不同粉膠比下橡膠高粘瀝青膠漿體系性能研究

謝樹志 羅博文 陳波

摘要：為研究不同粉膠比下橡膠高粘瀝青膠漿體系性能，探索瀝青膠漿體系與混合料性能關(guān)系，文章開展了不同粉膠比下針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)，以及不同粉膠比下混合料的穩(wěn)定度及動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，分析了粉膠比對(duì)瀝青膠漿針入度、針入度指數(shù)、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)及混合料性能影響規(guī)律。結(jié)果表明：粉膠比對(duì)橡膠高粘瀝青膠漿性能有顯著影響，瀝青膠漿針入度和軟化點(diǎn)均隨著粉膠比增大先減小后增大，在1.2～1.4時(shí)達(dá)到最低;隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿軟化點(diǎn)、混合料穩(wěn)定度及動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)均隨之增大，瀝青膠漿的高溫性能與混合料的高溫性能呈正相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：道路工程;橡膠高粘瀝青膠漿;粉膠比;高溫性能

0 引言

瀝青混合料是一種粘彈塑性材料，在高溫、重載環(huán)境條件下易出現(xiàn)推移、車轍、開裂等早期病害，進(jìn)而影響路面使用壽命及行車安全性。瀝青混合料材料組成是決定混合料性能的關(guān)鍵因素，而在瀝青混合料體系中，瀝青膠漿最為重要，對(duì)混合料路用性能起到?jīng)Q定性作用。礦粉特性、瀝青特性及礦粉與瀝青比例是影響瀝青膠漿性能的重要因素。尤其是大孔隙瀝青混合料，粗骨料占混合料總質(zhì)量的85%以上，混合料中細(xì)集料、礦粉及瀝青含量較少，瀝青膠漿的性能對(duì)大孔隙瀝青混合料性能影響更為顯著。邢明亮[1-3]、呂魏[4]、張曉燕[5]、凌天清[6]等人分別開展了對(duì)高粘瀝青膠漿、70#普通瀝青膠漿、SBS改性瀝青膠漿、橡膠瀝青膠漿性能的研究。根據(jù)不同瀝青膠漿體系相關(guān)研究可以看出，隨著粉膠比增大瀝青膠漿高溫性能均逐漸提升，但不同粉膠比下瀝青膠漿高溫性能對(duì)粉膠比變化的敏感程度不同，瀝青膠漿性能最優(yōu)時(shí)的粉膠比也不盡相同。且目前關(guān)于膠漿體系的研究主要集中于不同粉膠比下的瀝青膠漿性能，對(duì)不同粉膠比下瀝青膠漿性能與混合料性能相關(guān)性方面的研究較少，不足以為混合料材料組成設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。鑒于此，本文針對(duì)大孔隙瀝青混合料中膠漿體系，研究了橡膠高粘瀝青膠漿性能，以及瀝青膠漿性能與大孔隙橡膠高粘瀝青混合料性能相關(guān)性，可為大孔隙瀝青混合料性能設(shè)計(jì)提供參考。

1 原材料

試驗(yàn)用橡膠高粘瀝青性能指標(biāo)如表1所示，填料采用石灰?guī)r礦粉。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案

選擇0.8、1.0、1.2、1.4、1.6五種不同粉膠比，分別開展針入度、延度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)試五種粉膠比在15 ℃、25 ℃、30 ℃三個(gè)溫度下的針入度指標(biāo)，用以計(jì)算針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、當(dāng)量脆點(diǎn)，分析評(píng)價(jià)不同粉膠比下瀝青膠漿的溫度敏感性。

成型五種粉膠比下馬歇爾試件和車轍試件，測(cè)試不同粉膠比下混合料的穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，進(jìn)而分析瀝青膠漿性能與混合料性能相關(guān)性。

2.2 瀝青膠漿制備

橡膠高粘瀝青膠漿是由橡膠高粘瀝青與0.075 mm以下的填料混合而成。瀝青膠漿試件制備的均勻性直接影響著瀝青膠漿性能測(cè)試結(jié)果，因此必須規(guī)范瀝青膠漿制備工藝。具體步驟如下：

（1）按設(shè)計(jì)粉膠比稱量相應(yīng)質(zhì)量的填料，將填料放入105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干至恒重，同時(shí)確保填料內(nèi)外溫度一致，有利于填料在瀝青中均勻分散。

（2）將按相應(yīng)粉膠比稱量的橡膠高粘瀝青裝入搪瓷杯中，在墊有石棉網(wǎng)的電熱爐上加熱至170 ℃，邊加熱邊攪拌。

（3）將填料分次加入170 ℃的橡膠高粘瀝青中，邊添加邊攪拌，直至混合均勻?yàn)橹?。為有效降低高溫條件下長期加熱造成的瀝青老化，建議加熱攪拌時(shí)間不宜超過20 min。

3 性能試驗(yàn)

3.1 針入度

對(duì)15 ℃、25 ℃、30 ℃下制備的試件進(jìn)行針入度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從圖1可以看出在相同的粉膠比下膠粉復(fù)合改性高粘瀝青的針入度隨溫度的增加而逐漸增加，說明瀝青膠漿同樣具有與瀝青相似的溫度敏感性，溫度是影響瀝青膠漿性能的主要因素;三種溫度下，瀝青膠漿針入度均隨著粉膠比增大先增加后減小，在粉膠比<1.4時(shí)針入度達(dá)到最小，粉膠比為0.8時(shí)25 ℃膠漿的針入度為20.4（0.1 mm），當(dāng)粉膠比增加到1.4時(shí)25 ℃膠漿的針入度為11.7（0.1 mm），針入度下降了約40%。說明由于礦粉的吸附作用，使得部分瀝青組分被吸附在了礦粉的表面，礦粉與瀝青組成的膠體體系中，分散相的數(shù)量隨礦粉數(shù)量的增多而增加，而自由瀝青數(shù)量相對(duì)減少，導(dǎo)致瀝青膠漿明顯變稠變硬，針入度數(shù)值降低。根據(jù)三種溫度下針入度隨粉膠比變化速率可以看出，溫度越高，針入度對(duì)粉膠比變化越敏感。

3.2 感溫性指標(biāo)分析

在不同溫度條件下，瀝青膠漿黏度隨溫度的變化而改變，其性能也呈現(xiàn)出明顯變化。根據(jù)表2中試驗(yàn)結(jié)果分別計(jì)算得到針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2這三個(gè)反映瀝青膠漿感溫性能的指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。不同粉膠比下三個(gè)指標(biāo)變化趨勢(shì)見圖2～4。

從圖2～4可以看出，隨著粉膠比增大，針入度指數(shù)和當(dāng)量軟化點(diǎn)先減小后增大，在粉膠比為1.2時(shí)出現(xiàn)最小值;當(dāng)量脆點(diǎn)的規(guī)律正好相反，隨著粉膠比的增加先增大后減小，在粉膠比為1.4時(shí)出現(xiàn)最大值。從針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和當(dāng)量脆點(diǎn)隨粉膠比增加的變化規(guī)律可以看出粉膠比在1.2～1.4時(shí)，膠漿的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。

3.3 軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)是表征瀝青感溫性能的指標(biāo)之一，其試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖5所示。

從圖5可以看出，隨著粉膠比增大，膠粉復(fù)合改性高粘瀝青膠漿的軟化點(diǎn)總體呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，且變化速率逐漸增大。在粉膠比為0.8～1.2時(shí)軟化點(diǎn)增長比較緩慢，由粉膠比為0.8時(shí)的99.8 ℃增加到粉膠比為1.2時(shí)的106.8 ℃，軟化點(diǎn)增加7%;粉膠比在1.2～1.6時(shí)軟化點(diǎn)增長比較快，由粉膠比為1.2時(shí)的106.8 ℃增加到粉膠比為1.6時(shí)的119.2 ℃，軟化點(diǎn)增加11.6%。可見，礦粉的加入顯著增加了瀝青膠漿的粘稠度，對(duì)瀝青起到了硬化作用，從而使軟化點(diǎn)升高，且粉膠比的增加對(duì)于提升瀝青膠漿高溫性能具有顯著作用。

3.4 延度

瀝青膠漿測(cè)試中的延度反映了膠漿的塑性變形能力，5 ℃和15 ℃溫度下瀝青膠漿試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖6所示。

從圖6可以看出，相同粉膠比下橡膠高粘瀝青膠漿的延度隨著溫度的增加也相應(yīng)增大，相同溫度下橡膠高粘瀝青膠漿延度隨粉膠比增加先減小后增大。從表5可以看出，粉膠比為0.8時(shí)15 ℃的延度比5 ℃的延度增加了約2.7倍，而在高粉膠比時(shí)溫度對(duì)延度的影響幅度相對(duì)比較小，粉膠比為1.4時(shí)15 ℃的延度比5 ℃的延度增加了0.3倍。這表明溫度越高，粉膠比越小，延度隨粉膠比變化越敏感。

3.5 瀝青膠漿與混合料性能相關(guān)性

為了進(jìn)一步研究瀝青膠漿性能與混合料性能相關(guān)性，開展了不同粉膠比下混合料的穩(wěn)定度及車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。不同粉膠比下混合料穩(wěn)定度及動(dòng)穩(wěn)定度變化趨勢(shì)如圖7和圖8所示。

由圖7～8可以看出，隨著粉膠比的增大，混合料的穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度均呈增大趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榉勰z比越大，對(duì)溫度敏感性越小，細(xì)集料與瀝青形成的膠漿體系越硬，高溫性能越好。隨著粉膠比的增加，穩(wěn)定度及動(dòng)穩(wěn)定度增長速率逐漸減小。這表明當(dāng)粉膠比達(dá)到一定值后繼續(xù)增加粉膠比對(duì)混合料性能提升作用不明顯。結(jié)合圖5高粘瀝青膠漿體系軟化點(diǎn)隨粉膠比變化規(guī)律可知，雖然瀝青膠漿和大孔隙瀝青混合料高溫性能均隨粉膠比增加而提高，但在瀝青膠漿體系中，粉膠比越高高溫性能提升幅度越大，而在混合料體系中，當(dāng)粉膠比超過1.2～1.4時(shí)，繼續(xù)增大粉膠比對(duì)高溫性能提升幅度不大。因此在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高粉膠比有利于改善混合料的高溫抗變形能力。

4 結(jié)語

（1）橡膠高粘瀝青膠漿針入度隨粉膠比增加而增大，相同粉膠比下針入度隨溫度增加而增大，溫度越高針入度對(duì)粉膠比變化越敏感。延度隨粉膠比增加先減小后增大，溫度越高，粉膠比越小，延度隨粉膠比變化越敏感。

（2）針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點(diǎn)和當(dāng)量脆點(diǎn)隨粉膠比變化均出現(xiàn)極值點(diǎn)，極值點(diǎn)區(qū)間為1.2～1.4，表面粉膠比在1.2～1.4時(shí)瀝青膠漿的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。

（3）橡膠高粘瀝青膠漿的軟化點(diǎn)與大孔隙瀝青混合料高溫性能呈正相關(guān)，隨著瀝青膠漿軟化點(diǎn)增加混合料的高溫性能逐漸增大，但提升幅度逐漸減小。在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高粉膠比有利于改善混合料的高溫抗變形能力，建議最佳粉膠比為1.2～1.4。

參考文獻(xiàn)：

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