電氣石改性瀝青膠漿高溫性能研究

吳慶發(fā)

摘要：通過錐入度試驗、布氏黏度試驗和DSR試驗，對電氣石改性瀝青膠漿的高溫性能進(jìn)行了研究，分析電氣石目數(shù)、摻量以及粉膠比對電氣石改性瀝青膠漿錐入度、黏度以及60 ℃流變性能的影響。研究表明：隨著電氣石摻量、目數(shù)以及粉膠比的增大，電氣石改性瀝青膠漿的錐入度逐漸減小，而布氏黏度逐漸增大； 60 ℃的車轍因子隨著電氣石摻量、目數(shù)和粉膠比的增加而不斷增大。

關(guān)鍵詞：電氣石；錐入度；黏度；粉膠比

中圖分類號：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： The high temperature performance of tourmaline modified asphalt mortar was studied by cone penetration test， Brookfield viscosity test and DSR test. The influence of tourmaline mesh， content and fillerasphalt ratio on the cone penetration， viscosity and rheological properties at 60 ℃ of tourmaline modified asphalt mortar were analyzed. The results show that with the increase of tourmaline content， mesh and the fillerasphalt ratio， the cone penetration of tourmaline modified asphalt mortar gradually decreases， while its Brookfield viscosity gradually increases. The rutting factor at 60 ℃ also increases with the increase of tourmaline content， mesh and the fillerasphalt ratio.

Key words： tourmaline； cone penetration； viscosity； fillerasphalt ratio

0引言

瀝青改性劑材料多為聚合物、樹脂類等，雖然改性效果良好，但是制備工藝復(fù)雜且價格昂貴，大大提高了生產(chǎn)成本；而無機材料具有來源廣泛、價格低廉等特點，從而得到越來越多公路工作者的青睞[13]。目前已經(jīng)被廣泛研究的無機改性劑有納米CaCO3、石灰、硅藻土、礦質(zhì)纖維與填料、蒙脫土、粉煤灰、水泥等[49]。雖然這些無機改性劑能夠在一定程度上改善瀝青路用性能，但也存在很多缺陷。以石灰為例，它能夠有效改善瀝青混合料的高溫抗變形能力，但是會使其水穩(wěn)定性能嚴(yán)重劣化，影響路面的使用壽命。因此，研發(fā)廉價且性能優(yōu)異的無機改性劑是非常必要。石鑫等研究了不同類型電氣石粉對瀝青的改性作用，結(jié)果表明電氣石粉能夠顯著提高改性瀝青的路用性能，且賦予了其良好的壓電性能和熱電性能[10]；王朝輝對電氣石改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了研究，表明電氣石對瀝青混合料各項路用性能均有不同程度的提高[1112]。本文從瀝青膠漿的角度出發(fā)，研究電氣石目數(shù)、摻量以及粉膠比對瀝青膠漿高溫性能的影響。

1試驗

1.1試驗原材料

瀝青選用韓國產(chǎn)SK70#，基本技術(shù)指標(biāo)見表1；電氣石粉分別選用325目、800目和2 000目，具體化學(xué)成分見表2；礦粉選用石灰?guī)r磨制的細(xì)粉，技術(shù)指標(biāo)見表3。

1.2試樣制備

（1）電氣石改性瀝青的制備。電氣石摻加比例有6%、10%、14%、18%、22%五種。將干燥的電氣石緩慢加入到150 ℃～160 ℃的基質(zhì)瀝青中，同時加入適量分散劑，先將轉(zhuǎn)速調(diào)至1 000 r·min-1攪拌10 min，再調(diào)速至5 000 r·min-1攪拌30 min，最后降速至1 000 r·min-1攪拌10 min，攪拌完成后靜置備用。

（2）電氣石改性瀝青膠漿的制備。本文按照粉膠比0.6、0.8、1.0、1.2和1.4分別制備電氣石改性瀝青膠漿，制備溫度為（175±5）℃。

1.3試驗方法

（1）錐入度試驗。即便在高溫時，瀝青膠漿的稠度與黏度仍然較大，而且呈現(xiàn)非均勻分布狀態(tài)，采用常規(guī)的瀝青針入度測定方法不可行，所以本文采用錐入度試驗測定電氣石瀝青膠漿的錐入度。試驗儀器為經(jīng)過改裝的針入度儀，將標(biāo)準(zhǔn)針換做錐角為30° 的不銹鋼錐針，其中錐針、附加砝碼以及針連桿合重195 g，盛樣皿同樣為不銹鋼材質(zhì)，直徑100 mm，深度50 mm，具體測試方法與瀝青針入度測定方法一致。

（2）旋轉(zhuǎn)黏度試驗。本文采用美國Brookfield DVⅡ型旋轉(zhuǎn)黏度儀對電氣石改性瀝青膠漿進(jìn)行測試，試驗溫度為90 ℃、110 ℃、135 ℃以及165 ℃，最后得到電氣石改性瀝青膠漿的黏溫曲線。

（3）DSR試驗。本文采用動態(tài)剪切流變儀測試電氣石改性瀝青膠漿60 ℃的流變參數(shù)，荷載為100 Pa，頻率為1.59 Hz（對應(yīng)角速度為10 rad·s-1）；試樣直徑為25 mm，厚度為1 mm。

2試驗結(jié)果與分析

2.1錐入度試驗

電氣石瀝青膠漿錐入度試驗結(jié)果見表4，錐入度與溫度回歸方程系數(shù)比較曲線見圖1。

從表4錐入度試驗數(shù)據(jù)中可以看出，隨著電氣石目數(shù)的增大以及粉膠比的提高，電氣石瀝青膠漿錐入度逐漸減小。這是因為：隨著粉膠比提高，膠漿體系從瀝青連續(xù)相逐漸向礦粉連續(xù)相轉(zhuǎn)變，這也導(dǎo)致了膠漿黏稠度的顯著增大；目數(shù)更大即粒徑更小的電石粉，其內(nèi)部微孔暴露得越充分，會吸收更多的瀝青油分，對膠漿體系內(nèi)部的黏聚更有利，瀝青膠漿稠度提高更顯著，因此，瀝青膠漿的錐入度表現(xiàn)為逐漸降低[1314]。

溫度的升高明顯增大了瀝青膠漿的錐入度，且錐入度與溫度呈現(xiàn)良好的曲線關(guān)系，這表明了電氣石改性瀝青膠漿同樣具備很強的溫度敏感性。分析錐入度與溫度的回歸方程系數(shù)可以看出：在電氣石目數(shù)相同的條件下，系數(shù)絕對值的大小與粉膠比成反比，即隨著粉膠比的增大，電氣石瀝青膠漿的溫度敏感性隨之減弱；而在粉膠比一定的情況下，隨著電氣石目數(shù)的增大，系數(shù)絕對值也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

表5為不同電氣石摻量對瀝青膠漿錐入度的影響。從表5可以看出，提高電氣石粉的摻配比例，電氣石瀝青膠漿各種溫度下的錐入度均逐漸降低。在25 ℃時，摻加10%電氣石的改性瀝青膠漿的錐入度為基質(zhì)瀝青膠漿的77%，當(dāng)電氣石摻量增加至22%后，該比例僅為513%。這說明電氣石的引入可以

顯著提高改性瀝青膠漿的黏稠度和高溫穩(wěn)定性。原因是基質(zhì)瀝青中加入電氣石改性后，可以減弱其從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到黏彈態(tài)以及黏彈態(tài)轉(zhuǎn)變到黏流態(tài)的溫度區(qū)間內(nèi)的吸熱峰。

2.2旋轉(zhuǎn)黏度試驗

分析圖2不同電氣石摻量的lg lg（η×103 ）lg（T+273.13）曲線可以看出，各種電氣石摻量的改性瀝青膠漿的lg lg（η×103 ）與lg（T+273.13）呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性，而且提高電氣石摻量，可以顯著增大電氣石改性瀝青膠漿的黏度。分析表6可知，黏溫指數(shù)絕對值∣VTS∣隨著電氣石摻量的增加先降低后升高，在摻量為18%時達(dá)到最低值。這說明電氣石的引入可以有效提高基質(zhì)瀝青膠漿的黏度，并降低膠漿黏度的溫度敏感性。當(dāng)摻入18%的電氣石時，瀝青膠漿黏度的溫度敏感性最弱，再增加電氣石摻量反而對其感溫性能不利。

目數(shù)越大，即電氣石比表面積越大，瀝青膠漿的黏度越大；而對于同一目數(shù)的電氣石改性瀝青膠漿，其lg lg（η×103）lg（T+273.13）曲線呈現(xiàn)良好的線性特征，這說明了電氣石改性瀝青膠漿同樣具有溫度敏感性。從表7中可以發(fā)現(xiàn)，黏溫指數(shù)絕對值∣VTS∣與電氣石目數(shù)成反比，即目數(shù)越大，對應(yīng)的瀝青膠漿溫度敏感性越差。究其原因在于，電氣石粉目數(shù)越大，電氣石顆粒的比表面積大幅提升，與瀝青漿體形成更好的裹附作用。

分析不同粉膠比下溫度與黏度的關(guān)系（圖4）可以看出：同一粉膠比下，溫度的升高使得電氣石改性瀝青膠漿的黏度逐漸減小，下降趨勢逐漸趨于平緩，其中粉膠比為0.6時的90 ℃黏度與110 ℃黏度相差26 Pa·s，135 ℃黏度僅比165 ℃黏度大2 Pa·s；在同一溫度條件下，粉膠比越大，瀝青膠漿的黏度越大，其中110 ℃時，粉膠比為14的黏度是粉膠比為06的3倍還多。

從表8中可以看出：不同粉膠比的瀝青膠漿黏度均與溫度呈現(xiàn)良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而且隨著粉膠比的增加，黏溫指數(shù)∣VTS∣先降低后升高，在粉膠比為1.0時達(dá)到最小值。這說明電氣石瀝青膠漿的溫度敏感性隨著粉膠比的增加先降低后升高，其中粉膠比為1.0的瀝青膠漿感溫性能最好。這主要是因為：當(dāng)粉膠比較小時，礦粉顆粒均勻分散在瀝青漿體中，吸收部分輕質(zhì)組分而溶脹，增強了膠漿體系內(nèi)部分子間的作用力；當(dāng)粉膠比逐漸增大后，隨著瀝青含量的降低，礦粉顆粒間的間距逐漸減小，降低了瀝青分子的活動空間，礦粉顆粒間的相互作用力在不斷增強的同時，破壞了瀝青分子間的交互作用，從而使瀝青膠漿的溫度敏感性又逐漸增強[15]。

2.360 ℃流變性能

分析不同目數(shù)電氣石瀝青膠漿的車轍因子（圖5）可以得出：隨著電氣石摻量的增加，3種目數(shù)的電氣石瀝青膠漿的60 ℃車轍因子均逐漸增大，且相比基質(zhì)瀝青膠漿，電氣石改性瀝青膠漿的車轍因子更大；在同種摻量下，電氣石目數(shù)越大，對應(yīng)的瀝青膠漿車轍因子越大。這表明粒徑越小的電氣石對瀝青膠漿的抗高溫變形能力越有利，其原因為：隨著目數(shù)的增加，電氣石比表面積增大，內(nèi)部空隙增大，吸收瀝青軟質(zhì)組分更多，瀝青的稠度增大，高溫性能隨之改善；另一方面，電氣石粒徑的減小增大了顆粒間的接觸角，削弱了體系內(nèi)部的黏附功能，但是這種削弱速度遠(yuǎn)小于比表面積增大的速度，故而比表面積黏附功顯著增大，膠漿體系內(nèi)聚力增強，內(nèi)部顆粒間的結(jié)合更加牢固[16]，賦予了其較好的抵抗高溫變形能力。

60 ℃相位角隨著粉膠比的增加而不斷上下波動，其中基質(zhì)瀝青膠漿的相位角波動幅度較?。徽w來說，同一粉膠比下，電氣石摻量對相位角起著消極作用，這表明電氣石的加入實現(xiàn)了對基質(zhì)瀝青的良好改性，瀝青黏稠度增大，瀝青膠漿中黏性組分減少，進(jìn)而使其高溫穩(wěn)定性提高。

圖7顯示了粉膠比對電氣石瀝青膠漿60 ℃車轍因子的影響。分析圖7可以看出，粉膠比增加，車轍因子逐漸增大，說明填料對瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性改善效果顯著。這是因為：礦粉表面具有很多細(xì)孔及縫隙，有利于礦粉吸收瀝青中的輕質(zhì)組分而在兩者界面形成結(jié)構(gòu)瀝青，結(jié)構(gòu)瀝青的黏結(jié)性比界面層以外的自由瀝青更強；隨著粉膠比的增加，上述結(jié)構(gòu)瀝青占整個瀝青膠漿體系的比重越來越大，膠漿體系內(nèi)部的黏聚力更強，從而使其抵抗高溫變形的能力得到顯著改善。

3結(jié)語

（1）電氣石內(nèi)部具有豐富的微孔，隨著其摻量與目數(shù)的增大，更多的瀝青輕質(zhì)油分被吸收，形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青，顯著提高膠漿體系的內(nèi)部黏聚力，使瀝青膠漿高溫抗變形能力顯著改善。

（2）粉膠比增大，瀝青膠漿體系的黏稠度隨之增加，黏滯力增強，電氣石瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性能顯著增大。當(dāng)粉膠比大于1.0時，過多的填料破壞了瀝青分子間的交互作用，瀝青膠漿的溫度敏感性增強。

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