不同摻量下水泥與礦粉對(duì)瀝青膠漿性能影響試驗(yàn)研究 ①

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)

0 引 言

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，粘聚力逐漸降低，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(kāi)裂和永久變形的出現(xiàn)。近年來(lái)，以SBS、SBR等聚合物對(duì)瀝青材料進(jìn)行改性的研究和應(yīng)用較為廣泛，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。隨著對(duì)無(wú)機(jī)填料的研究，將來(lái)源廣泛、成本低廉的礦粉、水泥、石灰、粉煤灰、火山灰等常見(jiàn)的無(wú)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(kāi)展了一系列的研究[1-4]。

有研究證明[5-7]了添加水泥的劑量與瀝青混合料的早期強(qiáng)度成正比，改善冷拌瀝青混合料的早期強(qiáng)度的效果顯著，對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果也比較顯著。但研究還不夠系統(tǒng)，如鮮有將瀝青膠漿作為一個(gè)整體研究，通過(guò)不同摻量的水泥和礦粉改善瀝青膠漿性能和粘彈性，以提高瀝青混合料的路用性能。

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，通過(guò)基本指標(biāo)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)、標(biāo)準(zhǔn)粘度測(cè)定試驗(yàn)和粒料分析等試驗(yàn)，綜合評(píng)判水泥與礦粉對(duì)瀝青膠漿性能影響效果，研究成果為水泥作為填料改善瀝青混凝土路用性能的可行性提供了依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

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。

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，礦粉選用S95粒化高爐礦粉，所用材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范[8-10]要求。

1.2 試樣制備

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2種填料置于100℃±5℃烘箱中烘干至恒重，確保填料中的水分被充分干燥蒸發(fā)，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(guò)濾雜質(zhì)后備用。按照設(shè)計(jì)的不同mc/ma比例，將2種填料分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1000r/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)。

表1 A-10#基質(zhì)石油瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 基本指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，分別選用瀝青針入度試驗(yàn)儀、瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀和瀝青延伸度試驗(yàn)儀，對(duì)2種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，以評(píng)判瀝青膠漿的高溫及低溫的穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖1，2，3所示。

圖1 2種瀝青膠漿針入度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，2種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。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(0.1mm)，下降幅度分別為44.2%和51.3%。

由圖2可知，2種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。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2 2種瀝青膠漿軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 2種瀝青膠漿延伸度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，2種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。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1.9cm、2.3cm和5.3cm，下降幅度分別為 50%、36.5%和44.2%。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)分析

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)2種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(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠漿材料的高溫性能和抗車轍能力[11]。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 2種瀝青膠漿50℃抗車轍因子

由圖4可知，2種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。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%。

2.3 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)分析

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，選用彎曲梁流變儀(BBR)，在-10℃和-16℃試驗(yàn)溫度環(huán)境條件下，對(duì)2種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)瀝青材料的粘彈性和低溫抗裂性能[12]。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6、7、8所示。

圖5 2種瀝青膠漿-10℃蠕變勁度模量

圖6 2種瀝青膠漿-16℃蠕變勁度模量

圖7 2種瀝青膠漿-10℃蠕變速率

圖8 2種瀝青膠漿-16℃蠕變速率

圖9 2種瀝青膠漿標(biāo)準(zhǔn)粘度試驗(yàn)結(jié)果

由圖5、6可知，2種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。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7、8可知，2種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。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%。

2.4 粘度測(cè)定試驗(yàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，選用自動(dòng)恒溫?cái)?shù)顯瀝青粘度計(jì)，在175℃試驗(yàn)溫度環(huán)境下，對(duì)2種不同填料瀝青膠漿流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)粘度進(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9所示。

由圖9可知，2種不同填料瀝青膠漿的粘度均隨mc/ma的增大而增大，相同mc/ma條件下，粘度較高的是C-瀝青膠漿，較低的是MP-瀝青膠漿。在mc/ma為0.4、0.5、0.6和0.8的條件下，C-瀝青膠漿的粘度比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%。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)隨著2種不同填料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(shuō)明C-瀝青膠漿在高低溫穩(wěn)定性能方面優(yōu)于MP-瀝青膠漿。

(2)通過(guò)對(duì)2種瀝青膠漿50℃抗車轍因子的試驗(yàn)分析，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，提升了79.5%～85.7%。

(3)在相同溫度環(huán)境條件下，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，幅度較大。說(shuō)明C-瀝青膠漿的粘彈性顯著優(yōu)于MP-瀝青膠漿，而低溫抗裂性能較MP-瀝青膠漿有所降低。

(4)對(duì)兩種填料不同mc/ma的摻量試驗(yàn)，研究得出合理的水泥改性瀝青膠漿mc/ma范圍在0.4～0.6之間，工程實(shí)際應(yīng)用中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。