活性硅改性对沥青及混合料高温性能的影响

黄晚清, 游 宏, 刘 静

(1.四川省交通运输厅 交通勘察设计研究院， 四川 成都 610017； 2.四川南渝高速公路有限公司， 四川 南充 637000)

活性硅改性对沥青及混合料高温性能的影响

黄晚清1, 游 宏1, 刘 静2

(1.四川省交通运输厅 交通勘察设计研究院， 四川 成都 610017； 2.四川南渝高速公路有限公司， 四川 南充 637000)

研究了活性硅沥青的基本指标和高温流变性能，通过AC-13C混合料的车辙试验，研究了活性硅对不同沥青的改性效果和不同矿粉替代量对沥青混合料高温性能的影响.结果表明：活性硅可显著提高沥青的软化点和黏度；活性硅可将普通70号沥青的高温等级由64 ℃提高至70 ℃；对不同沥青，活性硅对混合料高温性能改性效果不同；活性硅改性剂兼有填料作用，但随着替代矿粉量的增加，动稳定度逐渐降低，当13%活性硅替代40%矿粉时，动稳定度与不掺活性硅相当.

活性硅；活性硅改性沥青；高温流变；沥青混合料；动稳定度

0 引 言

硅藻土因其空隙度高、比表面积大、吸附性强等特性能显著提高沥青混合料的路用性能，且价格低廉，近年来得到不少学者的关注，也在道路工程中得到了越来越多的应用[1].例如，李晓民等[2]分析了硅藻土改性沥青胶浆的动态黏弹性特征，表明硅藻土能显著提高沥青胶浆的高温性能，陈卫峰等[3]的研究表明复合硅藻土改性剂能改善沥青混合料的高温抗车辙、抗水损害能力，提高耐久性.事实上，不同产地、工艺生产的硅藻土改性效果差异较大，使用前需进行大量的试验分析.本研究以四川地区的活性硅为研究对象，聚焦目前沥青混合料最为突出的高温性能，通过室内试验研究了活性硅掺量对沥青基本指标的影响规律，并与掺加矿粉的沥青胶浆进行了对比；采用动态剪切流变试验仪测试了活性硅沥青的G*/sinα指标值，研究其高温流变性能；以细粒式AC-13C矿料级配研究了活性硅对不同沥青的改性效果和不同矿粉替代量对高温性能的影响.

1 活性硅技术指标

试验采用的活性硅级配筛分(水洗法)结果如表1所示，其颗粒粒径大小几乎均在0.075 mm以下，级配比矿粉更细，比表面积更大，其他技术指标如表2所示.

表1 活性硅颗粒级配

硅藻土水洗法通过各筛孔(mm)的质量百分率(%)0．60．30．150．07510010099．899．7

表2 活性硅技术指标

2 不同活性硅掺量的沥青胶浆性能试验

2.1 不同活性硅掺量的沥青胶浆常规指标试验

为研究活性硅对沥青混合料性能的影响，试验以70号道路石油沥青对象，测定了不同活性硅掺量下(活性硅占沥青质量的10%～16%)，沥青胶浆的针入度、软化点、延度以及黏附性和旋转黏度等技术指标.

室内试验中，活性硅改性沥青的添加工艺为：先将沥青在155 ℃烘箱中加热直至充分流动，同时将活性硅在110 ℃烘箱加热2 h以上，按掺配比例将活性硅加入沥青中，并在不小于160 ℃温度下用玻璃棒迅速搅拌直至均匀，搅拌时间不小于30 min，并且将混入沥青的气泡完全排除，测定结果见表3.

由表3数据可知，活性硅的掺入，较显著地提高了沥青胶浆的高温性能，表现为针入度减小，软化点提高，布氏黏度提高.具体为：当活性硅掺量为13%

表3 不同掺量活性硅沥青胶浆技术指标测定结果

时，25 ℃针入度由66.87(0.1 mm)降至55.13(0.1 mm)，降低约12(0.1 mm)，软化点由47.45 ℃提高至51.00 ℃，提高约4 ℃，布氏黏度由0.48 pa.s提高至0.70 pa.s，提高约0.28 pa.s.应该指出的是，掺加活性硅后，沥青胶浆的延度呈现较大幅度的降低，但并不能由此判断为，活性硅的掺入会降低沥青混合料的低温性能.这主要与延度的测试方法有关，即掺入活性硅后，沥青胶浆试验极易在硅颗粒与沥青的界面处发生拉伸破坏，从而降低其延度测试值.张志清等[4]的研究表明，掺入硅藻土后，沥青胶浆延度大幅降低，但沥青混合料的低温性能反而提高.本试验主要研究活性硅对沥青混合料高温稳定性的影响，故没有进行混合料低温试验的研究.此外，掺加活性硅后，沥青胶浆与石料的黏附性有一定程度的提高，表明活性硅能改善沥青混合料的水稳定性.

相关研究表明，矿粉对沥青的指标有一定影响，为便于对比，试验测试了不同矿粉掺量的沥青胶浆针入度、软化点等技术指标，测定结果见表4.

表4 不同矿粉掺量沥青胶浆技术指标测定结果

由表4的数据可知，在沥青中掺加矿粉后，沥青胶浆的针入度和软化点变化很小.当矿粉掺量达到30%，25 ℃的针对度仅降低了约0.6(0.1 mm)，软化点提高约0.8 ℃；当矿粉的掺量达到60%后，沥青胶浆的测试指标才出现较为明显的变化.10 ℃的延度变化相对较大，掺加30%的矿粉，延度降低了约9 cm.沥青胶浆延度降低的原因与掺入活性硅相类似.

对比表3和表4的数据结果可知：矿粉掺量为30%时，沥青胶浆的高温性能测试指标虽有一定的提高，但影响很小；当矿粉达到60%及以上时，沥青胶浆的高温性能测试指标才有较大幅度的提高；当活性硅掺量为13%时，沥青胶浆的高温性能测试指标则出现较大幅度的提高.测试结果表明，活性硅对沥青高温指标的改善远远超出矿粉.因此，在沥青混合料设计时，活性硅不能简单当作填料处理，就其作用而言，更适宜作为沥青改性剂，该结论与相关的研究结果相吻合[5].

2.2 活性硅沥青胶浆高温性能试验

试验采用动态剪切流变试验仪测试沥青胶结料抗永久变形能力，并以G*/sinα来表征.在最高路面设计温度下，其值越大，表示沥青的流动变形越小，越有利于抵抗车辙的产生.同时，采用AR1500ex动态剪切流变仪测试70号沥青和掺加13%活性硅后沥青胶浆的原样沥青及短期老化后的高温性能，试验结果见表5.

表5 活性硅沥青高温性能试验结果

由表5知，从G*/sinα指标看，无论是原样胶结料试样还是短期老化后试样，掺加13%活性硅后的相同试验温度下的指标值均有较大幅度的提高，以短期老化试验为例，64 ℃的G*/sinα值由3.254提高至6.605.从PG高温等级看，该70号沥青的高温等级为64 ℃，即可用于64 ℃的路面最高设计温度，但掺加13%的活性硅后，高温等级提高至70 ℃，即可用于70 ℃的路面最高设计温度，高温等级由64 ℃提高至70 ℃，提高了一个等级.从失效温度(G*/sinα=1.0时的温度)看，该70号沥青的失效温度为67.33 ℃，掺加13%的活性硅后，失效温度提高至73.09 ℃，失效温度提高了近6 ℃.总之，掺加13%活性硅后，沥青胶浆的高温性能大幅提高，主要原因是活性硅空隙度高，吸附性强，盘状颗粒中间孔隙少而大，且有许多圆柱状的突起，“盘面”上孔隙非常发达，孔隙细而密，活性硅吸附沥青中的轻质成分，在活性硅表面形成结构沥青，从而减少了高温流动变形.

3 活性硅沥青混合料高温性试验

3.1 试验材料及矿料级配

试验所用粗集料采用成都市双流区卵石轧制碎石，细集料为粗集料加工过程中过2.36 mm筛的筛下部分，粗、细集料测试指标均满足现行施工技术规范要求.矿粉由资中地区石灰岩碎石磨细而成，技术指标见表6.根据工程经验，选定AC-13C矿料级配(见表7)，所有试验均采用相同的材料和矿料级配.

表6 矿粉实测技术指标

表7 AC-13C矿料级配组成

3.2 替代矿粉对高温性能影响

活性硅主要为硅质矿物，粒度比矿粉还小，且颗粒表面孔隙发达，与沥青间吸附作用更强，因此可以作为沥青混合料的优质填料使用.工程实践中，在活性硅改性沥青混合料设计过程中，通常以活性硅等量替代矿粉.对此，不少学者对这种等量替代的方法进行了相关研究，并取得了一些试验结果[7-8].本试验采用上述矿料组成级配和70号道路石油沥青，进行了活性硅掺量为0%、13%(等量替代13%的矿粉)和13%(替代40%的矿粉)混合料动稳定度试验，结果如图1所示.同时，考虑到不同沥青胶结料会影响活性硅沥青混合料的改性效果[9]，以SBS改性沥青为胶结料进行了掺量为0%和13%(等量替代13%的矿粉)，结果如图2所示.此外，活性硅对沥青混合料高温稳定性有良好的改善作用，因此，将活性硅作为沥青改性外掺剂而不改变矿粉用量进行高温车辙试验，结果如图3所示.为便于比较，同时列入了掺加13%活性硅替代13%矿粉的试验结果.

由图1可知，普通70号沥青混合料AC-13C的动稳定度为1 427次/mm，以13%的活性硅并替代13%的矿粉后，AC-13C的动稳定度为2 029次/mm，动稳定度提高约600次/mm，提高幅度约42%；以13%活性硅替代40%矿粉，动稳定度为1 454次/mm，与不掺加活性硅AC-13C的动稳定度基本相同.

图1 活性硅替代矿粉对70号沥青混合料高温性能影响

图2 活性硅替代矿粉对SBS改性沥青混合料高温性能影响

图3 活性硅替代矿粉对70号沥青混合料高温性能影响

由图2可知，SBS改性沥青混合料AC-13C的动稳定度为5 763次/mm，60 min的位移为1.721 mm，以13%的活性硅并替代13%的矿粉后，AC-13C的动稳定度为6 531次/mm，60 min的位移为1.511 mm，动稳定度提高约13%，位移减小约12%.

由图3可知，掺加13%活性硅不改变矿粉用量，70号沥青混合料AC-13C的动稳定度为2 324次/mm，相对于不掺加活性硅和掺加13%活性硅并等量替代矿粉混合料AC-13C分别提高约900次/mm和300次/mm，提高幅度分别约63%和15%.

3.3 分析与讨论

1)以活性硅替代等量矿粉可较大幅度提高沥青混合料的高温稳定性，表明活性硅不仅可作为沥青混合料的优质填料，还可作为改性剂提高混合料的高温稳定性.主要原因是活性硅颗粒富含孔隙，且表面具有丰富的突起构造，与沥青间有很强吸附作用，可形成更强的结构沥青，从而提高沥青混合料的强度，减少了沥青混合料的高温变形.

2)对不同沥青而言，活性硅等量替代矿粉的改性效果不同.本试验条件下，对普通70号和SBS改性沥青混合料动稳定度的分别提高了600次/mm和770次/mm，提高幅度分别为42%和12%，主要可能因活性硅与沥青间吸附作用大小差异所致.

3)尽管活性硅可作改性剂同时可兼作填料，但替代矿粉应适量，否则会导致高温稳定性降低.就本试验而言，13%的活性硅替代40%的矿粉时普通沥青混合料的动稳定度与不掺加活性硅的相当.主要原因为替代过多矿粉会导致混合料的填料不足，增加混合料的空隙率，降低混合料的强度和高温稳定性，这一降低作用会削弱或抵消活性硅改性剂对高温性能的提高作用.在工程实践中，建议活性硅不替代矿粉，仅作改性剂使用.

4)试验结果再次表明，活性硅可作为改性剂提高沥青混合料的高温稳定性；单纯作为改性剂不改变矿粉用量相对等量替代矿粉下的动稳定度更高，主要原因是活性硅作为改性剂在增强与沥青间吸附作用的同时兼作填料，降低了混合料的空隙率.

4 活性硅沥青混合料配合比设计建议

目前，活性硅沥青混合料的配合比设计通常采用等量替代矿粉法，即配合比设计过程中不考虑活性硅的影响，在选定混合料的级配并确定最佳沥青用量后，以掺加一定量的活性硅，一般为沥青质量的13%，并等量替代矿粉的沥青混合料进行性能试验.配合比设计过程中，将活性硅当作填料且完全等同矿粉，忽略活性硅等量替代矿粉后对最佳沥青用量的影响.理论上，活性硅由于颗粒粒径更小，比表面积更大，富含孔隙且表面含有丰富的突起构造，用作填料时应该比矿粉需要更大的油石比.由于活性硅掺量较小，假定沥青用量5%，以沥青质量的13%计，则活性硅用量为混合料的0.65%，这么小的掺量采用等量替代矿粉法进行配合比设计，对工程实践不会产生较大的偏差.

本试验结果表明，活性硅可作为沥青混合料的优质填料，但更适宜作为沥青改性剂.基于此，活性硅改性沥青混合料的配合比设计可采取2种方法：

1)湿法.即将活性硅与沥青混合制备活性硅改性沥青，然后以活性硅改性沥青为胶结料，依照通常沥青混合料配合比设计过程进行相应的最佳沥青用量确定与性能验证等试验.

2)干法.在混合料拌和过程中将活性硅当外掺改性剂加入，并依照通常沥青混合料配合比设计过程进行相应的最佳沥青用量确定与性能验证等试验.

从上述配合比设计过程看，无论是湿法还是干法，均将活性硅当作沥青改性外掺剂且充分考虑了其兼有填料的作用，即考虑活性硅的掺入对沥青混合料最佳沥青用量的影响.考虑室内试验应最大限度模拟实际生产的原则，采用干法更接近于实际，故建议在工程应用中应用干法进行活性硅改性沥青混合料配合比设计.

5 结 论

通过对活性硅沥青胶浆常规指标及高温性能的测试和活性硅改性沥青混合料高温车辙试验，本研究得出以下结论：

1)对比活性硅和矿粉沥青胶浆的常规指标测试结果，沥青中掺加少量的活性硅后，其胶浆的软化点、黏度等有较大幅度的提高，表明活性硅具有良好的高温改性作用.

2)活性硅可大幅改善沥青胶浆的G*/sinα指标值，掺加13%的活性硅，70号沥青的PG高温等级可由64 ℃提高至70 ℃，失效温度可提高约6 ℃.

3)掺加13%活性硅并等量替代矿粉，70号普通沥青和SBS改性沥青混合料的动稳定度分别提高约42%和12%.表明：活性硅可兼作改性剂和填料作用，对不同沥青的改性效果不同；随着替代矿粉量的增加，其改性效果逐渐降低，对普通70号沥青，当13%活性硅替代40%矿粉时，动稳定度不再提高.

4)活性硅单纯用作改性剂时，普通70号沥青混合料掺加13%活性硅后动稳定度可提高60%，相对等量替代矿粉的动稳定度提高15%.此表明，为提高混合料的动稳定度，建议仅考虑活性硅的改性作用，即不替代矿粉，且当作改性剂时，混合料配合比设计应作相应调整.

[1]姜玉芝，贾嵩阳.硅藻土的国内外开发应用现状及进展[J].有色矿冶，2011,27(5):31-36.

[2]李晓民，张肖宁，李智.硅藻土改性沥青胶浆的动态粘弹特征分析[J].公路，2006，51(10):145-148.

[3]陈卫峰,高培伟,李小燕,等.新型硅藻土改性剂对沥青混合料路用性能的影响.[J].材料科学与工程学报，2007,25(4):578-581.

[4]房军，谭忆秋，李智慧，等.硅藻土改性沥青低温性能的研究[J].石油沥青，2005，19(5):26-29.

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[6]王国安,朱洪洲,陈团结,等.硅藻土改性沥青胶浆高温性能评价[J].公路工程，2010,36(1):150-154.

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[8]边疆,李国芬,侯曙光.硅藻精土对沥青混合料水稳定性的影响[J].南京工业大学学报，2008,30(3):97-100.

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Influence of Active Silicon Modifier on High Temperature Performance of Bitumen and Asphalt Mixtures

HUANGWanqing1，YOUHong1,LIUJing2

(1.Sichuan Communication Surveying and Design Institute, Chengdu 610041, China; 2.Sichuan Nanyu Expressway Co.， Ltd., Nanchong 637000, China)

The index and high temperature rheological property of active silicon asphalt are studied.Then through the rutting test of the AC-13C asphalt mixtures,the influence of the active silicon on the modification effects of different bitumen as well as the influence of different mineral powder amount on the high temperature performance of asphalt mixture are studied.It is shown that,(1)active silicon can significantly improve the softening point and viscosity of bitumen;(2)the high temperature grade of bitumen 70 can be increased from 64 ℃ to 70 ℃ by adding active silicon;(3)As for different bitumen,the modification influence of active silicon on the high-temperature performance of the mixture is different;(4)active silicon modifier can partially be used as filler,but the dynamic stability of asphalt mixtures decreases as the replacement mineral powder amount increases.The dynamic stability is the same as the one without active silicon when the 13% active silicon replaces 40% mineral powder.

active silicon；active silicon modified asphalt；high temperature rheology；asphalt mixture；dynamic stability

1004-5422(2017)01-0106-05

2017-01-20.

四川省交通厅科研课题(2016C3-4)资助项目.

黄晚清(1978 — )， 男， 博士， 高级工程师， 从事道路工程勘察与设计研究.

U416.217

A