水泥改性瀝青膠漿路用性能及微觀機(jī)理試驗(yàn)研究

雷小磊,崔玉龍

安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽淮南,232001

根據(jù)近代膠漿理論，瀝青膠漿是決定瀝青混合料黏彈性的重要因素。在高溫及車輛荷載作用下，瀝青混合料中瀝青膠漿逐漸軟化，黏聚力逐漸降低，極易造成混合料的骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，最終導(dǎo)致混凝土路面面層開裂和永久變形的出現(xiàn)。近年來，以SBS、SBR等聚合物對(duì)瀝青材料進(jìn)行改性的應(yīng)用廣受關(guān)注，由此也顯著增加了瀝青混凝土鋪面建設(shè)工程的實(shí)際成本。有試驗(yàn)研究表明，通過添加一種或數(shù)種無機(jī)填料對(duì)瀝青或?yàn)r青混合料進(jìn)行改性，選擇合適的施工技術(shù)工藝，使填料與瀝青等混合料充分拌和均勻，能有效提高其耐久性。隨著對(duì)無機(jī)填料的研究，將來源廣泛、成本低廉的礦粉、水泥、石灰、粉煤灰、火山灰等常見的無機(jī)微粉作為填料應(yīng)用到瀝青混凝土中逐漸受到改性瀝青領(lǐng)域研究的關(guān)注。如馮新軍，熊銳，楊曉凱等圍繞煤矸石粉瀝青膠漿路用性能開展了一系列的研究[1-4]。

水泥呈粉狀，能在空氣或水中硬化，硬化后強(qiáng)度較高。作為一種無機(jī)膠凝材料，可以把砂、石等骨料充分膠結(jié)，在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對(duì)水泥改性瀝青膠漿的路用性能進(jìn)行了一些研究，如劉礦軍[5]認(rèn)為，在粉膠比為1.2的情況下，當(dāng)水泥替換礦粉摻量低于40%時(shí)，摻加水泥替代礦粉對(duì)瀝青膠漿改善效果較為顯著；王佃峰[6]通過研究水泥摻量在穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度方面的變化規(guī)律，綜合考慮高溫穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性后認(rèn)為，水泥摻量不宜超過3.5%，以2.5%為宜；林宏偉等[7]認(rèn)為，乳化瀝青冷再生混合料力學(xué)強(qiáng)度隨著水泥摻量增加不斷增大，當(dāng)水泥摻量超過1.5%后，冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度增長速率放緩；水泥摻量為1.5%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度、干濕劈裂強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別提高了11%、19%、21%和85%。

上述研究顯示添加水泥的劑量與瀝青混合料的早期強(qiáng)度成正比，其改善冷拌瀝青混合料的早期強(qiáng)度的效果顯著，而且有助于提高冷拌瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度和常溫劈裂強(qiáng)度，對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果也比較顯著。本研究將瀝青膠漿作為一個(gè)整體研究，通過不同摻量的水泥替代礦粉以改善瀝青膠漿性能和黏彈性，從瀝青膠漿的微觀機(jī)理進(jìn)行分析，以提高瀝青混合料的路用性能。

研究選用水泥(C)和礦粉(MP)作為填料，分別以填料與瀝青質(zhì)量比mc/ma為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8等6種比例制備C-瀝青膠漿和MP-瀝青膠漿，對(duì)不同mc/ma條件下的水泥和礦粉填料改性瀝青膠漿的路用性能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)瀝青膠漿材料的基本指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)黏度測(cè)定試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)，利用掃描電鏡(SEM)和紅外光譜試驗(yàn)(IR)對(duì)水泥改性瀝青膠漿微觀機(jī)理進(jìn)行分析，評(píng)判水泥替代礦粉的可行性，得到水泥改性瀝青膠漿的合理mc/ma比例，為水泥替代礦粉作為填料改性瀝青混凝土路用性能的可行性提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝 青

瀝青選用A-10#基質(zhì)石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 A-10#基質(zhì)石油瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 填 料

水泥選用安徽舜岳水泥有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8-10]，其相應(yīng)主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。礦粉選用S95?；郀t礦粉，主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。所用材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范[8-10]要求。水泥和礦粉的主要化學(xué)組成成分如表4所示，水泥和礦粉原狀如圖1所示。

表2 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

表3 礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)

表4 水泥和礦粉的主要化學(xué)組成

圖1 2類填料原狀圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

選用水泥和礦粉作為填料，分別以填料與瀝青質(zhì)量比mc/ma為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8等6種制備C-瀝青膠漿和MP-瀝青膠漿。具體制備施工技術(shù)工藝為：首先將兩類填料置于100 ℃±5℃烘箱中烘干至恒重，然后將一次選取的A-10#基質(zhì)石油瀝青置于160 ℃烘箱中加熱至流質(zhì)狀態(tài)并過濾雜質(zhì)后備用。按照設(shè)計(jì)的不同mc/ma比例，將兩類填料分2～3次加到基質(zhì)瀝青中，為實(shí)現(xiàn)填料與基質(zhì)瀝青充分拌合的目的，使用小型磁力加熱攪拌器在150 ℃±5 ℃的恒溫下以1 000 r/min轉(zhuǎn)速充分?jǐn)嚢杈鶆虺蔀r青膠漿。按照規(guī)范要求，澆筑制備設(shè)計(jì)瀝青膠漿試驗(yàn)的模具中，并嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2.2 基本指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)

瀝青針入度指數(shù)反映了瀝青結(jié)合料溫度感應(yīng)性；瀝青軟化點(diǎn)反映了瀝青黏度的高低和瀝青材料熱穩(wěn)定性；瀝青延伸度反映了瀝青塑性的高低。瀝青三個(gè)基本指標(biāo)對(duì)瀝青混凝土路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗疲勞能力和耐久性有著重要影響。根據(jù)規(guī)范要求，分別對(duì)兩類填料按照設(shè)計(jì)的不同mc/ma比例的瀝青膠漿試件進(jìn)行基本指標(biāo)的測(cè)定，以此評(píng)判瀝青膠漿的高溫及低溫的穩(wěn)定性能。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)黏度測(cè)定試驗(yàn)

瀝青黏度是條件性指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果與測(cè)試方法、試驗(yàn)溫度、測(cè)試過程相關(guān)聯(lián)，所以僅對(duì)黏度測(cè)定結(jié)果作數(shù)值比較。試驗(yàn)選用了自動(dòng)恒溫?cái)?shù)顯瀝青黏度計(jì)測(cè)定設(shè)計(jì)瀝青膠漿材料流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)黏度，測(cè)定試驗(yàn)溫度為175 ℃，以此評(píng)定瀝青膠漿的溫度敏感性。

1.2.4 DSR試驗(yàn)

DSR是一種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，主要檢測(cè)材料的剪切性能，廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)瀝青材料的動(dòng)態(tài)剪切流變性能。選用SHRP的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)儀，設(shè)定試驗(yàn)基本參數(shù)為ω=10 rad/s(1.59 HZ)，剪切應(yīng)變?yōu)?0%，在50 ℃溫度環(huán)境下對(duì)制備的直徑為25 mm，厚度為1 mm瀝青膠漿試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定瀝青膠漿的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*，并計(jì)算G*/sinδ來評(píng)價(jià)瀝青膠漿材料的高溫性能及抗車轍能力。

1.2.5 BBR試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求，選用BBR流變儀對(duì)瀝青膠漿材料進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)定各個(gè)瀝青膠漿試件在低溫環(huán)境下的彎曲蠕變勁度模量S和蠕變速率m，以評(píng)價(jià)瀝青材料的黏彈性和低溫抗裂性能，試驗(yàn)溫度設(shè)定為-10 ℃和-16 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 基本指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

兩類不同填料瀝青膠漿進(jìn)行針入度(25 ℃)、軟化點(diǎn)和延伸度(25 ℃)基本指標(biāo)測(cè)定[11]，結(jié)果如圖2—4所示。

圖2 兩類瀝青膠漿針入度試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，兩類不同填料瀝青膠漿的針入度均隨mc/ma的增大而降低，相同mc/ma條件下，針入度較高的是C-瀝青膠漿，較低的是MP-瀝青膠漿，MP-瀝青膠漿的針入度降低了7.9～53.8/0.1 mm，下降幅度為5.5%～37.6%;C-瀝青膠漿降低了2.1～52.5/0.1 mm，下降幅度為1.5%～36.7%。在mc/ma為0.4和0.5的條件下，MP-瀝青膠漿的針入度比C-瀝青膠漿分別下降了14.4和24.1/0.1 mm，下降幅度分別為44.2%和51.3%。

圖3 兩類瀝青膠漿軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，兩類不同填料瀝青膠漿的軟化點(diǎn)均隨mc/ma的增大而升高，相同mc/ma條件下，軟化點(diǎn)較高的是C-瀝青膠漿，較低的是MP-瀝青膠漿，MP-瀝青膠漿的軟化點(diǎn)提高了1～14.8/℃，提升幅度為1%～15.2%，C-瀝青膠漿提高了1.2～21.6/℃，提升幅度為1.2%～22.2%。在mc/ma為0.4、0.5、0.6和0.8的條件下，C-瀝青膠漿的軟化點(diǎn)比MP-瀝青膠漿分別提高了2.2 ℃、3.9 ℃、3.5 ℃和6.8 ℃，提升幅度分別為31.4%、32%、22%和31.5%。

圖4 兩類瀝青膠漿延伸度試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，兩類不同填料瀝青膠漿的延伸度均隨mc/ma的增大而減小，相同mc/ma條件下，延伸度較高的是C-瀝青膠漿，較低的是MP-瀝青膠漿，MP-瀝青膠漿的延伸度降低了3～12 cm，下降幅度為25%～100%;而C-瀝青膠漿降低了1.5～12 cm，下降幅度為12.5%～100%。當(dāng)mc/ma為0.6時(shí)，MP-瀝青膠漿試件發(fā)生脆斷，mc/ma為0.8時(shí)，C-瀝青膠漿試件也發(fā)生脆斷。在mc/ma為0.3、0.5和0.6的條件下，MP-瀝青膠漿的延伸度比C-瀝青膠漿分別下降了1.9 cm、2.3 cm和5.3 cm，下降幅度分別為 50%、36.5%和44.2%。

上述分析結(jié)果表明，隨著兩類不同填料mc/ma比例的不斷增加，瀝青膠漿性能基本指標(biāo)改變較大，當(dāng)mc/ma為0.4～0.6時(shí)，C-瀝青膠漿的軟化點(diǎn)提高明顯大于MP-瀝青膠漿，而針入度和延伸度下降的趨勢(shì)緩于MP-瀝青膠漿，說明C-瀝青膠漿在高溫及低溫的穩(wěn)定性能方面優(yōu)于MP-瀝青膠漿。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)黏度測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，選用自動(dòng)恒溫?cái)?shù)顯瀝青黏度計(jì)，在175 ℃試驗(yàn)溫度環(huán)境下，對(duì)兩類不同填料瀝青膠漿流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)黏度進(jìn)行測(cè)定，以此評(píng)定瀝青膠漿的溫度敏感性。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩類瀝青膠漿標(biāo)準(zhǔn)黏度試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，兩類不同填料瀝青膠漿的黏度均隨mc/ma的增大而增大，相同mc/ma條件下，黏度較高的是C-瀝青膠漿，較低的是MP-瀝青膠漿，MP-瀝青膠漿的黏度提高了0.02～0.28 Pa·S，提升幅度為6.7%～93.3%;而C-瀝青膠漿提高了0.1～0.5 Pa·S，提升幅度為33.3%～166.7%。在mc/ma為0.4、0.5、0.6和0.8的條件下，C-瀝青膠漿的黏度比MP-瀝青膠漿分別提高了0.09、0.08、0.08和0.06 Pa·S，提升幅度分別為42.9%、32%、26.7%和17.6%。

上述分析結(jié)果表明，不同填料改變?yōu)r青膠漿的黏度幅度不盡相同，在mc/ma為0.4～0.6時(shí)，C-瀝青膠漿在感溫性和高溫性能方面顯著優(yōu)于MP-瀝青膠漿。

2.3 DSR試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，選用SHRP的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)儀，在50 ℃試驗(yàn)溫度環(huán)境下，對(duì)兩類不同填料瀝青膠漿的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算該瀝青膠漿抗車轍因子G*/sinδ，來評(píng)價(jià)瀝青膠漿材料的高溫性能和抗車轍能力[12]。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩類瀝青膠漿50 ℃時(shí)抗車轍因子

由圖6可知，兩類不同填料瀝青膠漿的50 ℃抗車轍因子均隨mc/ma的增大而增大，相同mc/ma條件下，抗車轍因子較高的是C-瀝青膠漿，較低的是MP-瀝青膠漿，MP-瀝青膠漿的抗車轍因子提高了0.2～1.1 KPa，提升幅度為11.1%～61.1%;而C-瀝青膠漿提高了0.6～4.4 KPa，提升幅度為33.3%～244.4%。在mc/ma為0.4、0.5、0.6和0.8的條件下，C-瀝青膠漿的抗車轍因子比MP-瀝青膠漿分別提高了2.4、2.9、3.1和3.3 KPa，提升幅度分別為85.7%、80.6%、79.5%和75%。上述分析結(jié)果表明，在mc/ma為0.4～0.6時(shí)，C-瀝青膠漿的彈性提升幅度和抗車轍能力顯著優(yōu)于MP-瀝青膠漿。

2.4 BBR試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，選用BBR流變儀，在-10 ℃和-16 ℃試驗(yàn)溫度環(huán)境條件下，對(duì)兩類不同填料瀝青膠漿的彎曲蠕變勁度模量S和蠕變速率m值進(jìn)行測(cè)定，以評(píng)價(jià)瀝青材料的黏彈性和低溫抗裂性能[13]。試驗(yàn)結(jié)果如圖7—10所示。

圖7 兩類瀝青膠漿-10 ℃時(shí)蠕變勁度模量

圖8 兩類瀝青膠漿-16 ℃時(shí)蠕變勁度模量

圖9 兩類瀝青膠漿-10 ℃時(shí)蠕變速率

圖10 兩類瀝青膠漿-16 ℃時(shí)蠕變速率

由圖7、圖8可知，兩類不同填料瀝青膠漿的蠕變勁度模量S均隨mc/ma的增大而增大，相同mc/ma條件下，蠕變勁度模量S較高的是C-瀝青膠漿，較低的是MP-瀝青膠漿。-10 ℃時(shí)，MP-瀝青膠漿的蠕變勁度模量S提高了1.6～136.5 MPa，提升幅度為5.6%～478.9%，而C-瀝青膠漿提高了8.2～227.9 MPa，提升幅度為28.8%～799.6%；-16 ℃時(shí)，MP-瀝青膠漿的蠕變勁度模量S提高了13.8～384 MPa，提升幅度為34.8%～969.7%;而C-瀝青膠漿提高了19.9～562.7 MPa，提升幅度為50.3%～1 421%。在mc/ma為0.4、0.5和0.6的條件下，-10 ℃時(shí)，C-瀝青膠漿的蠕變勁度模量S比MP-瀝青膠漿分別提高了28.8、53.3和70.1 MPa，提升幅度分別為44.3%、45.4%和40.4%；-16 ℃時(shí)，C-瀝青膠漿的蠕變勁度模量S比MP-瀝青膠漿分別提高了178.8、128.8和184.7 MPa，提升幅度分別為51.9%、33.8%和35%。

由圖9、圖10可知，兩類不同填料瀝青膠漿的蠕變速率m均隨mc/ma的增大而下降，相同mc/ma條件下，蠕變速率m較高的是MP-瀝青膠漿，較低的是C-瀝青膠漿。-10 ℃時(shí)，MP-瀝青膠漿的蠕變速率m下降了0.09～0.43(下降幅度為9.9%～47.3%)，而C-瀝青膠漿的蠕變速率m下降了0.12～0.48(下降幅度為13.2%～52.7%)；-16 ℃時(shí)，MP-瀝青膠漿的蠕變速率m下降了0.1～0.52(下降幅度為11.8%～61.2%)，而C-瀝青膠漿的蠕變速率m下降了0.18～0.53(下降幅度為21.2%～61.2%)。在mc/ma為0.3、0.4和0.5的條件下，-10 ℃時(shí)，C-瀝青膠漿的蠕變速率m比MP-瀝青膠漿的蠕變速率m分別下降了0.02、0.02和0.01，下降幅度分別為7.4%、6.1%和2.6%；-16 ℃時(shí)，C-瀝青膠漿的蠕變速率m比MP-瀝青膠漿分別下降了0.07、0.06和0.04，下降幅度分別為25.9%、16.2%和9.1%。

上述分析結(jié)果表明，在相同溫度條件下，mc/ma為0.3～0.6時(shí)，C-瀝青膠漿的蠕變勁度模量S明顯優(yōu)于MP-瀝青膠漿，C-瀝青膠漿的蠕變速率m比MP-瀝青膠漿下降較快，下降幅度較大。說明黏彈性C-瀝青膠漿優(yōu)于MP-瀝青膠漿，而低溫抗裂性能較MP-瀝青膠漿有所降低。

3 水泥改性瀝青膠漿微觀機(jī)理分析

為了深入研究水泥改性瀝青膠漿的微觀作用機(jī)理，通過對(duì)水泥和礦粉兩類填料進(jìn)行粒度分布測(cè)試，分析兩類填料的化學(xué)組成特點(diǎn)和其與瀝青間的黏結(jié)能力，利用掃描電鏡(SEM)和紅外光譜(IR)設(shè)備，對(duì)比兩類填料及mc/ma為0.5時(shí)瀝青膠漿的微觀形貌圖和紅外光譜圖，分析兩類填料改善瀝青膠漿性能的微觀作用機(jī)理及瀝青膠漿的官能團(tuán)變化情況。通過對(duì)水泥和礦粉兩類填料進(jìn)行粒度分析，結(jié)果如圖11所示。

圖11 兩類填料粒度分析結(jié)果

由圖11可知，由于水泥的顆粒較細(xì)，比表面積更大，在進(jìn)行瀝青膠漿制備時(shí)，mc/ma相同的情況下，水泥比礦粉吸附瀝青的能力更強(qiáng)，接觸面變大，瀝青膠漿材料中的瀝青比重更高，這是C-瀝青膠漿黏結(jié)力更強(qiáng)的主要原因。對(duì)照水泥和礦粉兩類填料的主要化學(xué)組成(如表4所示)可知，水泥中SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性礦物成分的總量約為礦粉中三者總量的近3倍，這更有助于提高水泥與瀝青的黏結(jié)力。通過對(duì)水泥和礦粉兩類填料進(jìn)行電鏡掃描可以得到微觀形貌圖，如圖12所示。

圖12 兩類填料微觀形貌圖

由兩類填料微觀形貌圖可以看出，礦粉顆粒為多面體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密，顆粒較大，表面光滑，棱角較少，微孔隙較少，相互之間連接不強(qiáng)。水泥顆粒為多孔隙結(jié)構(gòu)，表面粗糙，與瀝青形成較為致密的整體結(jié)構(gòu)，使膠漿形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青，從而顯著提高瀝青膠漿的感溫性和高溫性能[14]。

選用通過IR儀對(duì)試驗(yàn)中的A-10#瀝青、mc/ma為0.5條件下的MP-瀝青膠漿和C-瀝青膠漿3組試件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩類填料瀝青膠漿均未發(fā)生新的化學(xué)反應(yīng)，沒有產(chǎn)生新的官能團(tuán)，僅在峰強(qiáng)上產(chǎn)生了變化。通過對(duì)吸收峰分析，峰強(qiáng)排序?yàn)椋夯|(zhì)瀝青>MP-瀝青膠漿>C-瀝青膠漿，這表明與MP-瀝青膠漿相比，具有多孔結(jié)構(gòu)的C-瀝青膠漿中填料吸收的瀝青輕質(zhì)組分更多，瀝青中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的相對(duì)含量增大，起到了增強(qiáng)瀝青膠漿的感溫性和高溫性能作用。

4 結(jié) 論

水泥填料顆粒更細(xì)，表面更粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)易于吸收更多的瀝青輕質(zhì)組分，含有的SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性礦物成分的總量約為礦粉中三者總量的近3倍，更有助于提高水泥與瀝青的黏結(jié)力。論文通過對(duì)不同摻量的水泥和礦粉兩類填料瀝青膠漿進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析膠漿材料在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、感溫性、黏彈性和抗車轍能力方面的變化，研究得出水泥改性瀝青膠漿mc/ma在0.4～0.6之間時(shí)性能提升較大。在工程實(shí)際應(yīng)用中，還需要充分考慮道路的等級(jí)、設(shè)計(jì)要求、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益等，適當(dāng)調(diào)整mc/ma，利于發(fā)揮水泥對(duì)瀝青混合料性能改善的目的。