凝灰?guī)r礦粉與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿性能的對(duì)比

謝 博，楊 濤，關(guān)宏信，徐澤人

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江溫州 325038）

由礦粉和瀝青組成的瀝青膠漿是瀝青混合料最重要的一種組成部分，雖然礦粉的用量在瀝青混合料中所占的比重并不大，但礦粉種類(lèi)的改變可以導(dǎo)致瀝青混合料路用性能產(chǎn)生很大的變化。瀝青路面作為一種無(wú)接縫的連續(xù)式柔性路面，以其行車(chē)平穩(wěn)、揚(yáng)塵小、噪音小、養(yǎng)護(hù)方便以及能夠回收利用等優(yōu)點(diǎn)在高速公路建設(shè)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。瀝青路面的使用性能和壽命取決于所采用瀝青混合料的質(zhì)量，因此，對(duì)瀝青混合料的研究已成為許多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。瀝青混合料是由粗集料、細(xì)集料、瀝青及填料按一定比例組成的具有多級(jí)空間網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)的混合物，瀝青通過(guò)與集料、填料粘結(jié)在一起共同作用［1］。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，人們只重視對(duì)瀝青的研究，試圖將瀝青材料的技術(shù)性能與混合料的技術(shù)性能掛鉤，卻忽略了填料作為混合料的一部分，它起到重要的分散和粘結(jié)作用［2］。

填料通過(guò)與瀝青材料的相互作用組成的瀝青膠漿來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)瀝青混合料起到的粘結(jié)和填充空隙的作用。在相同瀝青用量的條件下，優(yōu)質(zhì)填料與瀝青相互作用的比表面積越大［3］，填料顆粒之間的粘結(jié)力就越大，對(duì)提高瀝青混合料的強(qiáng)度就越好。目前，中國(guó)使用最多的填料是石灰?guī)r礦粉，但是，隨著高速里程的增加，優(yōu)質(zhì)填料并非取之不盡用之不竭，因此開(kāi)發(fā)和尋找新的石料產(chǎn)品來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有材料的短缺具有重要的意義。作者擬以浙江地區(qū)的凝灰?guī)r作為研究對(duì)象，對(duì)凝灰?guī)r瀝青膠漿進(jìn)行常規(guī)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（BBR），探究凝灰?guī)r與優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉性能的優(yōu)劣。

1 原材料

1.1 瀝青

采用70＃基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1，2。

表1 70?；|(zhì)瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of 70＃basic asphalt

表2 SBS改性瀝青性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of SBS modified asphalt

1.2 礦粉

選用溫州施工現(xiàn)場(chǎng)的凝灰?guī)r礦粉和河北施工現(xiàn)場(chǎng)的石灰?guī)r礦粉，其性能指標(biāo)見(jiàn)表3。從表3中可以看出，2種礦粉的常規(guī)指標(biāo)均符合規(guī)范的技術(shù)要求。

表3 凝、石灰?guī)r礦粉性能指標(biāo)Table 3 Performance indicators of the tuff and limestone powder

2 瀝青膠漿常規(guī)性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

將70?；|(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別與凝灰?guī)r礦粉和石灰?guī)r礦粉組成的瀝青膠漿按粉膠比0.6，0.9和1.2進(jìn)行常規(guī)的針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

2.1 針入度試驗(yàn)結(jié)果與分析

基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在不同填充料瀝青膠漿針入度的比較分別如圖1，2所示。

從圖1，2中可以看出：①與同類(lèi)別瀝青相比，瀝青膠漿的針入度都要小得多，如：25℃時(shí)，基質(zhì)瀝青的針入度可達(dá)到66，而凝灰?guī)r礦粉瀝青膠漿在粉膠比0.9時(shí)，針入度只有36.4。由此可見(jiàn)，加入礦粉填充料之后，瀝青變得更為粘稠，針入度變小。②在固定溫度下，瀝青膠漿的針入度隨粉膠比的增加呈現(xiàn)先減小后增加的規(guī)律。這表明存在一個(gè)最佳粉膠比，使得瀝青和填充料產(chǎn)生的相互作用最強(qiáng)，從而導(dǎo)致硬化效果最好。③在同溫度、同粉膠比條件下，凝灰?guī)r瀝青膠漿的針入度都比石灰?guī)r瀝青膠漿的針入度要小，由此可知，凝灰?guī)r礦粉比優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉對(duì)瀝青的硬化效果略好些。

圖1 基質(zhì)瀝青在不同填充料瀝青膠漿針入度的比較Fig.1 Asphalt mortar penetration comparison between different filler fillings in basic asphalt

圖2 SBS改性瀝青在不同填充料瀝青膠漿針入度的比較Fig.2 Asphalt mortar penetration comparison between different filler fillings in SBS modified asphalt

2.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析

瀝青膠漿軟化點(diǎn)的比較如圖3所示。

圖3 瀝青膠漿軟化點(diǎn)比較Fig.3 Comparison of asphalt mortar softening point

從圖3并結(jié)合表1，2可以看出：①瀝青膠漿的軟化點(diǎn)比瀝青的軟化點(diǎn)有不同程度的提高，可見(jiàn)填料的加入對(duì)瀝青產(chǎn)生了硬化作用，使得瀝青膠漿粘度增加，軟化點(diǎn)得到了提高，這一結(jié)果跟針入度的變化趨勢(shì)一致。②隨著粉膠比增大，瀝青膠漿的軟化點(diǎn)呈遞增趨勢(shì)。③無(wú)論是基質(zhì)瀝青還是SBS改性瀝青，在同種瀝青、同等粉膠比的情況下，凝灰?guī)r瀝青膠漿的軟化點(diǎn)要比石灰?guī)r瀝青膠漿的略低，由此可知，凝灰?guī)r瀝青膠漿的粘度和高溫性能略差于石灰?guī)r瀝青膠漿的。

總之，僅靠瀝青的3大指標(biāo)試驗(yàn)來(lái)評(píng)判瀝青膠漿基本性能，進(jìn)而探究填充料對(duì)瀝青膠漿的影響是不夠完善的。還需要其他瀝青膠漿性能試驗(yàn)的共同驗(yàn)證。

3 瀝青膠漿路用性能研究

3.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)及結(jié)果分析

瀝青膠漿是瀝青和填料的混合物。與瀝青相比，瀝青膠漿的微觀結(jié)構(gòu)為二元非均質(zhì)的系統(tǒng)，其性能發(fā)生了很大的變化，僅靠簡(jiǎn)單的瀝青3大指標(biāo)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠漿的技術(shù)性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)［4－5］，研究瀝青膠漿的高溫性能［6－8］，并分析填料的技術(shù)性能與混合料性能的相關(guān)性。

本研究中DSR試驗(yàn)采用美國(guó)BOHLIN公司生產(chǎn)的C－VOR150型動(dòng)態(tài)剪切流變儀。試驗(yàn)采用應(yīng)變（γ＝12%）控制模式，試驗(yàn)頻率換算成角速度（ω＝10rad／s），試驗(yàn)溫度采用64℃。試樣直徑為25mm，厚度為1mm。試驗(yàn)方法采用AASHTO標(biāo)準(zhǔn)TPS。

復(fù)數(shù)剪切模量G＊反映材料受到重復(fù)剪切時(shí)的總阻力，它包括彈性（可回復(fù)）和粘性（不可回復(fù)）兩部分。經(jīng)DSR測(cè)試，其計(jì)算公式為：

式中：τ為剪應(yīng)力，Pa；γ為剪應(yīng)變，%。

各試樣采用的是老化前的瀝青膠漿，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表4，5。表4，5中，δ為相位角，是可回復(fù)和不可回復(fù)變形的量度（δ越大，材料塑性越大，彈性越差；反之，則材料塑性越小，彈性越好）；G＊cosδ為可恢復(fù)部分，反映彈性部分；G＊sinδ為不可恢復(fù)部分，反映粘性部分，即表示瀝青在變形過(guò)程中能量的損失；G＊／sinδ為車(chē)轍因子（G＊／sinδ越大，抗車(chē)轍能力越強(qiáng)。在相同的G＊時(shí)，δ越小越好，即彈性分量大，粘性分量小，抗車(chē)轍能力強(qiáng)）。

表4 70＃瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Table 4 Dynamic shear rheometer test results of 70＃asphalt mortar

表5 SBS瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Table 5 Dynamic shear rheometer test results of SBS modified asphalt

從表4，5中可以看出：①瀝青膠漿抗車(chē)轍因子遠(yuǎn)大于同類(lèi)別瀝青的抗車(chē)轍因子。這說(shuō)明瀝青由于填料的加入變得更為堅(jiān)硬，抗車(chē)轍能力得到了顯著提高。②車(chē)轍因子隨著粉膠比的增加而增加，并且隨著粉膠比的不斷增加，抗車(chē)轍因子增加的幅度也變得越來(lái)越大。③從相位角來(lái)看，隨著粉膠比的增加，基質(zhì)瀝青膠漿的相位角變化很小。這說(shuō)明填料的摻量對(duì)基質(zhì)瀝青膠漿相位角的影響很小，這是因?yàn)闉r青膠漿雖然受到的總的剪切阻力增加，但是彈性部分與粘性部分的比例保持不變；所不同的是，SBS改性瀝青膠漿的相位角隨著粉膠比的增加卻在逐漸減小。這表明SBS改性瀝青膠漿中粘性性質(zhì)所占比例逐漸變小，彈性性質(zhì)所占比例逐漸變大。④從膠漿類(lèi)型來(lái)看，無(wú)論瀝青類(lèi)型是70?；|(zhì)瀝青還是SBS改性瀝青，3種粉膠比的凝灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的車(chē)轍因子都要比石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的大。這表明凝灰?guī)r礦粉比優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉對(duì)瀝青膠漿的高溫性能提升更大。

3.2 瀝青膠漿低溫彎曲試驗(yàn)

瀝青混合料屬于粘彈性材料，在低溫下會(huì)變得脆硬，變形能力差，因此容易在溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力下產(chǎn)生裂縫。通過(guò)彎曲梁流變儀（BBR）［9］，測(cè)試瀝青膠漿小梁來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠漿的低溫性能［10］。用彎曲梁流變儀［11］記錄蠕變勁度S和蠕變斜率m。蠕變勁度S表征瀝青膠漿柔性。蠕變勁度S越大，則瀝青漿膠的柔性越差，其可變性能力小。蠕變斜率m表征瀝青漿膠的松弛能力。蠕變斜率越大，瀝青膠漿的松弛能力越強(qiáng)。當(dāng)遇到溫度快速下降時(shí)，瀝青膠漿就具有更好的低溫性能。試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4，5所示。

圖4 不同類(lèi)型瀝青膠漿勁度模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Stiffness modulus test results of different kinds of asphalt mortar

圖5 不同類(lèi)型瀝青膠漿蠕變斜率試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Creep slope test results of different kinds of asphalt mortar

從圖4，5中可以看出：①任何一種瀝青膠漿，無(wú)論是從勁度模量還是蠕變斜率的角度，其低溫性能都要比同類(lèi)別的純?yōu)r青差得多。這表明摻加填料雖然能顯著提高其高溫性能，但是低溫抗裂性能卻因此降低。②隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿的抗裂也在隨之降低，并且降低幅度有遞增的趨勢(shì)。③在溫度為－12℃的條件下，不同粉膠比的凝灰?guī)r礦粉瀝青膠漿勁度模量都要低于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿。這表明凝灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的低溫性能在同等溫度下比石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的好；但是從蠕變斜率來(lái)看，不同粉膠比兩者的抗裂性能也各有優(yōu)劣。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)瀝青膠漿3大指標(biāo)試驗(yàn)分析可以看出，隨著礦粉的加入，瀝青和礦粉的交互作用在性能上都有了不同程度的提升。如：軟化點(diǎn)的升高表明瀝青膠漿的高溫性能比純?yōu)r青的要好；針入度的減小表明了礦粉對(duì)瀝青起到了硬化的效果；同時(shí)凝灰?guī)r礦粉對(duì)同類(lèi)別瀝青的提升效果與優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉相比，硬化效果提升較為明顯，但高溫性能提升差些。

2）從瀝青膠漿高溫性能上來(lái)講，在不同的粉膠比和不同瀝青的情況下，凝灰?guī)r瀝青膠漿的高溫性能都要好于優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r瀝青膠漿的。從BBR試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，雖然礦粉的加入使得瀝青的低溫抗裂性能都有所降低，但石灰?guī)r礦粉的加入使得70?；|(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的低溫抗裂性能降低的幅度稍顯更大。

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