王叶丹，刘 勇，陶敬林
（1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410000；
2.湖南省中欣房地产开发集团有限公司，湖南 长沙 410000；
3.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 330000）
硅藻土在我国华北、东北地区储量丰富，具有微孔隙结构、比表面积大、吸附性强等优点。已有研究发现，硅藻土改性沥青能较好地改善沥青混合料的力学性能和抗老化性能。张君韬[1]综合运用流变、沥青结合料弯曲和老化试验研究发现，硅藻土的加入较好地改善了高标号沥青的黏弹性、抗车辙和抗老化性能，且低温性能降幅更小；
吕泽华等[2]通过BBR试验发现，硅藻土的加入削弱了沥青的低温性能；
吕虎娃[3]研究发现，适量硅藻土可以明显改善混合料的高温抗车辙性、低温抗裂性和抗水损害性能。但国内外研究主要集中在沥青胶浆的力学性能和沥青混合料的路用性能方面，对沥青砂浆力学性能的探讨相对较少。相关研究表明，掺入添加剂的基质沥青与橡胶沥青砂浆能提高其沥青砂浆的强度，并增强砂浆的水稳定性[4]；
以硅藻土部分或全部替代矿粉，能有效改善沥青砂浆的力学性能[5]。沥青砂浆作为联系沥青胶浆和沥青混合料的桥梁，在很大程度上决定了沥青混合料路用性能的好坏。本研究拟通过分析硅藻土对沥青砂浆力学性能的影响，为这种材料在沥青路面的实际应用提供参考。
1.1 试验原材料性能指标
本研究使用的沥青技术性能指标如表1所示。硅藻土平均粒径为10 μm，主要化学成分为SiO2（占硅藻土的85.60%），烧失量为4.61%，微观下呈圆盘状，孔隙发达。矿粉亲水系数为0.78，表观密度为2.741 g/cm3，微观下棱角突出、轮廓不规则，小于0.600、0.150、0.075 mm颗粒的质量分数分别为100.00%、93.40%、81.50%。细集料选用内蒙古旗产石灰岩，最大粒径不超过2.360 mm，粒级1.180、0.600、0.300、0.150、0.075 mm的表观密度分别为2.639、2.697、2.637、2.469、2.529 g/cm3。
表1 基质沥青技术指标
1.2 沥青砂浆配合比设计
沥青混合料目标级配采用JTG F40—2004推荐的细粒式AC-13级配中值，考虑到仅研究细集料对沥青砂浆性能的影响，将AC-13中的粗集料部分以相同比例细集料代替。采用δ体积修正法计算沥青用量，得到沥青用量为5.00%，沥青砂浆的油石比为13.50%，各档集料质量占沥青砂浆总质量的比例分别为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）。
选取几个砂浆密度配备集料，砂浆密度为2.200 g/cm3较为合适，沥青胶浆试件总质量为216 g。考虑到同等质量条件下硅藻土体积远大于矿粉体积，而填料体积分数的不同将对沥青砂浆的黏度造成很大影响，因此，以硅藻土替代矿粉时采用体积替代法，替代比例分别为0%、25%、50%、75%和100%。
1.3 沥青砂浆试件的制备及试验
选用50 mm×50 mm的圆柱形试件，参照JTG E20—2011的规定静压成型硅藻土沥青砂浆试件。将恒温箱温度设为10 ℃，试件保温4 h后进行单轴压缩试验，压缩试验仪器选择液压万能材料试验机MTS，加载速率为5 mm/min；
蠕变试验仪器选用气压Cooper试验机，试验温度为20 ℃，加载应力为0.24 MPa；
低温劈裂试验仪器仍选用MTS材料试验机，温度选择﹣10 ℃，加载速率为5 mm/min。
单轴压缩蠕变试验能反映沥青砂浆抵抗变形的能力[6]，低温间接拉伸性能是低温抗裂性能的重要体现[7]。为了研究硅藻土对沥青砂浆力学性能的改善作用，现采用单轴常应变压缩、单轴常应变蠕变和低温劈裂试验，通过对抗压强度、弹性模量、蠕变劲度、蠕变速率、劲度模量及应变能等指标进行分析，探索硅藻土替代矿粉的最佳替代比例。
2.1 单轴常应变压缩试验及结果分析
2.1.1 抗压强度
单轴常应变压缩试验得到老化前后不同硅藻土替代比例的沥青砂浆抗压强度，如图1所示。
图1 不同替代比例的沥青砂浆抗压强度
由图1可知，老化后各替代比例的沥青砂浆的抗压强度均增大，主要是由于老化使沥青变稠，增强了沥青与沥青及沥青与填料间的黏聚力。老化前，随着硅藻土替代比例的增大，沥青砂浆的抗压强度逐渐降低；
老化后，相比全矿粉沥青砂浆，硅藻土沥青砂浆的抗压强度均有所降低，但当硅藻土替代比例为75%时，抗压强度最大。
2.1.2 弹性模量
试验测得：老化前，随着硅藻土替代比例的增加，最大压应力逐渐下降，破坏应变基本在2%～3%；
老化后，当替代比例为75%时，破坏压应力最大，但小于全矿粉最大压应力，破坏应变在3%～4%。综合考虑应力应变的变化情况，采用应力应变曲线直线段的弹性模量作为评价指标，其值越小，沥青砂浆的低温性能越好。各替代比例的沥青砂浆老化前后弹性模量变化如图2所示。
图2 沥青砂浆老化前后弹性模量值
由图2可知，当硅藻土替代比例一定时，老化前沥青砂浆弹性模量均小于老化后。老化前，沥青砂浆的弹性模量随替代比例的增大而减小，且接近线性变化关系；
老化后，随着硅藻土的增加，弹性模量先增大后减小，当硅藻土替代比例为100%时，弹性模量达到最小值。由此可以看出，硅藻土的加入对沥青砂浆低温抗裂性有明显的改善作用，当硅藻土全部（100%）替代矿粉时，沥青砂浆的低温抗裂性最佳。
2.2 单轴常应变蠕变试验及结果分析
2.2.1 蠕变劲度
沥青砂浆蠕变劲度是指特定应力与给定温度和时间下应变的比值，反映特定温度和时间条件下的应力应变关系，能有效表征沥青砂浆的黏弹性及高温稳定性，不同替代比例的硅藻土沥青砂浆蠕变劲度如表2所示。
表2 沥青砂浆蠕变劲度
由表2可知，老化后沥青砂浆的蠕变劲度均增大，即沥青胶浆的高温稳定性增强。与全矿粉相比，硅藻土的加入使蠕变劲度降低，高温稳定性减弱，但当硅藻土替代比例为75%时，沥青胶浆的蠕变模量最大，高温稳定性最佳。
2.2.2 第二阶段蠕变速率
第二阶段蠕变速率指试件在加载过程中变形随时间变化的快慢，反映沥青砂浆抵抗变形的能力。沥青砂浆第二阶段的蠕变速率变化如图3所示。
由图3可知，老化后，相同替代比例的沥青砂浆第二阶段蠕变速率均减小，抗变形能力增强。加入硅藻土后，蠕变速率先增大后减小。当硅藻土替代比例为75%时，第二阶段蠕变速率与全矿粉沥青砂浆蠕变速率相当，沥青砂浆的高温性能最佳。
图3 沥青砂浆第二阶段蠕变速率
2.3 低温劈裂试验及结果分析
2.3.1 劲度模量
劈裂强度和拉伸应变是指沥青砂浆破坏时所需最大拉力及最大变形，能较好地反映沥青砂浆的低温抗裂性能。间接拉伸试验得到的破坏强度、拉伸应变及劲度模量变化规律如图4所示。
由图4可知，老化后沥青砂浆的劈裂强度增大、拉伸应变减小、相应劲度模量增大，说明老化后沥青砂浆的低温抗裂性能降低了。对比不同替代比例的沥青砂浆，全矿粉（0%）沥青砂浆的劈裂强度最大，25%替代比例沥青砂浆的拉伸应变最大，100%替代比例沥青砂浆的劲度模量最小。破坏劲度模量是间接拉伸强度与间接拉伸失效应变的比值，是强度和应变的综合表征，以劲度模量作为沥青砂浆低温抗裂性能指标更合适，即当硅藻土全部替代矿粉时，沥青砂浆的低温抗裂性最好。
图4 沥青砂浆老化前后试验指标
2.3.2 应变能
劈裂应变能也是强度和应变的综合反映，可作为沥青砂浆低温性能的评价指标，用origin软件对各沥青砂浆试件的应变能进行计算，得到的结果如表3所示。
表3 沥青砂浆老化前后应变能
拉伸应变能越大，达到破坏做功越多，低温性能就越好。由表3可知，相同替代比例的沥青砂浆老化后应变能均小于老化前，说明老化后试件低温性能降低了。相比于全矿粉沥青砂浆，加入硅藻土的沥青砂浆破坏应变能均增大，但无明显规律可循，当硅藻土100%替代矿粉时，沥青砂浆破坏应变能最大，此时沥青砂浆的低温性能最佳。
本研究采用单轴压缩蠕变试验和低温劈裂试验分析硅藻土部分或全部替代矿粉对沥青砂浆力学特性和路用性能的影响，具体研究结果如下：
（1）当硅藻土替代比例为75%时，其抗压强度和弹性模量达到最大，硅藻土全部（100%）替代矿粉时，低温性能最佳。
（2）当硅藻土替代比例为75%，沥青砂浆的高温稳定性最强，且该替代比例下沥青砂浆的蠕变劲度和第二阶段蠕变速率与全矿粉沥青砂浆相当。
（3）当硅藻土100%替代矿粉时，沥青砂浆胶浆的劲度模量最小、破坏应变能最大、低温抗裂性最强。
（4）老化后沥青砂浆的高温性能增强、低温性能减弱，但硅藻土的加入对沥青砂浆老化有一定的抑制作用；
当硅藻土全部替代矿粉时，沥青砂浆的低温性能最好。