基于粉膠比的SBS瀝青膠漿性能的研究

吳 星, 康愛紅，2, 吳幫偉，2, 寇長江，2, 潘曉慧, 單桂軍

(1.揚州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚州 225127； 2.江蘇省玄武巖纖維復(fù)合建筑材料工程研究中心， 江蘇 揚州 225127； 3.江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司， 江蘇 儀征 211400)

0 引言

在我國道路交通行業(yè)的飛速發(fā)展的同時，瀝青路面的高溫車轍現(xiàn)象愈演愈烈[2-4]，在許多研究中，學(xué)者們對摻加外加劑的瀝青混合料進(jìn)行研究[5-6]，從而達(dá)到減小高溫車轍的效果。但目前關(guān)于粉膠比對瀝青膠漿和瀝青混合料的高溫性能的影響的研究卻不多。有學(xué)者在對瀝青膠漿的研究中采用了膠漿理論的概念[7]，在瀝青混合料中，粗集料主要是被細(xì)集料與瀝青所形成的瀝青膠漿所包裹，從而相互嵌擠粘結(jié)形成強(qiáng)度，所以瀝青膠漿的性能可以從側(cè)面研究瀝青混合料的性能[8]。因此有必要就粉膠比對瀝青膠漿的性能的影響進(jìn)行研究，從而從側(cè)面反映粉膠比對瀝青混合料性能的影響。

目前已有一些學(xué)者就粉膠比對瀝青膠漿性能的影響進(jìn)行了研究，叢濤[9]研究了粉膠比和溫度對瀝青膠漿的低溫性能的影響；李培榮[10]等對橡膠瀝青膠漿流變特性進(jìn)行了研究；楊曉凱[11]等對活化煤矸石改性瀝青膠漿流變性能進(jìn)行研究。但是目前對于很少有人綜合瀝青膠漿高低溫性能，及其與纖維的黏附性指標(biāo)，以及粉膠比對瀝青膠漿性能的量化關(guān)聯(lián)度進(jìn)行研究，并給出綜合性能最佳粉膠比。

因此本文依據(jù)前人確定瀝青膠漿粉膠比的經(jīng)驗[12]，在幾種不同溫度下測試了不同粉膠比的SBS瀝青膠漿的高低溫流變性能，以及纖維與其粘附性的大小，得出了一定的結(jié)論。此研究對明晰粉膠比對瀝青膠漿的高低溫性能的影響、粉膠比對纖維與瀝青膠漿的黏附性的影響，以及瀝青混合料的設(shè)計具有一定的理論意義與研究價值。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗用瀝青為SBS改性瀝青，礦粉為石灰?guī)r礦粉，纖維為江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維，其規(guī)格為400根/束，單根16 μm。按照規(guī)范對試驗所用的SBS改性瀝青、礦粉和玄武巖纖維的各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試，其結(jié)果如表1、表2所示，各項性能均滿足規(guī)范要求。纖維性能檢測結(jié)果如下：單纖直徑16 μm，孔數(shù)400個，線密度0.211 g/m，單幅寬度1.589 mm，斷裂強(qiáng)度≥200 MPa。

表1 SBS改性瀝青性能檢測Table 1 Testing results of the properties of SBS modified asphalt檢測項目針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm運動粘度(235 ℃)/(Pa·s)軟化點差/℃檢測的結(jié)果7164491.81.4規(guī)范的要求60～80≮55≮30≯3≯2.5檢測方法T0604T0606T0605T0625T0661

表2 礦粉性能檢測數(shù)據(jù)Table 2 Testing results of the property of mineral powder類別相對密度/(g/cm3)含水量/%粒徑范圍<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm親水系數(shù)檢測結(jié)果2.6710.310094.281.40.62規(guī)范要求≥2.5≤110090～10075～100<1檢測方法T0352T0103T0351T0351T0351T0353

1.2 試驗設(shè)計

本文依據(jù)前人確定粉膠比的研究經(jīng)驗[12]，選取粉膠比(FB)為0.8、1.0、1.2和1.4。采用動態(tài)剪切流變儀、彎曲梁流變儀，在幾種不同溫度下，對不同粉膠比SBS瀝青膠漿高溫和低溫流變性能進(jìn)行測試。同時使用新型纖維瀝青拉拔儀[1]，對纖維與不同粉膠比下的瀝青膠漿進(jìn)行拉拔測試，記錄拔出過程中的最大拉拔力，并計算失穩(wěn)拉拔功。最終對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出瀝青膠漿中的最佳粉膠比(礦粉含量/瀝青含量)，并依據(jù)礦料篩分結(jié)果，結(jié)合瀝青混凝土配合比設(shè)計中關(guān)于粉膠比的規(guī)定，給出了瀝青混凝土設(shè)計中規(guī)范計算粉膠比(0.075 mm通過率/有效瀝青含量)的建議值。

1.3 試樣的制備

在制作試驗所用瀝青膠漿試樣時，首先將SBS改性瀝青和所用礦粉加熱至165 ℃，然后將稱量好的礦粉分多次加入瀝青之中，使用攪拌機(jī)攪拌20～30 min，以保證瀝青膠漿的均勻性，最后用攪拌好的瀝青膠漿來制作不同試驗所需的瀝青膠漿試樣。

1.4 動態(tài)剪切流變試驗

本文采用美國SHRP提出的動態(tài)剪切流變儀(具體型號為Bohlin ADS流變儀)，對不同粉膠比的瀝青膠漿進(jìn)行高溫流變性能的測試。

趙國軍[13]在研究中采用了美國提出的反映緯度、氣溫和路表溫度之間關(guān)系的經(jīng)典回歸模型，計算了緯度為32.03°地區(qū)的路面各層最高溫度。由于本文所作研究位處江蘇省的省會南京緯度為32.03°，與趙國軍研究緯度一致，其研究發(fā)現(xiàn)，全年上中下面層的最高氣溫在7月，平均溫度為59.73 ℃。所以本文在進(jìn)行瀝青膠漿流變性能測試時，采用更加貼合實際的溫度，最終選擇測試溫度為46 ℃、52 ℃、58 ℃。

1.5 瀝青膠漿低溫彎曲流變試驗

本文采用彎曲梁流變儀(TE-BBR-F型)，在不同低溫溫度下對不同粉膠比的SBS瀝青膠漿進(jìn)行低溫彎曲流變試驗(BBR)，在此試驗中，蠕變勁度S單位為MPa，在低溫下，其值越大瀝青膠漿越脆；m代表蠕變速率，反映這瀝青膠漿的應(yīng)力松弛水平，m過小則說明瀝青較硬。本文測試瀝青膠漿在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃，及60 s處的蠕變勁度S值和蠕變速率m值。

1.6 拉拔試驗測試流程概述

本文使用課題組研制的新型纖維瀝青拉拔儀，在試驗數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的試驗溫度40 ℃[1]下，選取20 mm為纖維埋置長度，并在設(shè)定的10 mm/min拉拔速度下，對不同粉膠比的SBS瀝青膠漿進(jìn)行拉拔測試，電腦記錄最大拉拔力和此時的纖維拔出長度，經(jīng)過計算得出失穩(wěn)拉拔功。每種粉膠比下進(jìn)行3次拉拔測試，若拉拔測試與平均值的誤差超過10%，則重新進(jìn)行測試。

圖1是某次拉拔測試中位移與拉拔力的關(guān)系曲線，在拉拔力達(dá)到峰值之后，拉拔力顯著減小，這就說明了此時纖維與瀝青膠漿之間的粘結(jié)以及所達(dá)到的破壞狀態(tài)，圖中峰值左邊曲線與位移坐標(biāo)軸的面積近似為三角形，稱此三角形面積為“失穩(wěn)拉拔功”，失穩(wěn)拉拔功單位為J，可以表示纖維與瀝青膠漿的黏附性能，并可以從側(cè)面直接反映瀝青膠漿的黏性。

圖1 拉拔試驗曲線

測試的主要流程為： ①在模具中澆筑一半瀝青膠漿試樣(見圖2)，按照相同埋置長度放入纖維，然后澆筑另一半的瀝青膠漿；②在圖3箭頭所示的總控臺中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；③待試樣溫度降為常溫，將其放入拉拔儀內(nèi)部，在40 ℃下控溫1 h；④點擊開始按鈕，進(jìn)行拉拔力的測試。

圖2 試樣澆筑

圖3 纖維拉拔儀

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 粉膠比對瀝青膠漿高溫性能的影響

瀝青膠漿的性能主要受粉膠比的影響，3種不同的溫度下，不同粉膠比瀝青膠漿在不同試驗溫度下的車轍因子、相位角、復(fù)數(shù)黏度等指標(biāo)如圖4～圖6所示。

由圖4可知，在試驗溫度固定的情況下，瀝青膠漿的車轍因子隨著粉膠比的增大而增大。溫度越低，粉膠比對瀝青膠漿車轍因子的變化幅度與速率越大。由此說明溫度較低時，粉膠比對瀝青膠漿車轍因子的影響比溫度較高時粉膠比對瀝青膠漿車轍因子的影響更大。這主要是由于礦粉的增加使得瀝青與更多的礦粉在其表面結(jié)合形成了結(jié)構(gòu)結(jié)合成了結(jié)構(gòu)瀝青膜，結(jié)構(gòu)瀝青膜的增加使得整個瀝青膠漿更加具有彈性性質(zhì)。

圖4 不同粉膠比下的車轍因子

由圖5可知，從總體上看，其規(guī)律與車轍因子規(guī)律一致，在試驗溫度固定的情況下，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)黏度隨著粉膠比的增大而增大。在溫度達(dá)到52 ℃和往上時，粉膠比對瀝青膠漿復(fù)數(shù)黏度的影響速率與變化幅度相差無幾，幾乎呈平行變化趨勢。

圖5 不同粉膠比下的復(fù)數(shù)黏度

由圖6可知，從總體變化幅度來看，溫度越低，相位角的變化幅度越小。其原理主要還是礦粉的增加會使得瀝青與礦粉形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，從而使得瀝青膠漿的彈性性能越來越好。在粉膠比為最小值0.8時，3種溫度下的瀝青膠漿的相位角幾乎相同，可見粉膠比較小時，溫度對相位角的影響不大，而粉膠比對瀝青膠漿的相位角的影響始終較大。

圖6 不同粉膠比下的相位角

2.2 高溫流變性能、溫度和粉膠比灰色關(guān)聯(lián)分析

我國科學(xué)家鄧聚龍在21世紀(jì)80年代提出了灰色理論的概念，運用此理論可以在一定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到既定的某些影響因素對目標(biāo)的影響大小排序。經(jīng)過一系列計算，最終可以得到關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度的大小則反映了各個影響因素對目標(biāo)的影響大小排序。關(guān)聯(lián)度越大，則表明該影響因素對目標(biāo)的影響越大。為了得到關(guān)聯(lián)度，首先應(yīng)該將目標(biāo)與各個影響因素在某條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，并按照歸一法對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以消除單位對其的影響；接著設(shè)置目標(biāo)數(shù)列，即參考數(shù)列，記為X0；其次將各個影響因素數(shù)列記為Xi，并計算X0-Xi；接著再去確定式(1)和式(2)的值，其中n是對目標(biāo)的影響因素的個數(shù)，而m是目標(biāo)和各個影響因素的數(shù)據(jù)的個數(shù)。然后按照式(3)來計算各個影響因素的數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后將各個關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行列表，最后再按照式(4)來計算各個影響因素的關(guān)聯(lián)度，最終將所得到的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，得到各個影響因素對目標(biāo)的影響的大小的排序。

(1)

(2)

ξ(|x0(k)-xi(k)|)=

(3)

(4)

在本文中，目標(biāo)數(shù)列為各流變性能數(shù)據(jù)列，ρ取值為常用的0.5。在使用以上公式和步驟對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)后，結(jié)果如表3所示。

表3 流變性能的關(guān)聯(lián)度表Table 3 Relevance degree table of the rheological properties流變性能影響因素關(guān)聯(lián)度車轍因子粉膠比0.590 3溫度0.574 6復(fù)數(shù)粘度粉膠比0.720 3溫度0.846 6相位角粉膠比0.739 9溫度0.625 8

由于瀝青和瀝青膠漿是一種感溫性材料，其各項性能受溫度的影響較大，而從表3可見，車轍因子、相位角與粉膠比、溫度的關(guān)聯(lián)度差值很小，復(fù)數(shù)粘度與粉膠比的關(guān)聯(lián)度甚至大于其與溫度的關(guān)聯(lián)度，因此可以看出，粉膠比對流變性能的影響和溫度對流變性能的影響相當(dāng)，在某些參數(shù)上甚至大于溫度對流變性能的影響，所以粉膠比對SBS瀝青膠漿的流變性能的影響是較大的。

2.3 粉膠比對瀝青膠漿低溫性能的影響

由圖7可知，在3種較低溫度下，瀝青膠漿的蠕變勁度與粉膠比呈正相關(guān)關(guān)系，且溫度越低，變化速率越大，這說明粉膠比的增加會使得瀝青膠漿變脆。當(dāng)粉膠比為0.8～1.2時，其變化速率較緩，但當(dāng)粉膠比超過1.2時，蠕變勁度變化速率突然變快，此時很容易造成瀝青膠漿開裂等現(xiàn)象，這主要是由于粉膠比的過度增加會導(dǎo)致更多的礦粉凝聚在一起，因此宜控制粉膠比小于1.2。

圖7 粉膠比對蠕變勁度的影響

由圖8可知，在3種低溫下，瀝青膠漿的蠕變速率與粉膠比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度越低其變化速率越大，說明在溫度較低時，瀝青膠漿的蠕變速率更易受粉膠比的影響。與蠕變勁度變化規(guī)律一致，當(dāng)粉膠比為0.8～1.2時，其變化速率較緩;當(dāng)粉膠比超過1.2時，變化速率加快，與上面結(jié)論一致，粉膠比的大小不宜超過1.2，此結(jié)論也與鄭傳峰[14]等對瀝青膠漿低溫粘結(jié)性的研究結(jié)果一致。

圖8 粉膠比對蠕變速率的影響

2.4 粉膠比對最大拉拔力的影響

采用新型纖維拉拔試驗機(jī)，在設(shè)定的40 ℃、20 mm埋置長度和10 mm/min的參數(shù)下，對粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4的SBS瀝青膠漿與江蘇天龍玄武巖纖維進(jìn)行拉拔測試，最大拉拔力的測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同粉膠比下天龍玄武巖纖維最大拉拔力

由圖9可知，纖維的最大拉拔力隨著瀝青膠漿粉膠比的增大而增大，這主要是由于礦粉的增加會導(dǎo)致更多的瀝青與礦粉結(jié)合成為結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，結(jié)構(gòu)瀝青薄膜和其內(nèi)部的礦粉與玄武巖纖維之間有著很好的咬合力，瀝青膠漿的粘性得以增加，因此粉膠比越大則最大拉拔力也越大，即粉膠比的增加會使得瀝青膠漿的黏性增加，從而表現(xiàn)為與纖維的黏附性的增大。這和復(fù)數(shù)黏度的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果一致，粉膠比對復(fù)數(shù)黏度的影響甚至大于溫度對其的影響，由此可見粉膠比對瀝青膠漿的影響較大，需要引起我們的重視。4種粉膠比(FB)下，每組試驗做3次，失穩(wěn)拉拔功的結(jié)果如表4所示。

表4 失穩(wěn)拉拔功Table 4 Pull out energy when the pulling is unstable不同粉膠比下的失穩(wěn)拉拔功/JFB=0.8FB=1.0FB=1.2FB=1.41#2#3#1#2#3#1#2#3#1#2#3#0.020 20.022 10.021 40.022 70.025 20.026 00.026 70.029 60.028 50.040 50.035 90.039 6平均值0.021 2平均值0.024 7平均值0.028 3平均值0.038 7

由表4進(jìn)一步驗證了粉膠比對瀝青膠漿與玄武巖纖維之間的黏附性能之間的關(guān)系，顯然不論是最大拉拔力指標(biāo)還是失穩(wěn)拉拔功指標(biāo)，他們都隨著粉膠比的增大而增大，由此可以說明粉膠比的增大可以增加纖維與瀝青膠漿之間的黏附性能。結(jié)合之前對粉膠比對瀝青膠漿高溫和低溫流變性能的研究，從瀝青膠漿的綜合性能來看，SBS瀝青膠漿的最佳粉膠比為1.2。

2.5 粉膠比在瀝青混合料設(shè)計中的思考

目前許多關(guān)于瀝青混合料的研究都強(qiáng)調(diào)瀝青膠漿對瀝青混合料性能的影響[15]，同時粉膠比又是影響瀝青膠漿性能的重要因素。我國規(guī)范規(guī)定，在瀝青混合料的設(shè)計中，粉膠比指的是瀝青混合料中0.075 mm的礦料通過率與有效瀝青的含量的比值。

由礦粉的篩分結(jié)果看，本文所用礦粉中0.075 mm的通過率為81.4%，0.075～0.15 mm的含量為12.8%，0.15～0.6 mm的含量為5.8%。可見礦粉中大部分粒徑都是小于0.075 mm的，但不可忽略的是0.075～0.6 mm的細(xì)粒礦料的含量雖然較少，但也會對瀝青膠漿的性能造成一定的影響。

本文做了一系列試驗后，提出粉膠比(礦粉含量/瀝青含量)為1.2時，SBS瀝青膠漿的綜合性能最佳。因此依據(jù)礦粉篩分結(jié)果計算可知，本文實驗中對應(yīng)的0.075 mm通過率與瀝青含量的最佳比值應(yīng)該為1.2×81.4%=0.976 8。同時，考慮到0.075～0.6 mm的細(xì)料也會對瀝青膠漿的性能造成一定的影響，因此根據(jù)本文的試驗結(jié)果，建議在瀝青混凝土設(shè)計中，確定瀝青用量和混合料的級配曲線時，嚴(yán)格控制0.6 mm礦料通過率與有效瀝青含量的比值不得超過1.2，并且從瀝青膠漿的綜合性能角度來看，建議最佳規(guī)范計算粉膠比(0.075 mm通過率/有效瀝青含量)為0.976 8。此結(jié)論也在其他學(xué)者給出的瀝青混合料配合比設(shè)計的粉膠比范圍之內(nèi)[16-17]，進(jìn)一步驗證了該數(shù)據(jù)的可靠性。

3 結(jié)論

a.在本文試驗范圍內(nèi)，不同溫度下，粉膠比與SBS瀝青膠漿的車轍因子和復(fù)數(shù)黏度呈正相關(guān)關(guān)系、與相位角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，可見粉膠比適當(dāng)?shù)脑黾涌梢允筍BS瀝青膠漿的高溫性能表現(xiàn)更好，也會使其彈性性能更佳。

b.粉膠比對瀝青膠漿流變性能的影響和溫度相當(dāng)，其對復(fù)數(shù)黏度的影響甚至超過溫度對其的影響，因此粉膠比對瀝青膠漿性能有著較大的影響。

c.在對不同粉膠比下的SBS瀝青膠漿與江蘇天龍玄武巖纖維進(jìn)行拉拔測試后發(fā)現(xiàn)，粉膠比的增加會使得最大拉拔力和失穩(wěn)拉拔功增大，因此粉膠比增大也會使得瀝青膠漿的黏性增強(qiáng)。

d.通過研究粉膠比與瀝青膠漿低溫性能的影響，結(jié)合瀝青膠漿高溫性能和拉拔測試結(jié)果來看，SBS瀝青膠漿綜合性能最好時的粉膠比為1.2。

e.建議在瀝青混凝土設(shè)計中，控制0.6 mm礦料通過率與有效瀝青含量的比值，使其不得超過1.2，并且建議最佳規(guī)范計算粉膠比(0.075 mm通過率/有效瀝青含量)為0.9768。