填料類型對瀝青膠漿性能的影響研究

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

目前國內(nèi)使用最多的填料是石灰石礦粉，但在工程實踐中經(jīng)常出現(xiàn)因填料種類的不同而導(dǎo)致瀝青混合料路用性能產(chǎn)生很大的差異[1]。硅藻土、赤泥等固體建筑廢棄物在我國含量豐富，將其作為填料加入到瀝青當(dāng)中已有一定先例。

程永春[2]等人研究摻量為7%的礦粉和硅藻土的瀝青膠漿的性能，發(fā)現(xiàn)礦粉將原樣瀝青的軟化點提高了1.9 ℃，硅藻土提高了4.7 ℃，因此認(rèn)為硅藻土能更有效的改善膠漿的高溫性能。鮑燕妮[3]等通過軟化點試驗，張賢康[4]等通過車轍因子發(fā)現(xiàn)經(jīng)硅藻土改性后瀝青高溫性能得到改善。此外，關(guān)于硅藻土膠漿的低溫性能、疲勞性能、老化性能等也有過一定的研究[3-5]。

國內(nèi)外關(guān)于赤泥對基質(zhì)瀝青性能的影響的研究有限。包惠明[6]等學(xué)者曾提出利用赤泥作為硅酸鹽礦物的特點，將赤泥應(yīng)用于溫拌改性瀝青當(dāng)中。Hengji Zhang[7]等學(xué)者研究了礦粉和赤泥與SBS 改性瀝青所形成的膠漿的流變性能，通過車轍因子的比較發(fā)現(xiàn)赤泥可以更好的改善SBS 改性瀝青的高溫性能。

但是硅藻土、赤泥在瀝青路面中的應(yīng)用研究仍有所欠缺：比如關(guān)于硅藻土、赤泥對瀝青粘結(jié)和自愈合性能的影響鮮有研究，這些填料對瀝青高溫性能的影響也存在爭議（因為軟化點和車轍因子等指標(biāo)無法準(zhǔn)確的評價瀝青的高溫性能）?；诖爽F(xiàn)狀，本試驗采用體積設(shè)計方法，研究不同的粉膠比摻量下，礦粉、赤泥、硅藻土制備的瀝青膠漿/ 混合料的高溫性能、粘結(jié)性能、自愈合性能和水穩(wěn)定性能。

1 材料與試驗

1.1 試驗材料及其性質(zhì)

本研究以礦粉、赤泥、硅藻土為填料， ESSO 70?；|(zhì)瀝青為原樣瀝青，在145 ℃的溫度下，用高速剪切機以4 000 r/min 的速率剪切15 min，制備瀝青膠漿。填料的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 填料的物理化學(xué)性質(zhì)

填料的干壓孔隙率是參考?xì)W盟EN1097-4 規(guī)范中的Rigden 法[8]測定的，細(xì)度模數(shù)是在激光粒度分析儀確定填料大小和粒級分布狀況后，借鑒混凝土中評價砂粗細(xì)程度的計算方法，得到填料粗細(xì)程度的指標(biāo)——細(xì)度模數(shù)（MX），細(xì)度模數(shù)越小表征填料的粒度總體越細(xì)。

ESSO 70#基質(zhì)瀝青性質(zhì)如表2所示。

行業(yè)專家認(rèn)為，智能建造正逢其時，從純手工制造到智慧建筑，是一項復(fù)雜而又艱巨的科技攻關(guān)項目，更是實踐性要求極強的復(fù)雜工程實踐探索。但面對建筑用工成本的攀升、難度增強，以及市場需求等現(xiàn)實問題，建筑業(yè)的“云端”轉(zhuǎn)型刻不容緩。

表2 ESSO 70#基質(zhì)瀝青的性質(zhì)

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[9]中規(guī)定瀝青混合料的粉膠比（礦粉質(zhì)量：瀝青質(zhì)量）為0.6 ～1.6，但粉膠比超過1.2 后，采用濕法攪拌時，礦粉難以與瀝青拌和均勻。因此本研究將礦粉膠漿的粉膠比控制在0.6 ～1.2范圍內(nèi)。礦粉密度為2.71 g/cm3左右，ESSO 70?；|(zhì)瀝青密度為1.0 g/cm3左右，因此0.6、0.9、1.2 的質(zhì)量比所對應(yīng)的礦粉：瀝青體積比分別為0.22、0.33、0.44。

為了對比礦粉、硅藻土、赤泥膠漿性能，本研究將礦粉、硅藻土和赤泥均按照0.22、0.33、0.44粉膠比（體積比）分別摻入到瀝青當(dāng)中，以探究在相同的粉膠比（體積比）下，三種膠漿/瀝青混合料的性能差異。

1.2 試驗方法

瀝青層次：本研究采用DSR 時間掃描得到不同膠漿的復(fù)數(shù)模量，通過多應(yīng)力蠕變回復(fù)試驗（MSCR）評價膠漿的高溫抗車轍性能，通過BBS拉拔試驗評價膠漿的粘結(jié)性能和自愈合性能。

混合料層次：選用AC-13 級配，5%油石比制備瀝青混合料，并進(jìn)行凍融劈裂試驗。

2 不同填料的性能

2.1 高溫抗車轍性能

MSCR 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐笜?biāo)Jnr3.2已經(jīng)被多項研究證實與混合料車轍相關(guān)性好[10-11]。Jnr3.2指標(biāo)表現(xiàn)了瀝青的高溫抗變形能力，Jnr3.2數(shù)值越小，瀝青高溫抗變形能力越強。如圖1所示，加入填料后，瀝青的Jnr3.2明顯降低，尤其是硅藻土的加入使得瀝青的Jnr3.2從7.60 降低到1.22，減小幅度達(dá)到了84%，表明瀝青的高溫性能顯著提高。這可能是因為瀝青與填料相互作用后，在填料表面產(chǎn)生了化學(xué)組分的重新排列，填料表面形成了一層結(jié)構(gòu)瀝青，從而提高了膠漿的性能。

圖1 瀝青及膠漿Jnr3.2（MSCR 試驗溫度64 ℃）

粉膠比從0.22 →0.33，膠漿的Jnr3.2下降斜率明顯陡于從0.33 →0.44 的下降斜率。以礦粉為例，粉膠比從0.22 增加到0.33，礦粉膠漿的Jnr3.2數(shù)值下降了1.11，而從0.33 到0.44，Jnr3.2僅下降了0.35。這說明粉膠比達(dá)到0.33 后，粉膠比繼續(xù)增長對瀝青的高溫性能提升的效果降低。這是因為隨著填料的增加，填料在瀝青中難以拌和均勻，部分填料未被瀝青裹附，膠漿的黏附性、流動性都有所損傷，從而影響了膠漿的高溫性能。

根據(jù)Jnr3.2的大小，評定膠漿高溫性能從優(yōu)到劣為：硅藻土膠漿＞赤泥膠漿＞礦粉膠漿＞原樣瀝青。

2.2 粘結(jié)性能及自愈合性能

BBS 拉拔試驗是收錄在AASHTO TP-91 中作為評價瀝青與集料黏附性的方法，具有物理意義明確，設(shè)備便于攜帶，試驗方法簡單且直觀的特點[12]，故本研究采用BBS 拉拔試驗來評價膠漿的粘結(jié)性能和自愈合性能。

試驗進(jìn)程如圖2所顯示。原樣瀝青和三種膠漿的拉拔試驗結(jié)果如圖3所示。

圖2 BBS 拉拔試驗進(jìn)程

圖3 原樣瀝青和膠漿的拉拔試驗結(jié)果

由圖3知，赤泥膠漿和硅藻土膠漿隨著粉膠比的增大，初次拉拔強度也增大，但是從粉膠比0.33 →0.44 過度時，其自愈合率下降。說明拉拔強度最好的膠漿不一定具有最好的抗水損壞的能力，因為這些膠漿的自愈合性能可能較差。在低溫環(huán)境時下，當(dāng)膠漿自愈合性能較差時，由水和交通荷載引起的損壞將難以愈合，并且會很快的反射到路面上。

考慮到很多時候，材料的強度和模量正相關(guān)，所以本研究嘗試建立起膠漿初次拉拔強度與膠漿復(fù)數(shù)剪切模量的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 膠漿初次拉拔強度和膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量關(guān)系

從圖4可知，隨著復(fù)數(shù)剪切模量的增大，膠漿的初次拉拔強度增大。復(fù)數(shù)剪切模量G*=G＇+iG＂，其中G＇是彈性響應(yīng)的系數(shù)，G＂是黏性響應(yīng)的系數(shù)，故G*在一定程度上表征瀝青的黏彈性質(zhì)。拉拔強度是克服了瀝青的黏滯特性而將材料拉斷的應(yīng)力，所以模量和拉拔強度之間會存在著緊密的關(guān)系。

在三種不同填料的膠漿中，硅藻土膠漿的拉拔強度和自愈合率均是最大。一來是因為硅藻土膠漿具有最大的復(fù)數(shù)剪切模量；二來是因為硅藻土具有孔隙率高、比表面積大、吸附性強、活性好等特點，導(dǎo)致硅藻土能與瀝青更好的粘結(jié)。

一般來說，瀝青的的初次拉拔強度和自愈合率越大，所對應(yīng)的瀝青混合料的抗水損害性能越好。然而0.33 粉膠比和0.44 粉膠比的膠漿初次拉拔強度和自愈合率所呈現(xiàn)的增長規(guī)律不一致，因此本研究進(jìn)一步采用凍融劈裂試驗來確認(rèn)0.33和0.44 粉膠比膠漿所拌和的瀝青混合料的抗水損害性能，試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5知，0.33 粉膠比拌和的瀝青混合料劈裂強度比更高。當(dāng)粉膠比為0.33 時，硅藻土瀝青混合料的劈裂強度比達(dá)到了91.6%，水穩(wěn)定性能明顯好于加入礦粉、赤泥膠漿的瀝青混合料。

圖5 不同填料的劈裂強度比比較

3 填料指標(biāo)與膠漿性能關(guān)聯(lián)性分析

本研究采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，針對膠漿的高溫性能，粘結(jié)能力和自愈合性能和水穩(wěn)性能與填料的幾種不同的指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，確定這幾種不同指標(biāo)對瀝青膠漿影響程度的大小。

取0.33 粉膠比的瀝青膠漿的Jnr3.2表征其高溫性能，初次拉拔強度表征其粘結(jié)能力，自愈合率表征其自愈合能力，劈裂強度比表征對應(yīng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

填料指標(biāo)為Al2O3含量，SiO2含量，CaO 含量，干壓空隙率，細(xì)度模數(shù)。

表3為填料指標(biāo)與膠漿性能的關(guān)聯(lián)度。

表3 填料指標(biāo)與膠漿性能的關(guān)聯(lián)度

由表3可知，干壓孔隙率和細(xì)度模數(shù)對膠漿性能的影響顯著，填料的化學(xué)成分對膠漿性能無明顯的影響。原因是填料與瀝青拌和時間有限，瀝青與填料以物理共混為主，因此填料的物理性質(zhì)會對膠漿性能影響更為明顯。

填料的干壓孔隙率和膠漿性能緊密相關(guān)的原因是：

①填料的微孔結(jié)構(gòu)影響了瀝青的吸附和濕潤作用和填料及瀝青粘結(jié)面積，從而影響膠漿的粘結(jié)性能；

②在高溫狀態(tài)下，瀝青會以液態(tài)滲入填料空隙當(dāng)中，溫度下降后，瀝青會在空隙中發(fā)生膠凝硬化，這種嵌入和錨固作用會像小爪子一樣深入到填料內(nèi)部，從而增強了瀝青與填料之間的機械結(jié)合力。

填料的細(xì)度模數(shù)對瀝青的性能影響顯著的原因是：在膠漿體系中，一般極細(xì)填料的表面能較高，此時填料會吸附瀝青中結(jié)構(gòu)相近的組分來自發(fā)降低體系的表面能以保持體系的穩(wěn)定性[13]。因此瀝青的組分會發(fā)生改變，性能可能將發(fā)生改變。

硅藻土由于孔隙率高，比表面積大，因此瀝青之間形成了良好的粘結(jié)力和機械咬合力，從而提高了瀝青的粘結(jié)性能、自愈合性能及混合料的水穩(wěn)定性；同時硅藻土顆粒細(xì)小，為了降低體系的表面能，會選擇性的吸收瀝青中入芳香烴、蠟等組分，從而顯著提高了瀝青的高溫抗車轍性能。

4 結(jié)論

通過對高溫抗車轍性能、粘結(jié)性能、自愈合性能、水穩(wěn)定性能對不同填料的瀝青膠漿/瀝青混合料進(jìn)行的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）填料的添加，可以提高瀝青的高溫性能，粉膠比大于0.33 時，增大粉膠比對瀝青抗車轍高溫性能的改善降低。

（2）膠漿的初始拉拔強度隨著粉膠比增大而增大，并且初始拉拔強度和膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量呈正相關(guān)。

（3）通過對比0.33 和0.44 粉膠比膠漿拌和的瀝青混合料的劈裂強度比，發(fā)現(xiàn)粉膠比為0.33時，瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性。

（4）相比于礦粉和赤泥，硅藻土可以更好的改善瀝青/瀝青混合料的高溫性能、粘結(jié)性能、自愈合性能和水穩(wěn)定性能。

（5）在填料的不同性質(zhì)指標(biāo)中，干壓孔隙率和細(xì)度模數(shù)對膠漿的路用性能有較大的影響。