與瀝青膠漿性能相關(guān)的礦粉顆粒表征參數(shù)*

樊 亮 林江濤 李永振

(高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 濟(jì)南 250031) (山東省交通科學(xué)研究院2) 濟(jì)南 250031)

0 引 言

瀝青膠漿是瀝青混合料物相組成中的一級(jí)分散系統(tǒng)，它由礦粉填料分散在瀝青中形成[1].瀝青膠漿影響混合料的性能，其中的礦粉物理性質(zhì)和粒度分布差異是一重要影響因素[2].

已有研究表明：填料顆粒尺寸的分布可以影響混合體系黏度和可以結(jié)合的最大填料含量[3]；瀝青和礦粉界面的相互作用不同程度地影響著瀝青膠漿體系的穩(wěn)定性[4]；填料的分散狀態(tài)和顆粒形狀都會(huì)影響瀝青膠漿的增勁效果[5].以上研究并未提出全面而有效的礦粉顆粒表征參數(shù)，沒有在粒徑大小和顆粒分布方面建立技術(shù)指標(biāo).因此，為保證混合料的科學(xué)設(shè)計(jì)與使用，應(yīng)該在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的礦粉基本物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)礦粉的顆粒表征參數(shù)進(jìn)行重新認(rèn)識(shí).

文中利用激光粒度分析儀對(duì)五種礦粉進(jìn)行了顆粒表征分析，考察了不同顆粒表征參數(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，基于瀝青膠漿的高溫性能和低溫性能指標(biāo)，研究不同顆粒表征參數(shù)對(duì)其的影響和相關(guān)性，并探討顆粒分布參數(shù)對(duì)粉膠比設(shè)計(jì)的影響.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 礦粉 瀝青混合料的礦粉必須采用石灰?guī)r或巖漿巖中的強(qiáng)基性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉，原石料中的泥土雜質(zhì)應(yīng)除凈[6].選用五種石灰?guī)r質(zhì)礦粉作對(duì)比研究：其中1#、4#分別為平陰、昌樂料場(chǎng)礦粉，2#、3#、5#分別采自龍青高速、日蘭高速，以及東青高速養(yǎng)護(hù)工程.五種礦粉質(zhì)量均符合文獻(xiàn)[8]的技術(shù)要求.部分物理指標(biāo)見表1.

表1 五種石灰?guī)r質(zhì)礦粉的物理指標(biāo)

2) 瀝青與膠漿 選用70#道路石油瀝青，其指標(biāo)滿足文獻(xiàn)[6]中A級(jí)瀝青技術(shù)要求.瀝青膠漿制備中，參考工程常用密級(jí)配的粉膠比設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，設(shè)置粉膠比為1.2，即按照礦粉(粒徑小于0.075 mm部分)與瀝青的質(zhì)量比1.2進(jìn)行配置.

五種瀝青膠漿的制備統(tǒng)一按照如下過程進(jìn)行：①將選用的70#道路石油瀝青加熱至150 ℃，直至瀝青成流動(dòng)狀態(tài)，便于攪拌；將過篩后的礦粉在105 ℃下烘干至恒重；②按1.2的粉膠比、將礦粉與瀝青在150 ℃條件下進(jìn)行攪拌混合，攪拌速率200 r/min，直至混合物表面不出現(xiàn)氣泡為止，攪拌10 min，以保證混合均勻形成瀝青膠漿，分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#膠漿.

1.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

1) 顆粒平均粒徑Xav利用顆粒對(duì)激光的散射特性作等效對(duì)比所測(cè)出的等效粒徑，單位為μm；此指標(biāo)由分析儀軟件自動(dòng)計(jì)算得到.

2) 體積比表面積S/V單位體積顆粒的表面積，單位為cm2/cm3，由分析儀軟件計(jì)算得到.

3)X90，X50，X10指顆粒粒徑分布為90%，50%，10%的粒徑，即小于此粒徑的顆粒體積含量占全部顆粒的90%，50%，10%，單位為μm.此指標(biāo)由分析儀軟件自動(dòng)計(jì)算提供；X50稱為中位粒徑；X90，X10分別稱為邊界粒徑，表示粗端粒度、細(xì)端粒度大小.

4) 離散度s離散度用來描述粒度分布的寬度或不均勻程度，定義為

離散度s=(X90-X10)/X50

(1)

式中：(X90-X10)為粉體的分布寬度；X50為中位粒度.離散度越小，粒度分布范圍越窄，顆粒越集中；反之，粒度分布范圍越寬，粒度大小越分散.該指標(biāo)為量綱一的量.

5)P20利用20 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒累計(jì)頻率作為指標(biāo)，反映粒徑小于20 μm的顆粒占比，單位為%.根據(jù)礦粉顆粒累計(jì)頻率曲線計(jì)算出P20.

6) Rosin-Rammler顆粒分布參數(shù)Dch，n由于一些粉體的粒度分布范圍很寬，且明顯不符合正態(tài)分布特征，可基于顆粒累計(jì)頻率曲線、利用RRS函數(shù)方程來描述粒度的分布情況.RRS方程為通過對(duì)煤粉、水泥等物料粉碎實(shí)驗(yàn)的概率和統(tǒng)計(jì)理論的研究，歸納出用指數(shù)函數(shù)表示粒度分布的關(guān)系式，即RRS方程[7].

(2)

式中：R(D)為大于某一粒徑D(單位：μm)的累積頻率；Dch為特征粒徑，μm，標(biāo)識(shí)顆粒群宏觀上的粗細(xì)程度；n為顆粒均勻性系數(shù)，標(biāo)識(shí)粒度分布范圍的寬窄，與粉體物料性質(zhì)和粉碎設(shè)備有關(guān)，對(duì)于一種粉碎產(chǎn)品n為常數(shù)，對(duì)于粉塵類n值?！?(當(dāng)n>1時(shí)，顆粒呈正態(tài)分布).n值越小，粒度越均勻.

同時(shí)，針對(duì)配置的瀝青膠漿采用AR2000ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀和TE型低溫彎曲梁流變儀(BBR)進(jìn)行高溫性能和低溫性能的評(píng)價(jià).采用方法如下.

1) 多應(yīng)力重復(fù)蠕變回復(fù)試驗(yàn) 使用AR2000ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行MSCR試驗(yàn).得到60 ℃下、0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr@0.1，Jnr@3.2，以此表征瀝青膠漿的高溫抗變形能力.并利用Jnr@0.1，Jnr@3.2計(jì)算不可恢復(fù)柔量差ΔJnr，為

(3)

2) 低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR) 進(jìn)行-12 ℃的BBR試驗(yàn)[8]，獲取不同礦粉瀝青膠漿的低溫勁度模量S和蠕變速率m，以此表征瀝青膠漿的低溫性能.

2 結(jié)果與討論

2.1 礦粉顆粒表征與分布

1) 礦粉顆粒分布的總體特征 根據(jù)試驗(yàn)安排，利用激光粒度分析儀得到7種礦粉的粒度表征參數(shù)、礦粉的粒徑-頻率分布曲線和累計(jì)頻率分布曲線，以此來表征礦粉的粒度分布異同.根據(jù)激光粒度分析儀器分析結(jié)果，匯總得到的五種礦粉的顆粒表征參數(shù)，見表2.

表2 五種石灰?guī)r質(zhì)礦粉的粒度指標(biāo)

圖1為五種礦粉的粒徑-頻率分布圖.由圖1可知，盡管礦粉的物理指標(biāo)都是滿足文獻(xiàn)[9]現(xiàn)行規(guī)范的，但在0.075 mm粒度以下的顆粒分布存在明顯的差別.

圖1 五種礦粉的粒度-頻率分布曲線

圖2為五種礦粉的粒度-累計(jì)頻率分布圖.可以看到，不同礦粉的20 μm粒徑以下的顆粒含量P20不同，中位粒徑X50、邊界粒徑X90、X10也存在差異，這些參數(shù)差別勢(shì)必會(huì)對(duì)礦粉的使用性質(zhì)存在影響.

圖2 五種礦粉的粒度-累計(jì)頻率分布曲線

2) RRS函數(shù)顆粒參數(shù) 根據(jù)礦粉的累計(jì)頻率分布數(shù)據(jù)，按照式(2)的RRS函數(shù)、利用最小二乘法計(jì)算得到五種礦粉的特征粒徑Dch和顆粒均勻系數(shù)n.圖3為示例擬合曲線，計(jì)算匯總的擬合參數(shù)見表3.兩者表明，五種礦粉顆粒的RRS擬合函數(shù)相關(guān)性均在98%以上，說明礦粉顆粒分布是符合RRS函數(shù)特征的，且不同礦粉有著不同的特征粒度Dch和均勻系數(shù)n.由表3可知，1#礦粉顆粒最粗，其特征粒度Dch為4.925 μm，5#、3#礦粉最細(xì)，其特征粒度Dch在2.9～3.0 μm.而在顆粒分布均勻性上，2#礦粉的均勻系數(shù)n最小，粒度最為均勻；1#礦粉的均勻系數(shù)最大，粒度分布范圍最寬.

圖3 礦粉粒度累計(jì)頻率曲線與RRS擬合

表3 五種石灰?guī)r質(zhì)礦粉的RRS函數(shù)顆粒參數(shù)

由于粒度表征參數(shù)的計(jì)算存在不同的計(jì)算理念，對(duì)比表2～3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：粒度分析儀得到中位粒度X50和平均粒度Xav均比特征粒度Dch大，礦粉的粒度大小順序也有所改變.圖4的粒度大小順序?qū)Ρ缺砻?，X10，X50，Dch體現(xiàn)的粒度排序是一致的，即1#、2#、4#、3#、5#粒度逐漸降低；而X50和Xav則有不同，前者大小排序?yàn)?#、4#、5#、3#、2#，后者排序?yàn)椋?#、4#、5#、2#、3#.這種區(qū)別是因?yàn)榱６鹊墨@取方式造成的，也和顆粒的均勻性有關(guān).圖5則表明中位粒度X50與特征粒度Dch有一定的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R2=0.99.

圖4 五種礦粉的不同粒度參數(shù)及大小排序

圖5 Dch與X50，Xav的關(guān)系

同樣，表征礦粉顆粒均勻性的兩個(gè)指標(biāo)來源不同，因此激光粒度儀獲取的離散度s與RRS函數(shù)計(jì)算得到的均勻系數(shù)n在數(shù)值有一定區(qū)別，但圖6顯示兩者有一定的線性關(guān)系，說明兩者意義相同，一定條件下能夠相互替代、以表征粒度的均勻性.

圖6 離散度s與均勻系數(shù)n的相關(guān)性

3) 體積比表面積與粒徑的關(guān)系 由于不同粒度表征參數(shù)代表了不同的粒度等級(jí)，因此會(huì)不同程度地影響礦粉顆粒的比表面積，繼而會(huì)影響顆粒在瀝青中的分散均勻程度和使用性質(zhì).圖7是以礦粉的體積比表面積S/V作為參考指標(biāo)，對(duì)不同顆粒粒度參數(shù)做出的相關(guān)性曲線；在相關(guān)系數(shù)R2的對(duì)比上，X10，Dch，X50，Xav，X90與體積比表面積S/V的相關(guān)系數(shù)依次降低，只有X10，X50與Dch的相關(guān)系數(shù)大于0.95.這就表明粉體顆粒的比表面積更受到顆粒分布中的細(xì)端粒度影響；而X10，X50與Dch是影響比表面積的重要參數(shù).

圖7 P20參數(shù)與體積表面積的關(guān)系

同樣地，P20代表著粉體顆粒在20 μm粒徑之下的部分，涵蓋了X50，X10的粒度范圍，這個(gè)部分含量越高，粉體的比表面積也應(yīng)越大.但圖7中的P20與體積比表面積的相關(guān)系數(shù)R2僅為0.75，達(dá)不到X10，X50與Dch的相關(guān)性.

對(duì)于表征顆粒均勻的離散度s和均勻系數(shù)n而言，它們都代表了礦粉顆粒分布的均勻性和分散寬度，其數(shù)值越大，說明顆粒分布越離散、越不集中.圖1中的粒度頻率分布圖已經(jīng)表明這種分散性的存在，表2～3共同說明了2#、4#、5#、3#、1#的s、n值依次升高，顆粒均勻性變差.但s、n值與礦粉的比表面積關(guān)系不大，圖8顯示出的相關(guān)性系數(shù)R2僅僅為0.127 1、0.165 6，說明礦粉的比表面積與均勻性關(guān)聯(lián)很小，更大程度上取決于顆粒尺寸中的細(xì)端組成.

圖8 分散系數(shù)與體積表面積的關(guān)系

綜上所述，在礦粉的粒度表征上，其表征參數(shù)不能唯一考慮粒度大小，更要考慮粒度的分布均勻性指數(shù).為了統(tǒng)一對(duì)比，本文將X10，X50，X90，Xav，Dch、離散度s，以及均勻系數(shù)n均納入下文討論.

2.2 粒度大小與膠漿性質(zhì)

在經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)上，既然五種礦粉均符合規(guī)范要求，且均按照粉膠比1.2的條件與同一種瀝青拌制，所得到瀝青膠漿應(yīng)該性質(zhì)差別不大，但實(shí)際上膠漿性質(zhì)是有明顯差別的.

圖9為五種瀝青膠漿在60 ℃時(shí)的MSCR試驗(yàn)結(jié)果，其不可恢復(fù)柔量Jnr值差別顯著.在兩個(gè)應(yīng)力水平下，1#、2#、4#、3#、5#的Jnr值依次升高，代表著高溫抗變形能力逐漸的降低；同樣，BBR試驗(yàn)中的低溫勁度模量S和蠕變速率m也呈現(xiàn)規(guī)律的變化，圖10顯示 1#、2#、5#、4#、3#膠漿的低溫性能指標(biāo)中，勁度模量S降低，蠕變速率m升高并漸趨于穩(wěn)定；其中1#膠漿的低溫性能最差，蠕變速率最小，勁度模量最大.

圖10 不同瀝青膠漿的低溫性能

通過相關(guān)性分析，獲取到瀝青膠漿性能指標(biāo)與礦粉指標(biāo)的相關(guān)性系數(shù)R2，見圖11.可以發(fā)現(xiàn)，瀝青膠漿的高溫性能、低溫性能均與礦粉的顆粒指標(biāo)相關(guān)，特別是特征粒度X50，Dch，X10的相關(guān)性系數(shù)大于0.9.而兩個(gè)離散指數(shù)s和n與瀝青膠漿的高、低溫性能關(guān)系較弱.同時(shí)圖12表明，礦粉的粒度(X50，Dch)越大，其不可恢復(fù)柔量值(Jnr@0.1，Jnr@3.2)單調(diào)降低，膠漿的高溫性能得以改善；但礦粉顆粒的增大，會(huì)使膠漿低溫性能明顯衰減，表現(xiàn)為蠕變速率m降低和低溫勁度模量S的上升.

圖11 瀝青膠漿性質(zhì)與礦粉指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)對(duì)比

圖12 兩種顆粒參數(shù)與瀝青膠漿性能的關(guān)系

因此，在粉膠比同為1.2的情況下，礦粉的粒度大小會(huì)對(duì)瀝青膠漿性質(zhì)會(huì)帶來影響.在充分混合的情況下，粒度越小，會(huì)帶來更好的低溫性能；而粒度增大，高溫性能雖有所改善，但低溫性能亦衰減顯著.

2.3 粒度均勻性與最大粉膠比

按照相關(guān)研究，瀝青加入礦粉前后的軟化點(diǎn)之差若小于10 ℃，形成的瀝青膠漿不至于因勁度增長(zhǎng)過多而影響其綜合性能，尤其是低溫性能，所以粉膠比應(yīng)該存在上限值.已有研究表明，不可回復(fù)柔量Jnr均隨著粉膠比的增加而降低，瀝青膠漿的抗變形能力顯著越高，當(dāng)Jnr@3.2-Jnr@0.1=0時(shí)，即不可恢復(fù)柔量差ΔJnr=0時(shí)，此時(shí)粉膠比位置代表著瀝青膠漿的最大粉膠比；基質(zhì)瀝青質(zhì)地越軟，最大粉膠比則相應(yīng)提高,見圖13.基于這個(gè)認(rèn)識(shí)，可以判斷不同礦粉在最大粉膠比上的差別，即在一定粉膠比下，若瀝青膠漿ΔJnr>0時(shí)，粉膠比是合適的；而當(dāng)ΔJnr<0時(shí)，說明粉膠比過大.

圖13 三種石油瀝青膠漿的ΔJnr曲線

圖14中的五種瀝青膠漿的粉膠比均為1.2，1#、3#膠漿的ΔJnr<0，2#、4#、5#膠漿的ΔJnr>0，按照已有研究可認(rèn)為1#、3#瀝青膠漿的粉膠比已經(jīng)超過最大粉膠比，其合適的粉膠比應(yīng)該小于1.2；而其他三種膠漿粉膠比則是合適的，其最大粉膠比應(yīng)該大于1.2.由于所有的瀝青膠漿均使用同一基質(zhì)瀝青，這就說明了不同礦粉帶來了最大粉膠比上的設(shè)計(jì)差別，而這種差別與礦粉粒度分布均勻性有關(guān).

圖14 不同瀝青膠漿的ΔJnr對(duì)比

結(jié)合礦粉的密度、親水系數(shù)、不同粒度指標(biāo)和均勻性參數(shù)，論文發(fā)現(xiàn)物理指標(biāo)和粒度指標(biāo)均不能與ΔJnr存在單調(diào)關(guān)系或者一定的曲線規(guī)律，僅有礦粉的離散度s、均勻系數(shù)n與ΔJnr存在一定關(guān)系.圖15表明，在粉膠比為1.2的情況，當(dāng)?shù)V粉的離散指數(shù)s<4.28，均勻系數(shù)n<-1時(shí)，由此配置的瀝青膠漿的ΔJnr>0，瀝青膠漿性能是合適的；當(dāng)離散指數(shù)s>4.28，均勻系數(shù)n>-1時(shí)，膠漿ΔJnr<0，粉膠比應(yīng)不適合工程應(yīng)用.

圖15 礦粉的均勻系數(shù)s、n與ΔJnr的關(guān)系

可以認(rèn)為，在同一瀝青使用條件下，不同礦粉會(huì)有不同的粉膠比應(yīng)用比例，這種差別主要由礦粉的顆粒分布均勻性決定；顆粒分布越寬，離散度越大，其最大粉膠比應(yīng)適當(dāng)降低比例；在表征粒度均勻性上，由于離散度s和n值可線性對(duì)應(yīng)，在具體指標(biāo)應(yīng)用控制中可選擇其中一個(gè)指標(biāo)作為礦粉控制指標(biāo).

3 結(jié) 論

1) 礦粉顆粒表征參數(shù)不是唯一的，既要考慮粒度大小，也要考慮粒度的分布均勻性.在影響顆粒群比表面積的關(guān)鍵指標(biāo)為礦粉的細(xì)端粒度X10、中位粒度X50和特征尺寸Dch，前兩者可由激光粒度儀快速測(cè)量，特征尺寸Dch由粒徑頻率分布曲線、按照RRS模型擬合獲取.粒度的均勻性可以由離散度s和均勻系數(shù)n進(jìn)行表征，兩者具有良好的線性關(guān)系.

2) 在相同基質(zhì)瀝青和粉膠比條件下，礦粉粒度大小會(huì)對(duì)瀝青膠漿性質(zhì)會(huì)帶來影響.在充分混合的情況下，礦粉粒度越小，會(huì)帶來更好的低溫性能；而粒度增大，會(huì)提高高溫性能指標(biāo)，但低溫性能指標(biāo)也衰減明顯.

3) 在同一基質(zhì)瀝青中，混合不同的礦粉應(yīng)具有不同的粉膠比要求，這種差別主要由礦粉的顆粒分布均勻性決定；礦粉顆粒分布越寬，離散度越大，其最大粉膠比設(shè)置應(yīng)適當(dāng)降低；為方便考慮，可利用激光粒度儀獲取離散度指標(biāo)s值進(jìn)行礦粉均勻性控制指標(biāo).

4) 上述結(jié)論僅限于一種基質(zhì)瀝青和五種礦粉，后續(xù)研究應(yīng)在大量石油瀝青、改性瀝青和其他礦粉的樣本數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行探索，驗(yàn)證對(duì)礦粉顆粒分布、均勻性要求上的控制有效性；出于標(biāo)準(zhǔn)化控制的目的，建議對(duì)現(xiàn)行礦粉生產(chǎn)進(jìn)行不同牌號(hào)等級(jí)管理，更好地服務(wù)瀝青混合料的設(shè)計(jì)與生產(chǎn).