礦粉對(duì)瀝青膠漿性能的影響

李 濤， 扈惠敏

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

近代膠漿理論認(rèn)為瀝青混合料是一種三級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系，即瀝青混合料以粗集料為分散相分散在瀝青砂漿中，瀝青砂漿以細(xì)集料為分散相分散在瀝青膠漿中，瀝青膠漿以填料為分散相分散在瀝青介質(zhì)中。三級(jí)分散體系中以瀝青膠漿最為重要，其組成結(jié)構(gòu)與性能直接影響著瀝青混合料路用性能。文獻(xiàn)［1－3］證實(shí)膠漿性質(zhì)是瀝青混合料高溫抗車轍性能與低溫抗裂性能的決定性因素。

瀝青膠漿主要由瀝青加填料組成。本文探討了礦粉作為添加料，其材質(zhì)、粒徑、表觀密度、親水系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)對(duì)瀝青膠漿性能的影響。

1 礦粉性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

本文所用1＃～3＃礦粉從3個(gè)高速公路工程用料中隨機(jī)取樣得到，4?！?＃礦粉選用4處石料場(chǎng)出產(chǎn)的母巖，用試驗(yàn)室盤式研磨機(jī)自行磨制而成。6＃、7＃礦粉來(lái)自同一母巖，8＃、9＃礦粉來(lái)自同一母巖。

1.1 母巖巖性鑒定

巖礦鑒定是研究巖石、礦石的主要礦物組成，礦物成生序列，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖礦類型的技術(shù)方法。本文所采用的礦粉大部分來(lái)自不同的礦石母巖，其結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分和構(gòu)造會(huì)對(duì)礦粉的性質(zhì)產(chǎn)生影響。鑒定結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 礦粉母巖鑒定

由表1可見(jiàn)，試樣多為細(xì)晶層狀、鮞狀灰?guī)r，6＃、7＃礦粉母巖為白云巖，8＃、9＃礦粉母巖碳含量高。

1.2 粒徑

文獻(xiàn)［4］中規(guī)定0.075mm的集料質(zhì)量與瀝青膠漿質(zhì)量比稱為粉膠比，而對(duì)礦粉的粒徑要求是通過(guò)水洗法確定0.6、0.3、0.15、0.075mm 的通過(guò)率，對(duì)礦粉粒徑分布無(wú)明文要求。本文采用成都精新粉體測(cè)試設(shè)備公司生產(chǎn)的JL－1178型干法激光粒度儀對(duì)礦粉的粒徑組成進(jìn)行了精確分析，各粒徑累積分布測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可看出，礦粉的粒徑分布是有差別的，3＃、5＃、7＃、9＃礦粉較細(xì)，6＃、8＃礦粉較粗。為了定量分析礦粉粒徑分布，引入表征顆粒細(xì)度的指標(biāo)包括細(xì)度模數(shù)、D50、P30和P50，見(jiàn)表2所列。表2中，D50為累積通過(guò)率50%的粒徑，P30、P50分別指粒徑為30μm和50μm的累積通過(guò)率。對(duì)于細(xì)度模數(shù)，在礦粉粒度分析基礎(chǔ)上參照天然砂的細(xì)度模數(shù)計(jì)算方法給出：

其中，A1～A11分別對(duì)應(yīng)75～1.13μm各篩孔的累計(jì)篩余百分率。

圖1 各礦粉粒徑累積分布

表2 各礦粉試樣粒徑指標(biāo)

從表2可以看出，細(xì)度模數(shù)與D50相關(guān)性較好，兩者都比較適合用來(lái)表征礦粉粒徑指標(biāo)。其中5＃礦粉細(xì)度模數(shù)為3.31，最細(xì)；6＃礦粉細(xì)度模數(shù)為5.16，最粗。

1.3 表觀密度

礦粉的表觀密度隨其礦物成分、粒徑的不同而改變，會(huì)影響到施工拌合時(shí)與瀝青的膠結(jié)情況。根據(jù)文獻(xiàn)［5］中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行表觀密度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列。

由表3可以看出，微晶灰?guī)r礦粉2＃的表觀密度最大，碳質(zhì)細(xì)晶灰?guī)r礦粉9＃的表觀密度最小。

表3 各礦粉試樣表觀密度

1.4 親水系數(shù)

礦粉的親水系數(shù)即礦粉在水（極性介質(zhì)）中膨脹的體積與同一試樣在煤油（非極性介質(zhì)）中膨脹的體積之比，用于評(píng)價(jià)礦粉與瀝青混合料的黏附性能。親水系數(shù)小于1則礦粉對(duì)瀝青的黏附性大于對(duì)水的黏附性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 各礦粉試樣親水系數(shù)

親水系數(shù)受礦粉級(jí)配、表面性質(zhì)等因素影響，當(dāng)親水系數(shù)小于1時(shí)，其值越小表明礦粉越容易吸附瀝青，膠結(jié)程度越好。由表4可知，不同材質(zhì)的礦粉，親水系數(shù)存在差異，對(duì)比3＃石灰?guī)r礦粉與7＃白云巖礦粉可以看出，細(xì)度指標(biāo)接近的情況下，石灰?guī)r礦粉要比白云巖礦粉親水系數(shù)小約10%，即石灰?guī)r礦粉更易吸附瀝青。礦粉母巖中含碳質(zhì)會(huì)影響其親水系數(shù)，即影響礦粉與瀝青的吸附能力，表4中3＃礦粉親水系數(shù)最小，為0.62，9＃礦粉（含碳質(zhì)）與3＃礦粉細(xì)度指標(biāo)接近，親水系數(shù)卻相差約50%。

礦粉細(xì)度影響親水系數(shù)，對(duì)比1?！?＃礦粉可以發(fā)現(xiàn)，各細(xì)度指標(biāo)與親水系數(shù)相關(guān)性均在0.5以上，且基本符合同種巖性下，礦粉粒徑越小，親水系數(shù)就越低、越易吸附瀝青的規(guī)律。

2 膠漿性能試驗(yàn)

美國(guó)SHRP研究計(jì)劃提出了新的基于流變學(xué)思想的瀝青結(jié)合料性能測(cè)試方法。其中包括動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（Dynamic Shear Rheometry，簡(jiǎn)稱DSR）、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（Bending Beam Rheometer，簡(jiǎn)稱BBR）等。國(guó)內(nèi)外研究［6－8］表明動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）能夠較好地模擬交通條件，反映瀝青膠漿高溫變形特性；彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（BBR）能夠較好地模擬瀝青路面的低溫開裂，反映膠漿的低溫特性。本文采用DSR、BBR試驗(yàn)來(lái)測(cè)試加入不同礦粉的SBS瀝青膠漿的高低溫性能，并與SBS瀝青凈漿做比較，從而研究礦粉對(duì)瀝青膠漿的改性效果。

2.1 DSR試驗(yàn)結(jié)果

本文DSR試驗(yàn)采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的AR2000EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，針對(duì)SBS改性瀝青的高溫黏彈性能選擇試驗(yàn)溫度為76℃，試驗(yàn)角頻率10rad／s，根據(jù)文獻(xiàn)［9］應(yīng)變控制方法，目標(biāo)應(yīng)變值為12%。由安徽當(dāng)?shù)馗咚俟饭こ虒?shí)際經(jīng)驗(yàn)選擇礦粉與瀝青的質(zhì)量比（粉膠比）為0.8，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)取均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 各礦粉試樣DSR試驗(yàn)結(jié)果

從表5可看出，SBS瀝青凈漿的抗車轍因子為1.593kPa、粉膠比0.8情況下，礦粉使瀝青膠漿的抗車轍因子提高了1倍以上，高溫改性效果顯著。添加不同礦粉的瀝青膠漿試樣，抗車轍因子差距也較大，加入3＃礦粉的瀝青膠漿的76℃抗車轍因子達(dá)到4.879kPa，而加入8＃礦粉的瀝青膠漿的76℃抗車轍因子僅為3.122kPa。這說(shuō)明添加不同類型礦粉會(huì)對(duì)瀝青膠漿高溫性能有重大影響。

2.2 BBR試驗(yàn)結(jié)果

本次BBR試驗(yàn)采用美國(guó)CANNON公司TE－BBR低溫彎曲梁流變儀。根據(jù)安徽當(dāng)?shù)貙?shí)際工程情況選擇試驗(yàn)溫度－12℃，使用與DSR試驗(yàn)相同試樣，粉膠比0.8，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)取均值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6所列。

從表6可以看出，SBS瀝青原樣的勁度模量為114MPa，蠕變系數(shù)為0.425，加入礦粉的試樣勁度模量為198～274MPa，礦粉的加入會(huì)使膠漿低溫時(shí)冷脆性顯著增加，延性降低，但是膠漿勁度模量仍能滿足小于300MPa的要求［4］。

表6 各礦粉試樣BBR試驗(yàn)結(jié)果

2.3 瀝青膠漿高低溫性能相關(guān)性分析

對(duì)本文DSR、BBR試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻入礦粉不僅可以使瀝青膠漿高溫黏彈性增加，提高抗車轍能力，還會(huì)提高低溫勁度模量，降低抗裂性能。對(duì)膠漿試樣的抗車轍因子與勁度模量、蠕變系數(shù)分別進(jìn)行多項(xiàng)式線性回歸分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 膠漿高低溫性能相關(guān)性分析

從圖2可以看出，高溫抗車轍因子與低溫勁度模量相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.781，與蠕變系數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.536。這表明大部分試樣符合高溫性能越好、低溫性能越差的規(guī)律。

2.4 礦粉性能指標(biāo)與膠漿高低溫性能相關(guān)性

為分析礦粉性能指標(biāo)與膠漿高低溫性能相關(guān)性，將礦粉各項(xiàng)指標(biāo)與膠漿抗車轍因子、勁度模量、蠕變系數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式線性回歸，得到的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表7所列，部分回歸曲線如圖3所示。

表7 礦粉指標(biāo)與膠漿高低溫性能相關(guān)系數(shù)

圖3 部分回歸曲線

表7反映出礦粉性能指標(biāo)與摻加礦粉的膠漿性能之間的相關(guān)性。從中可以看出：

（1）文獻(xiàn)［10－11］表明，礦粉粒徑分布與膠漿高低溫性能相關(guān)性很高，而本文所用礦粉粒徑分布的性能指標(biāo)與抗車轍因子和勁度模量相關(guān)程度一般。這一方面是由于所用礦粉母巖巖性不同導(dǎo)致礦粉與膠漿結(jié)合程度有差異，另一方面由于8＃、9＃礦粉含有大量碳質(zhì)，碳質(zhì)會(huì)包裹在粉體與膠漿結(jié)合界面處形成孔隙，影響膠結(jié)程度。對(duì)于1～5＃石灰?guī)r礦粉，其粒徑分布性能指標(biāo)與膠漿高低溫性能指數(shù)相關(guān)性均有所增加，總的來(lái)說(shuō)細(xì)度越小，與膠漿結(jié)合程度就越充分，而細(xì)度越大則越難以與膠漿結(jié)合。具體巖性、構(gòu)造等對(duì)礦粉性能的影響程度還需后續(xù)試驗(yàn)予以探討。

而在實(shí)際工程中僅使用水洗法無(wú)法明確礦粉的粒徑分布，必須使用激光密度儀來(lái)獲取細(xì)度模數(shù)、D50、P30、P50等指標(biāo)，比較繁瑣不利于實(shí)際操作。

（2）表觀密度對(duì)膠漿性能的影響更多反映在其對(duì)瀝青混合料的施工過(guò)程影響中。試驗(yàn)?zāi)z漿拌合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，表觀密度較大的礦粉較易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，由于每次試驗(yàn)拌合膠漿量約為150g，用量小拌合較為充分。實(shí)際施工中很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)室拌合條件，容易出現(xiàn)拌合不勻的情況，從而導(dǎo)致膠漿中粉膠結(jié)合程度離散大，實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免使用表觀密度過(guò)大的礦粉。

（3）礦粉親水系數(shù)與膠漿高低溫性能相關(guān)性最好，親水系數(shù)值越低的礦粉與膠漿膠結(jié)程度越高，對(duì)膠漿高溫黏彈性改性效果越佳。且親水系數(shù)試驗(yàn)便于進(jìn)行，比較適合用來(lái)作為膠漿高溫性能質(zhì)量控制指標(biāo)。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)礦粉進(jìn)行粒徑分析試驗(yàn)、表觀密度試驗(yàn)、親水系數(shù)試驗(yàn)、DSR及BBR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，礦粉類型對(duì)膠漿的高溫性能、低溫性能的影響如下：

（1）不同材質(zhì)的礦粉，親水系數(shù)存在差異，石灰?guī)r礦粉要比白云巖礦粉親水系數(shù)小約10%，即石灰?guī)r礦粉更易吸附瀝青；礦粉母巖中含碳質(zhì)會(huì)影響其親水系數(shù)，即影響礦粉與瀝青的吸附能力；礦粉細(xì)度影響親水系數(shù)，礦粉粒徑越小，親水系數(shù)就越低，也就越容易吸附瀝青。

（2）礦粉母巖材質(zhì)對(duì)瀝青膠漿高低溫性能產(chǎn)生重大影響，工程實(shí)踐中應(yīng)重視礦粉母巖材質(zhì)的選擇，含碳石灰?guī)r磨制的礦粉，碳質(zhì)會(huì)包裹在粉體與膠漿結(jié)合界面處形成孔隙，影響與瀝青的膠結(jié)程度，從而影響抗車轍因子與勁度模量。

（3）礦粉細(xì)度對(duì)膠漿高低溫性能有重要影響，同種巖性下礦粉細(xì)度越細(xì)其親水系數(shù)值越小，膠漿抗車轍因子越高，礦粉對(duì)膠漿的改性效果也就越明顯。

（4）礦粉的摻加會(huì)大幅提高瀝青膠漿的高溫黏彈性，同時(shí)也使膠漿的低溫勁度模量增大，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r選擇摻加的礦粉與粉膠比，平衡混合料的高低溫性能。

（5）礦粉的性能指標(biāo)中，親水系數(shù)與瀝青膠漿的高低溫性能相關(guān)性較高，親水系數(shù)值越低的礦粉與膠漿膠結(jié)程度越好，對(duì)膠漿高溫性能改性效果也就越明顯。親水系數(shù)試驗(yàn)簡(jiǎn)單便于開展，適合作為礦粉對(duì)膠漿改性效果的技術(shù)指標(biāo)。

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