填料對(duì)橡膠瀝青膠漿高低溫性能的影響*

徐　波,劉運(yùn)新，王　英

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

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填料對(duì)橡膠瀝青膠漿高低溫性能的影響*

徐波,劉運(yùn)新，王英

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

摘要：為研究填料對(duì)橡膠瀝青膠漿高低溫性能的影響，選取礦粉和水泥作為填料，制備不同粉膠比(礦粉為0.25，0.4，0.6和0.8；水泥為0.4，0.6)的橡膠瀝青膠漿。通過(guò)蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)和彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)對(duì)橡膠瀝青膠漿的高溫性能和低溫性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，隨著粉膠比的增加，礦粉和水泥均能使橡膠瀝青膠漿的高溫性能得到提高，并且礦粉比水泥的改善效果好；隨著粉膠比的增加，礦粉橡膠瀝青膠漿和水泥橡膠瀝青膠漿的低溫性能均逐漸降低，在低溫-12和-18 ℃時(shí)，礦粉使橡膠瀝青膠漿的低溫性能降幅更大。為了均衡橡膠瀝青膠漿的高低溫性能，礦粉橡膠瀝青膠漿的最佳粉膠比范圍宜為0.4～0.6。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青膠漿；粉膠比；高溫性能；低溫性能

1引言

瀝青膠漿是瀝青混合料的一個(gè)重要組成部分，很多研究人員從不同的角度對(duì)瀝青膠漿及其中的填料進(jìn)行了研究。V.P.Puzinaukas通過(guò)研究添加水泥的瀝青膠漿發(fā)現(xiàn)，填料在瀝青混合料中有兩種作用，第一是填料與瀝青相結(jié)合成為瀝青膠漿；第二是填料只是作為一種純粹的填充物，為較大礦物顆粒提供接觸點(diǎn)，而這兩種作用均可以提高瀝青混合料的強(qiáng)度[1]。D.A.Anderson等發(fā)現(xiàn)了瀝青膠漿可以抑制瀝青混合料的低溫開裂[2]。E.R.Brown等將含有細(xì)集料的粗瑪蹄脂與不含細(xì)集料的細(xì)瑪蹄脂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)填料的種類、細(xì)度、物理和化學(xué)性能都會(huì)影響瑪蹄脂的性能[3-4]。J.S.Chen 和C.H.Peng通過(guò)直接拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)瀝青瑪蹄脂的拉伸破壞特征分析得出混合料低溫開裂并不是填料引起，因?yàn)樵诘蜏貐^(qū)域內(nèi)，瀝青和瀝青膠漿均表現(xiàn)出較低的應(yīng)變[5]。R.M.Recasens等研究表明為了填料對(duì)基質(zhì)瀝青膠漿的老化影響程度最低，填料的含量應(yīng)低于推薦含量的20%～30%[6]。

國(guó)內(nèi)對(duì)瀝青膠漿的研究主要如下，袁迎捷對(duì)基質(zhì)和改性瀝青膠漿的高中低溫流變特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)蠕變勁度隨粉膠比的增加呈指數(shù)增大，而破壞應(yīng)變和m值均減??；在中等溫度下，瀝青膠漿的抗疲勞因子與應(yīng)變有較強(qiáng)的相關(guān)性[7]。吳玉輝通過(guò)DSR和BBR實(shí)驗(yàn)對(duì)礦粉含量對(duì)90號(hào)基質(zhì)瀝青膠漿的高低溫性能的影響進(jìn)行研究，得出隨著粉膠比的增加高溫性能提高，低溫性能降低，瀝青混合料中的粉膠比控制在0.8～1.2可以平衡高低溫性能[8]。2012年，郭利平等采用錐入度實(shí)驗(yàn)和拉拔實(shí)驗(yàn)，得出隨著膠粉摻量或粉膠比的增加，錐入度減小而抗剪強(qiáng)度增大，并且礦粉對(duì)橡膠瀝青膠漿剪切強(qiáng)度的影響大于膠粉，而對(duì)其粘結(jié)強(qiáng)度的影響不如膠粉[9]。魏穎研究了橡膠瀝青膠漿的高低溫性能，基于這兩種性能得出了最佳粉膠比[10]。

綜合各類研究發(fā)現(xiàn)，到目前為止對(duì)橡膠瀝青膠漿的研究甚少。因此，本文通過(guò)研究不同填料(礦粉和水泥)和不同粉膠比對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能、低溫性能的影響，從而選出合適的填料及粉膠比。

2實(shí)驗(yàn)

2.1原材料

2.1.1橡膠瀝青

實(shí)驗(yàn)所用的橡膠瀝青，采用江陰泰富產(chǎn)AH-70#重交通瀝青作為基質(zhì)瀝青，膠粉為浙江永益產(chǎn)20目膠粉，摻量為內(nèi)摻18%。其基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1　橡膠瀝青基本性能指標(biāo)

2.1.2填料

采用的礦粉為石灰?guī)r礦粉，水泥為P·O 42.5級(jí)，其基本性能指標(biāo)如表2所示。

表2礦粉與水泥的基本性能指標(biāo)

Table 2 Properties of mineral powder and cement

填料種類視密度親水系數(shù)<0.075mm含量礦粉2.710.89(<1)90.4水泥2.800.78(<1)92.3

2.2橡膠瀝青膠漿制備

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果：(1)當(dāng)粉膠比為0.25，0.4和0.6時(shí)，橡膠瀝青膠漿拌和溫度為200 ℃，拌和時(shí)間為20 min；(2)當(dāng)粉膠比為0.8時(shí)，橡膠瀝青膠漿拌和溫度為200 ℃，拌和時(shí)間為30 min。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1零剪切粘度

目前對(duì)于改性瀝青的高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)較多[11-12]，研究選取零剪切粘度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。零剪切粘度ZSV是指在某一溫度下直接測(cè)得或推算得到剪切速率達(dá)到或接近0時(shí)的粘度，用來(lái)表征材料粘度特性，又稱為絕對(duì)粘度。文章采用蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)法得到橡膠瀝青膠漿的零剪切粘度η0。蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)連續(xù)的階段：第一階段是在瀝青上施加一個(gè)恒定應(yīng)力，稱為蠕變階段，當(dāng)柔量(或應(yīng)變)隨時(shí)間呈直線增長(zhǎng)時(shí)即到達(dá)穩(wěn)定階段，此時(shí)直線斜率的倒數(shù)值即為η0；第二階段是瞬時(shí)地卸去荷載，使變形緩慢的恢復(fù)，稱為恢復(fù)階段，此階段柔量(或應(yīng)變)中的彈性部分逐漸回復(fù)，通過(guò)殘余的粘性部分亦可得到η0。實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)TA-AR1500EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行，采用25 Pa的應(yīng)力，溫度為60 ℃，蠕變1 000 s，恢復(fù)1 h。

2.3.2彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)

在SHRP PG 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)里，推薦采用彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)(BBR)來(lái)評(píng)價(jià)膠結(jié)料的低溫性能。彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)采用2個(gè)指標(biāo)-蠕變勁度模量S值和蠕變曲線斜率m值(勁度模量對(duì)荷載作用時(shí)間的曲線斜率)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能。蠕變勁度模量S反映材料的低溫性能，S值越大，彎曲流變性能越差。蠕變速率m反映材料的松弛能力，m值越大，松弛能力越強(qiáng)，m值大的材料當(dāng)遇到溫度急劇下降時(shí)，往往不易開裂，具有較好的低溫性能[13]。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1高溫性能

通過(guò)對(duì)不同橡膠瀝青膠漿進(jìn)行蠕變及蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，柔量與時(shí)間的關(guān)系如圖1，2所示。

圖1　礦粉橡膠瀝青膠漿的蠕變及蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig 1 Creep and creep recovery of mineral powder CRMA mastic

圖2　水泥橡膠瀝青膠漿的蠕變及蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig 2 Creep and creep recovery of cement CRMA mastic

根據(jù)公式

計(jì)算蠕變恢復(fù)階段時(shí)的零剪切粘度ZSV。結(jié)果如表3，4所示。

表3礦粉橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的ZSV(Pa·s)

Table 3 ZSV values of mineral powder CRMA mastic

粉膠比00.250.40.60.8ZSV1.30×1053.65×1055.16×1051.63×1063.56×106

表4水泥橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的ZSV(Pa·s)

Table 4 ZSV values of cement CRMA mastic

從圖1和表3可以看出，隨著礦粉粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的零剪切粘度逐漸變大。當(dāng)粉膠比為0.8時(shí)的ZSV值約是粉膠比為0.25時(shí)的10倍，說(shuō)明隨著粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的高溫性能明顯提高。

從圖2和表4可以看出，隨著水泥粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的零剪切粘度逐漸變大，但增加的幅度不明顯。說(shuō)明隨著粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的高溫性能有所提高。

從表3，4可以看出，當(dāng)粉膠比相同時(shí)，添加礦粉的橡膠瀝青膠漿的ZSV明顯高于添加水泥的橡膠瀝青膠漿的ZSV。粉膠比為0.4時(shí)，礦粉橡膠瀝青膠漿的ZSV值是水泥橡膠瀝青膠漿ZSV值的2倍多，當(dāng)粉膠比為0.6時(shí)，達(dá)到5倍之多。說(shuō)明礦粉對(duì)橡膠瀝青膠漿的高溫性能改善效果明顯優(yōu)于水泥。

對(duì)不同橡膠瀝青膠漿進(jìn)行環(huán)境掃描實(shí)驗(yàn)(ESEM)，實(shí)驗(yàn)掃描照片如圖3所示。從圖3(a)、(b)可以看出，相同放大倍數(shù)下的環(huán)境掃描實(shí)驗(yàn)，礦粉的顆粒粒徑要明顯大于水泥的顆粒粒徑，而DSR實(shí)驗(yàn)測(cè)試的是膠漿這種復(fù)合材料在一定的剪切速率下的抗剪切能力，分散相中填料粒徑的大小對(duì)剪切阻力有較大的影響，而水泥顆粒粒徑較小且顆粒間距大，導(dǎo)致相同實(shí)驗(yàn)試樣中水泥的顆粒較少，從而測(cè)得的零剪切粘度小于添加礦粉的橡膠瀝青膠漿的零剪切粘度，最終表現(xiàn)為添加礦粉的橡膠瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)于添加水泥的橡膠瀝青膠漿。

從圖3(c)、(d)可以看出，添加礦粉的橡膠瀝青膠漿光滑、細(xì)膩，礦粉被橡膠瀝青裹覆均勻，這正是因?yàn)榈V粉與瀝青會(huì)發(fā)生體積增強(qiáng)作用和物化反應(yīng)。而隨著粉膠比的增加，瀝青與礦粉生成的“結(jié)構(gòu)瀝青”數(shù)量增多，形成的相體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，粘附作用更強(qiáng)，從而使橡膠瀝青膠漿的高溫性能更好。

圖3橡膠瀝青膠漿ESEM圖

Fig 3 ESEM images of CRMA mastic

3.2低溫性能

實(shí)驗(yàn)采用的是美國(guó)CANNON公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀，選取在-12，-18和-24 ℃時(shí)60 s的蠕變勁度S和m值來(lái)評(píng)價(jià)不同橡膠瀝青膠漿的低溫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5不同橡膠瀝青膠漿的BBR實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 5 Creep stiffnessSand m-value of CRMA mastic

實(shí)驗(yàn)溫度-12℃-18℃-24℃膠漿粉膠比S/MPam值S/MPam值S/MPam值加礦粉的膠漿076.20.3991960.2903630.2640.251250.4332110.2663970.1940.41270.3613340.2964650.2400.61370.4254050.3035920.2240.81940.3985640.5286330.264加水泥的膠漿0.482.80.3612360.2778250.1760.693.40.3903460.2909140.211

從表4，5中的數(shù)據(jù)可以看出，相同粉膠比下的橡膠瀝青膠漿，隨著溫度的降低，蠕變勁度明顯變大，m值略有降低。說(shuō)明隨著溫度的降低，橡膠瀝青膠漿的低溫性能明顯降低。隨著礦粉粉膠比的增加，相同溫度下橡膠瀝青膠漿的蠕變勁度逐漸變大，m值變化不大。說(shuō)明隨著礦粉粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的低溫性能有所降低。在-12 ℃時(shí)，粉膠比為0.8的橡膠瀝青膠漿比橡膠瀝青的蠕變勁度增加了1.5倍，說(shuō)明此時(shí)橡膠瀝青膠漿比橡膠瀝青的低溫性能明顯降低。隨著水泥粉膠比的增加，相同溫度下橡膠瀝青膠漿的蠕變勁度逐漸變大，m值變化不大。說(shuō)明隨著水泥粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的低溫性能有所降低。相同粉膠比下，在-12和-18 ℃時(shí)，礦粉橡膠瀝青膠漿比水泥橡膠瀝青膠漿的蠕變勁度大，說(shuō)明在此溫度下與水泥相比，礦粉對(duì)橡膠瀝青低溫性能的影響更不利。

4結(jié)論

(1)隨著礦粉粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿蠕變恢復(fù)階段的零剪切粘度逐漸變大，并且增加的幅度較大，橡膠瀝青膠漿的高溫性能得到明顯的改善。

(2)隨著水泥粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的蠕變恢復(fù)階段的零剪切粘度均逐漸變大，但增加的幅度較小，橡膠瀝青膠漿的高溫性能有所改善。

(3)當(dāng)粉膠比相同時(shí)，礦粉橡膠瀝青膠漿蠕變恢復(fù)階段的零剪切粘度比水泥橡膠瀝青膠漿大，說(shuō)明礦粉對(duì)橡膠瀝青膠漿的高溫性能改善效果優(yōu)于水泥。

(4)礦粉和水泥橡膠瀝青膠漿，隨著粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的低溫性能逐漸降低。在-12和-18 ℃時(shí)，礦粉使橡膠瀝青膠漿的低溫性能降幅更大。

(5)當(dāng)?shù)V粉粉膠比在0.4～0.8之間時(shí)，橡膠瀝青膠漿的ZSV值提高較大，高溫性能改善效果較為明顯；在礦粉粉膠比為0.8時(shí)，橡膠瀝青膠漿的蠕變勁度S值增幅較大，低溫性能顯著降低，所以為了均衡橡膠瀝青膠漿的高低溫性能，礦粉橡膠瀝青膠漿的最佳粉膠比范圍為0.4～0.6。

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Effects of filler on high temperature and low temperature performance of CRMA mastic

XU Bo, LIU Yunxin, WANG Ying

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:In order to study the effects of fillers on high temperature and low temperature Properties of crumb rubber modified asphalt (CRMA) Mastic, the mineral powder and cement were selected as fillers, and the CRMA mastics were produced at different filler to rubber asphalt ratios (mineral powder F/A:0.25, 0.4, 0.6 and 0.8; cement F/A: 0.4 and 0.6; on a weight basis) according to parameters in laboratory. Then the high temperature properties and low temperature properties were studied by Creep recovery test and Bending beam creep test. The tests results demonstrate that adding mineral powder and cement into CRMA promotes better high temperature properties. With the increase of F/A, high temperature properties of CRMA Mastic raise gradually, and mineral powder makes high temperature properties of CRMA Mastic improve significantly comparing with cement. With the increase of F/A, low temperature properties of CRMA Mastic decrease gradually. At test temperatures of -12 and -18 ℃, the low-temperature properties of CRMA Mastic has a greater decrease. In order to balance high temperature performance and low temperature performance, the best mineral powder F/A should be from 0.4 to 0.6.

Key words:crumb rubber modified asphalt mastics; F/A; high temperature performance; low temperature performance

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U414

作者簡(jiǎn)介：徐波(1990-)，男，江蘇宿遷人，在讀碩士，師承于新教授，從事道路材料研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278173)；江蘇省科學(xué)技術(shù)廳資助項(xiàng)目(BK2011746)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)01-01106-04

收到初稿日期：2015-01-26 收到修改稿日期：2015-09-20 通訊作者：徐波，E-mail: fantasy_bolan@163.com