沥青胶浆弯曲劲度模量 S_B小于矿粉沥青胶浆,表明硅藻土粉代替矿粉后的沥青胶浆抗低温性能更强。