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【摘 要】沥青路面是目前我国高等级公路路面结构主要形式之一，一般的沥青材料品质难以满足高等级沥青路面结构的要求，世界各国对此一直在进行广泛深入地研究。本文结合我国丰富的硅藻土资源，在沥青中掺加硅藻土作改性剂，深入研究硅藻土改性沥青混合料机理与性能，为改变局限于聚合物改性沥青的现状，发展以硅藻土为代表的矿物改性方面，合理利用硅藻土资源，提供理论依据。
【关键词】硅藻土；改性沥青；路用性能
Study on diatomite-modified asphalt
Wei He-guang1,Wang Yu2
(1.Chongqing traffic construction company Chongqing 400010；
2.Chongqing jiaotong university, chongqing Chongqing 400074)
【Abstract】Asphalt pavements prevail in China, but generic asphalt can not satisfy, so all countries are carrying out wide study with usage performance of asphalt and asphalt mixtures. There are plenty of diatomite resources in china .This paper selects diatomite as inorganic modified material for asphalt, and deeply researches the performance of pavement of diatomate-modified asphalt mix. In order to change the situation of polymer modified asphalt, develop direction in the mineral modified technology and utilize the diatomite resources effectively, which offers academic elements for the widely application of diatomite-modified asphalt mixtures.
【Key words】Diatomite;Modified asphalt;Road performance
1. 硅藻土改性沥青概念
沥青自身存在着不可克服的特性，比如高温变软、低温变脆、加热易老化等，在我国现有的沥青中，产量大、覆盖面较宽的沥青，大多数的路用性能不能满足高等级公路的使用要求，这就需要通过外加手段来弥补沥青本身的不足，对沥青加以改性可以达到上述目的。沥青路面改性剂包括有机改性剂和无机改性剂两大种类，现今使用较多的改性剂是有机材料改性剂，即各种聚合物改性剂，尤其是SBS改性剂，具有较好的路用性能。但是，由于聚合物改性剂价格昂贵，有的还需要进口，其改性技术、设备以及施工工艺比较复杂，需要专业人员操作，制约了我国改性沥青路面的发展。长期以来，人们把无机材料改性剂仅仅当作一种惰性填充物来看待，非常重视研究沥青或聚合物改性剂对沥青混凝土性能的影响，却忽视了填料在沥青混合料中所起的分散作用以及填料与沥青之间存在的界面化学作用，而事实上其它无机材料改性剂，如矿物填料，不仅可以改善沥青与矿料的界面作用，使沥青混凝土的性质发生变化，满足路用性能的要求，更重要的是无机材料改性沥青具有生产工艺简单、价格低廉、性能优良等特点，符合我国的国情需求。
硅藻土(DIATEMITE)，如图1所示，是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由硅藻(一种单细胞的水生藻类)遗骸和软泥固结而成的沉积岩。硅藻土无味无毒，具有体轻，质软，多孔，耐酸，比表面积大、化学性质稳定，热稳定性和吸收力强等特性，是一种被广泛应用在民用建筑里的绿色环保地材［ 1］。我国硅藻土资源丰富，仅次于美国，居世界第二位，全国保有硅藻土矿石储量4亿吨，远景储量达28亿吨。硅藻土沥青路面工艺简单，能显著增强路面的抗病害能力，新建与养护造价低，是国外公路路面的最佳改性材料，但在国内将硅藻土应用于公路改性沥青路面仍较少。
图1 散体硅藻土
图2 硅藻土改性沥青的显微镜照片
硅藻土作为一种非金属矿，在我国尚属新型的沥青改性剂，但国外早在多年前就已将它作为良好的沥青改性剂。国外从20世纪80年代就有加入沥青路面混合料中，改善沥青路面混合料的强度、粘性、热压缩致密性等性能的文献报道［ 2］。硅藻土是一种性能很稳定的工业矿物，具有表面粗糙，硬度较大，耐酸碱、耐磨、抗滑，独特的微孔结构和活性成份等特点，图2为硅藻土改性沥青的显微镜照片。硅藻土作为改性剂能够较好地改善沥青混合料的路用性能，主要体现在硅藻土改性沥青具有良好的稳定性、粘附性，可改善沥青及混合料的高温稳定性和低温抗开裂性，明显提高沥青路面的水稳性和抗疲劳、抗老化性能，同时与常规的聚合物改性沥青相比，硅藻土改性沥青在价格、生产工艺、储存方法上有更大的优势。SBS等有机改性沥青路面初期建设费用昂贵，特别是复杂的生产工艺决定了其目前只限于我国高速公路尤其是重点工程的建设，除此以外的较低等级公路则不太符合工程实际。而硅藻土的良好改性性能已有大量试验可以证明，完全能够满足我国各等级公路的路用性能需要。长安大学鲍燕妮指出其成本增加可能仅是SBS改性沥青路面的1/8或者更少。其产生的经济效益相当可观，故硅藻土改性沥青应用于二级公路或低等级公路路面建设有更大的可行性和经济效益。
2. 硅藻土改性沥青机理
2.1 相容性。
硅藻土做改性剂使改性沥青达到物理意义上的相容是很必要的。由于硅藻土在改性时的物理共混作用与聚合物改性时有相似之处，因此，可以借鉴聚合物改性沥青相容性的作用机理和影响因素，分析硅藻土改性沥青的相容性。改性剂与沥青的相容性是决定改性效果和改性制作工艺的关键。沥青与硅藻土是一种共混现象，并与沥青形成均相物质。沥青与硅藻土存在分子量，化学结构上存在差异，因而属于热力学不相溶体系。这是改性沥青所期望的，由于不同组分相界面上的相互作用，使共混物具有了很多均相物质所不具有的性质。Sam Maccrron认为：改性剂在沥青——改性剂体系中的理想状态是细分布而不是完全至溶［ 3］。所以对聚合物改性沥青来讲达到物理意义上的相容是很有必要的，因此，道路工程上中的相容性可认为“聚合物改性剂以微细的颗粒与基质沥青发生反应或均匀、稳定地分散在基质沥青中，而不发生分层、凝聚或离析等现象”。试验表明，硅藻土与沥青之间存在极好的相容性，在合适的温度下，将硅藻土加入沥青，经过机械拌和，硅藻土和沥青不易发生相分离和离析现象，几分钟时间内硅藻土就能均匀分布于沥青中，形成均匀混合体，稳定性良好。
Collins研究认为，随着相容性的增大，沥青的温度敏感性降低，高温下的模量增大［ 4］。
与聚合物改性沥青相似，硅藻土加人沥青后与沥青并未发生化学反应，而是均匀地分散在沥青中，形成均匀混合体。因此，对于硅藻土改性沥青相容性的意义就是“硅藻土改性剂以微细的颗粒均匀、稳定地分散在基质沥青中，而不发生分层、凝聚或离析等现象”。沥青及其混合料路用性能得以改善物理基础是其相容性，同时，优良的相容性也保证了硅藻土改性沥青低温抗裂性和高温稳定性。
2.2 分散度。
沥青的改性过程实际上是一个物理共混过程。聚合物改性剂微粒均匀地分散于沥青中，使沥青具有聚合物所固有的某些技术特征，以此来改善沥青的性能，达到改性的目的。由此可见，所以改性剂的高度分散是实现改性效果的重要因素。
硅藻颗粒能较好的分散于沥青中，直接的决定了其改性效果，也是衡量硅藻土作为一种新型改性剂优劣的重要指标。一般来说，合格的改性剂应在沥青中均匀分布，不合格的改性剂则会出现大团颗粒的团聚现象。硅藻土含有32%～39%自由分散且相互独立的亚微非聚结颗粒，将其混入沥青中后，这种非聚结颗粒不凝结，互相排斥。同时，硅藻土的细、密、均、小的矿物学特征及在改性沥青中的应用，保证了硅藻土在沥青中的均匀分布状态，使硅藻土在沥青中有良好的分散性。均匀分布是相容性的前提，也是发生改性效果的保证。硅藻土小的粒径和好的分散作用提高了沥青混合料的粉胶比，即混合料中的沥青薄膜对粗、细集料产生更强的粘附作用，使混合料形成坚实的整体而具有良好的稳定性。
2.3 硅藻土作为填料的特性。
矿质材料和沥青结合料经炒、拌而形成沥青混合料。矿粉在沥青混合料中的作用至关重要，只有沥青吸附在填料表面形成薄膜，才能对其他粗、细集料产生粘附作用。相关试验证明，硅藻土作为填料，由于其颗粒粒径小，比表面积大，多孔的结构构造，使得与沥青结合后，薄膜以内结构沥青数量远大于薄膜以外的自由沥青数量，由于混合料中的沥青，结构沥青越多，粘附性能越好，故硅藻土作为填料产生的粘聚力大，相对于石灰、石矿粉等填料，试验硅藻土会实现更佳的的路用性能效果。
掺加硅藻土填料的沥青混合料各项指标要比石灰石矿粉、粉煤灰以及水泥都要好，但是其成本比石灰石矿粉等其它填料高。根据对矿料以及水泥、消石灰在混合料中作用的分析，混合料中的硅藻土填料主要作用是密实矿料骨架填充料的作用，能够与沥青一起形成结聚的分散系统，能够充分发挥沥青与矿料的物理和化学作用，提高它们之间的粘结力，改善沥青粘弹性。
3. 硅藻土改性沥青路用特点
对于硅藻土改性沥青混合料进行路用性能的评价，涉及到硅藻土沥青混合料的高温稳定性能与低温抗裂性能。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其进行试验研究，表1和表2为简要的试验数据。
通过对硅藻土改性沥青混合料与基质沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性的对比试验研究，测试硅藻土改性沥青混合料路用性能的效果后，可以得到以下结论：
3.1 硅藻土的加入明显提高了沥青混合料的抗车辙能力，改善了沥青混合料的高温稳定性能力。原因在于硅藻土吸附稳定沥青，减少自由沥青层，又有明显加密作用，从而促使混合料的动稳定度显著提高。
3.2 加入硅藻土后，沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变有明显的提高，沥青混合料的低温抗裂性能得到了明显改善。
3.3 加入硅藻土改性剂后，在冻融前后沥青混合料劈裂强度均大于基质沥青，并且冻融劈裂强度比大于基质沥青，说明加入硅藻土后混合料的水稳性能得到较大改善。
此外，硅藻土改性沥青混合料的生产、运输、摊铺和压实工艺以及所需设备与普通沥青混合料完全一样，唯一增加的工序就是硅藻土的掺配。而硅藻土的掺配在使用直接掺配法后，施工工艺简单，不需要任何专门的设备和特殊工艺。由于硅藻土质轻体积大，除其具有的改性特性外，还能在混合料中取代一定体积的基体，是最经济的填料。硅藻土采用改性沥青，能够显著增强路面的抗病害能力，提高沥青路面的服务水平、降低营运费用，同时可大大延长路面的使用寿命、延长养护周期，减少二次投入，具有总体的经济效益。
参考文献
［1］ 韩秀卿，国内外硅藻土资源开发现状及对策研究［J］，中国非金属矿工业导刊，2001（2）.
［2］ Kletzman J H Roodier C E. Effeet of diatomite filler on performanee of asphalt Pavements. Transportation researeh reeord, 968-97.
［3］ Sam Maccrrone. Properties of polymer Modified Binders and Relationships to Mix and Pavement Performance. AAPT, 52-54.
［4］ Collins. Improved performance of Paving Asphalts by Polymer Modification. AAPT, 88-91.
［基金项目］重庆市自然科学基金（CSTC2010BB4266）；重庆建工集团科研项目（1022）
［文章编号］1006-7619（2011）05-09-476
［作者简介］ 魏河广，男，职称：教授级高工，研究方向：土木工程。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
【关键词】硅藻土；改性沥青；路用性能
Study on diatomite-modified asphalt
Wei He-guang1,Wang Yu2
(1.Chongqing traffic construction company Chongqing 400010；
2.Chongqing jiaotong university, chongqing Chongqing 400074)
【Abstract】Asphalt pavements prevail in China, but generic asphalt can not satisfy, so all countries are carrying out wide study with usage performance of asphalt and asphalt mixtures. There are plenty of diatomite resources in china .This paper selects diatomite as inorganic modified material for asphalt, and deeply researches the performance of pavement of diatomate-modified asphalt mix. In order to change the situation of polymer modified asphalt, develop direction in the mineral modified technology and utilize the diatomite resources effectively, which offers academic elements for the widely application of diatomite-modified asphalt mixtures.
【Key words】Diatomite;Modified asphalt;Road performance
1. 硅藻土改性沥青概念
沥青自身存在着不可克服的特性，比如高温变软、低温变脆、加热易老化等，在我国现有的沥青中，产量大、覆盖面较宽的沥青，大多数的路用性能不能满足高等级公路的使用要求，这就需要通过外加手段来弥补沥青本身的不足，对沥青加以改性可以达到上述目的。沥青路面改性剂包括有机改性剂和无机改性剂两大种类，现今使用较多的改性剂是有机材料改性剂，即各种聚合物改性剂，尤其是SBS改性剂，具有较好的路用性能。但是，由于聚合物改性剂价格昂贵，有的还需要进口，其改性技术、设备以及施工工艺比较复杂，需要专业人员操作，制约了我国改性沥青路面的发展。长期以来，人们把无机材料改性剂仅仅当作一种惰性填充物来看待，非常重视研究沥青或聚合物改性剂对沥青混凝土性能的影响，却忽视了填料在沥青混合料中所起的分散作用以及填料与沥青之间存在的界面化学作用，而事实上其它无机材料改性剂，如矿物填料，不仅可以改善沥青与矿料的界面作用，使沥青混凝土的性质发生变化，满足路用性能的要求，更重要的是无机材料改性沥青具有生产工艺简单、价格低廉、性能优良等特点，符合我国的国情需求。
硅藻土(DIATEMITE)，如图1所示，是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由硅藻(一种单细胞的水生藻类)遗骸和软泥固结而成的沉积岩。硅藻土无味无毒，具有体轻，质软，多孔，耐酸，比表面积大、化学性质稳定，热稳定性和吸收力强等特性，是一种被广泛应用在民用建筑里的绿色环保地材［ 1］。我国硅藻土资源丰富，仅次于美国，居世界第二位，全国保有硅藻土矿石储量4亿吨，远景储量达28亿吨。硅藻土沥青路面工艺简单，能显著增强路面的抗病害能力，新建与养护造价低，是国外公路路面的最佳改性材料，但在国内将硅藻土应用于公路改性沥青路面仍较少。
图1 散体硅藻土
图2 硅藻土改性沥青的显微镜照片
硅藻土作为一种非金属矿，在我国尚属新型的沥青改性剂，但国外早在多年前就已将它作为良好的沥青改性剂。国外从20世纪80年代就有加入沥青路面混合料中，改善沥青路面混合料的强度、粘性、热压缩致密性等性能的文献报道［ 2］。硅藻土是一种性能很稳定的工业矿物，具有表面粗糙，硬度较大，耐酸碱、耐磨、抗滑，独特的微孔结构和活性成份等特点，图2为硅藻土改性沥青的显微镜照片。硅藻土作为改性剂能够较好地改善沥青混合料的路用性能，主要体现在硅藻土改性沥青具有良好的稳定性、粘附性，可改善沥青及混合料的高温稳定性和低温抗开裂性，明显提高沥青路面的水稳性和抗疲劳、抗老化性能，同时与常规的聚合物改性沥青相比，硅藻土改性沥青在价格、生产工艺、储存方法上有更大的优势。SBS等有机改性沥青路面初期建设费用昂贵，特别是复杂的生产工艺决定了其目前只限于我国高速公路尤其是重点工程的建设，除此以外的较低等级公路则不太符合工程实际。而硅藻土的良好改性性能已有大量试验可以证明，完全能够满足我国各等级公路的路用性能需要。长安大学鲍燕妮指出其成本增加可能仅是SBS改性沥青路面的1/8或者更少。其产生的经济效益相当可观，故硅藻土改性沥青应用于二级公路或低等级公路路面建设有更大的可行性和经济效益。
2. 硅藻土改性沥青机理
2.1 相容性。
硅藻土做改性剂使改性沥青达到物理意义上的相容是很必要的。由于硅藻土在改性时的物理共混作用与聚合物改性时有相似之处，因此，可以借鉴聚合物改性沥青相容性的作用机理和影响因素，分析硅藻土改性沥青的相容性。改性剂与沥青的相容性是决定改性效果和改性制作工艺的关键。沥青与硅藻土是一种共混现象，并与沥青形成均相物质。沥青与硅藻土存在分子量，化学结构上存在差异，因而属于热力学不相溶体系。这是改性沥青所期望的，由于不同组分相界面上的相互作用，使共混物具有了很多均相物质所不具有的性质。Sam Maccrron认为：改性剂在沥青——改性剂体系中的理想状态是细分布而不是完全至溶［ 3］。所以对聚合物改性沥青来讲达到物理意义上的相容是很有必要的，因此，道路工程上中的相容性可认为“聚合物改性剂以微细的颗粒与基质沥青发生反应或均匀、稳定地分散在基质沥青中，而不发生分层、凝聚或离析等现象”。试验表明，硅藻土与沥青之间存在极好的相容性，在合适的温度下，将硅藻土加入沥青，经过机械拌和，硅藻土和沥青不易发生相分离和离析现象，几分钟时间内硅藻土就能均匀分布于沥青中，形成均匀混合体，稳定性良好。
Collins研究认为，随着相容性的增大，沥青的温度敏感性降低，高温下的模量增大［ 4］。
与聚合物改性沥青相似，硅藻土加人沥青后与沥青并未发生化学反应，而是均匀地分散在沥青中，形成均匀混合体。因此，对于硅藻土改性沥青相容性的意义就是“硅藻土改性剂以微细的颗粒均匀、稳定地分散在基质沥青中，而不发生分层、凝聚或离析等现象”。沥青及其混合料路用性能得以改善物理基础是其相容性，同时，优良的相容性也保证了硅藻土改性沥青低温抗裂性和高温稳定性。
2.2 分散度。
沥青的改性过程实际上是一个物理共混过程。聚合物改性剂微粒均匀地分散于沥青中，使沥青具有聚合物所固有的某些技术特征，以此来改善沥青的性能，达到改性的目的。由此可见，所以改性剂的高度分散是实现改性效果的重要因素。
硅藻颗粒能较好的分散于沥青中，直接的决定了其改性效果，也是衡量硅藻土作为一种新型改性剂优劣的重要指标。一般来说，合格的改性剂应在沥青中均匀分布，不合格的改性剂则会出现大团颗粒的团聚现象。硅藻土含有32%～39%自由分散且相互独立的亚微非聚结颗粒，将其混入沥青中后，这种非聚结颗粒不凝结，互相排斥。同时，硅藻土的细、密、均、小的矿物学特征及在改性沥青中的应用，保证了硅藻土在沥青中的均匀分布状态，使硅藻土在沥青中有良好的分散性。均匀分布是相容性的前提，也是发生改性效果的保证。硅藻土小的粒径和好的分散作用提高了沥青混合料的粉胶比，即混合料中的沥青薄膜对粗、细集料产生更强的粘附作用，使混合料形成坚实的整体而具有良好的稳定性。
2.3 硅藻土作为填料的特性。
矿质材料和沥青结合料经炒、拌而形成沥青混合料。矿粉在沥青混合料中的作用至关重要，只有沥青吸附在填料表面形成薄膜，才能对其他粗、细集料产生粘附作用。相关试验证明，硅藻土作为填料，由于其颗粒粒径小，比表面积大，多孔的结构构造，使得与沥青结合后，薄膜以内结构沥青数量远大于薄膜以外的自由沥青数量，由于混合料中的沥青，结构沥青越多，粘附性能越好，故硅藻土作为填料产生的粘聚力大，相对于石灰、石矿粉等填料，试验硅藻土会实现更佳的的路用性能效果。
掺加硅藻土填料的沥青混合料各项指标要比石灰石矿粉、粉煤灰以及水泥都要好，但是其成本比石灰石矿粉等其它填料高。根据对矿料以及水泥、消石灰在混合料中作用的分析，混合料中的硅藻土填料主要作用是密实矿料骨架填充料的作用，能够与沥青一起形成结聚的分散系统，能够充分发挥沥青与矿料的物理和化学作用，提高它们之间的粘结力，改善沥青粘弹性。
3. 硅藻土改性沥青路用特点
对于硅藻土改性沥青混合料进行路用性能的评价，涉及到硅藻土沥青混合料的高温稳定性能与低温抗裂性能。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其进行试验研究，表1和表2为简要的试验数据。
通过对硅藻土改性沥青混合料与基质沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性的对比试验研究，测试硅藻土改性沥青混合料路用性能的效果后，可以得到以下结论：
3.1 硅藻土的加入明显提高了沥青混合料的抗车辙能力，改善了沥青混合料的高温稳定性能力。原因在于硅藻土吸附稳定沥青，减少自由沥青层，又有明显加密作用，从而促使混合料的动稳定度显著提高。
3.2 加入硅藻土后，沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变有明显的提高，沥青混合料的低温抗裂性能得到了明显改善。
3.3 加入硅藻土改性剂后，在冻融前后沥青混合料劈裂强度均大于基质沥青，并且冻融劈裂强度比大于基质沥青，说明加入硅藻土后混合料的水稳性能得到较大改善。
此外，硅藻土改性沥青混合料的生产、运输、摊铺和压实工艺以及所需设备与普通沥青混合料完全一样，唯一增加的工序就是硅藻土的掺配。而硅藻土的掺配在使用直接掺配法后，施工工艺简单，不需要任何专门的设备和特殊工艺。由于硅藻土质轻体积大，除其具有的改性特性外，还能在混合料中取代一定体积的基体，是最经济的填料。硅藻土采用改性沥青，能够显著增强路面的抗病害能力，提高沥青路面的服务水平、降低营运费用，同时可大大延长路面的使用寿命、延长养护周期，减少二次投入，具有总体的经济效益。
参考文献
［1］ 韩秀卿，国内外硅藻土资源开发现状及对策研究［J］，中国非金属矿工业导刊，2001（2）.
［2］ Kletzman J H Roodier C E. Effeet of diatomite filler on performanee of asphalt Pavements. Transportation researeh reeord, 968-97.
［3］ Sam Maccrrone. Properties of polymer Modified Binders and Relationships to Mix and Pavement Performance. AAPT, 52-54.
［4］ Collins. Improved performance of Paving Asphalts by Polymer Modification. AAPT, 88-91.
［基金项目］重庆市自然科学基金（CSTC2010BB4266）；重庆建工集团科研项目（1022）
［文章编号］1006-7619（2011）05-09-476
［作者简介］ 魏河广，男，职称：教授级高工，研究方向：土木工程。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文