水泥與消石灰對瀝青膠漿流變性能的影響*

李啟榮 許新權(quán) 紀(jì)小平 吳傳海 李善強

(廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司1) 廣州 510623) (廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420)(長安大學(xué)公路學(xué)院3) 西安 710064)

0 引 言

膠漿理論認(rèn)為瀝青混合料是一種三級空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系，瀝青膠漿的組成結(jié)構(gòu)決定了瀝青混合料的路用性能[1].由瀝青為分散質(zhì)，填料等細(xì)小顆粒為分散劑組成的瀝青膠漿在瀝青混合料體系中所占比例最小，卻被認(rèn)為是最重要的一級，其黏彈特性的變化對瀝青混合料的路用性能影響巨大[2-4].因此，在路面工程上，常通過改變?yōu)r青膠漿的粉膠比來調(diào)整瀝青膠漿的黏彈性，進而優(yōu)化瀝青混合料的路用性能.文獻(xiàn)[5]中建議瀝青混合料的粉膠比為0.6～1.6，美國Superpave瀝青混合料設(shè)計規(guī)范建議粉膠比的范圍為0.6～1.2，如果采用限制區(qū)以下的粗型級配，其粉膠比可以提高到0.8～1.6.然而，粉膠比范圍太寬對于實際工程中瀝青混合料設(shè)計的指導(dǎo)意義不大[6-7].為提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，在瀝青混合料中常采用水泥或消石灰替代部分礦粉以提高集料與瀝青之間的黏附性[8].然而相對于石灰?guī)r的礦粉，水泥或消石灰的堿性更強，比表面積更大，能與瀝青發(fā)生更強的吸附作用與酸堿反應(yīng)，從而導(dǎo)致瀝青膠漿黏彈性發(fā)生顯著改變.

縱觀國內(nèi)外相關(guān)研究，目前還沒有提供瀝青膠漿中水泥或消石灰用量的推薦范圍[9].鑒于此，根據(jù)我國規(guī)范與Superpave設(shè)計方法推薦的粉膠比范圍，采用動態(tài)剪切流變試驗(DSR)、彎曲梁流變試驗(BBR)對礦粉、水泥、消石灰三種填料及摻量對瀝青膠漿高溫及低溫流變性能的影響進行研究，研究結(jié)果可為瀝青混合料設(shè)計優(yōu)化提供參考.

1 材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用殼牌70#石油瀝青，相關(guān)性能指標(biāo)試驗按照文獻(xiàn)[5]的規(guī)定進行.試驗結(jié)果見表1.

試驗采用廣東某石粉廠生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，塔牌普通硅酸鹽水泥，廣州某公司生產(chǎn)的消石灰.各性能指標(biāo)見表2.

表1 瀝青的主要性能指標(biāo)

表2 填料的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設(shè)計

1) 采用石灰?guī)r礦粉制備瀝青膠漿，粉膠比為0.7，0.9，1.1，1.3，1.5.粉膠比的定義為“混合料中小于0.075 mm的含量與瀝青的質(zhì)量比”.

2) 采用DSR與BBR對制備的瀝青膠漿的高、低溫性能進行試驗，確定最佳粉膠比的范圍.

3) 取確定的最佳粉膠比，分別采用水泥與消石灰代替部分礦粉，替代量分別為礦粉質(zhì)量的20%，40%，60%，80%，采用DSR與BBR對其瀝青膠漿的高、低溫性能進行試驗.

1.2.2瀝青膠漿制備

為了消除填料顆粒粒徑對瀝青膠漿本身性質(zhì)的影響，試驗中采用的礦粉、水泥，以及消石灰在使用前均通過0.075 mm方孔篩將粒徑大于0.075 mm部分去除.瀝青膠漿的制備的方法如下.

1) 將填料置于105 ℃的烘箱恒溫4 h，除去水分.

2) 將一定質(zhì)量的瀝青加熱到150 ℃，保持溫度不變，將稱量好的填料加入到瀝青中并不斷攪拌；

3) 待填料完全加入到瀝青后繼續(xù)攪拌10 min，并趁熱制備各試驗所需的試樣.

1.2.3布氏黏度試驗

采用美國Brookfield DV-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)黏度儀，在110，135，175 ℃進行瀝青膠漿布氏黏度試驗，分析瀝青膠漿的施工和易性.

1.2.4流變試驗

1) 試驗采用馬爾文KINEXUS型動態(tài)剪切流變儀(DSR)測試不同溫度下瀝青膠漿的流變性能.采用車轍因子(G*/sinδ)與相位角(δ)作為評價瀝青膠漿高溫性能的指標(biāo).測試荷載為100 Pa，頻率為1.59 Hz(對應(yīng)角速度為10 rad/s)；試樣直徑為25 mm、厚度為1 mm.G*/sinδ值愈大，表示瀝青膠漿的高溫抗永久變形能力愈強.相位角是峰值剪應(yīng)力與峰值剪應(yīng)變的時間滯后，表征材料彈性與黏性成分比例的指標(biāo)[10-13].

2) 試驗采用CANNON瀝青彎曲梁流變儀(BBR)測試瀝青膠漿的勁度模量(S)和蠕變速率(m)評價其低溫抗裂性.其中S值愈大，瀝青愈硬，低溫抗裂性愈差；m愈大，瀝青的柔韌性愈好，應(yīng)力松弛能力愈好[14-15].

1.2.5瀝青膠漿高低溫性能試驗的溫度選擇

采用的殼牌70#石油瀝青的PG分級結(jié)果為PG64-22，DSR試驗時為了滿足車轍因子大于1.0 kPa，試驗溫度應(yīng)從低溫向高溫進行，因此起始溫度設(shè)定為58 ℃；由于瀝青膠漿的低溫性能低于原樣瀝青，-12 ℃時瀝青膠漿性能指標(biāo)的變化規(guī)律可能不明顯，且本文瀝青膠漿的低溫性能研究是針對于華南地區(qū)的氣候特點，溫度不宜太低，因此BBR試驗的溫度設(shè)定為-6和-12 ℃.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 布氏黏度試驗結(jié)果分析

采用美國Brookfield DV-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)黏度儀，在110,135及175 ℃進行瀝青膠漿布氏黏度試驗，試驗結(jié)果見表3.不同溫度下不同粉膠比膠漿的布氏黏度變化趨勢見圖1.不同粉膠比膠漿中填料的總表面積變化趨勢見圖2.

表3 不同溫度下不同粉膠比瀝青膠漿布氏黏度試驗結(jié)果

圖1 粉膠比對瀝青膠漿布氏黏度的影響

圖2 不同粉膠比瀝青膠漿中填料的總表面積變化趨勢

由表3和圖1可知，瀝青膠漿的布氏黏度隨著粉膠比的增大而增大，不同試驗溫度具有相似的規(guī)律.由此可知，瀝青膠漿的布氏黏度不但受溫度的影響，其值與粉膠比也明顯相關(guān).當(dāng)粉膠比在0.7～1.0，瀝青膠漿的布氏黏度值隨粉膠比變化的幅度較小，兩者呈線性關(guān)系，屬于緩慢增長階段；當(dāng)粉膠比大于1.0時，瀝青膠漿的布氏黏度增速加大，屬于遷移增長階段；當(dāng)粉膠比從1.3上升到1.5時，其黏度值隨粉膠比的增大有較大提高，屬于迅速增長階段.試驗結(jié)果表明：增大粉膠比有利于提高瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性.這主要是因為礦粉與瀝青接觸后，在礦粉的表面瀝青會發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一層結(jié)構(gòu)瀝青膜，相比于自由瀝青，結(jié)構(gòu)瀝青穩(wěn)定性強，黏結(jié)力好.由圖2可知，當(dāng)粉膠比上升，礦粉的總表面積增大，瀝青膠漿中的結(jié)構(gòu)瀝青比例增大，使得其黏度與強度得到提升，高溫穩(wěn)定性增強.粉膠比增大到一定范圍，過量的礦粉會吸收大量的自由瀝青，在膠漿中起介質(zhì)作用的瀝青總量減少，膠漿體系從量變發(fā)生了質(zhì)變，布氏黏度值迅速增大.結(jié)合不同粉膠比瀝青膠漿布氏黏度試驗結(jié)果，若希望有效提高瀝青混合料的高溫性能，瀝青膠漿粉膠比應(yīng)大于緩慢增長階段，即粉膠比宜大于1.0.

2.2 DSR試驗結(jié)果分析

當(dāng)填料僅為石灰?guī)r礦粉時，瀝青膠漿的G*/sinδ變化規(guī)律見圖3，δ變化規(guī)律見圖4.

圖3 G*/sin δ隨粉膠比和溫度變化規(guī)律

圖4 相位角隨粉膠比和溫度變化趨勢

由圖3可知，同一溫度下，隨粉膠比的增加瀝青膠漿的G*/sinδ逐漸增加，增加粉膠比可提高瀝青膠漿的高溫抗永久變形能力；但隨著溫度的升高，G*/sinδ隨粉膠比的變化趨勢不斷變緩，在58 ℃時變化趨勢最為顯著，變化幅度最大，而76 ℃時變化趨勢很平緩，說明溫度越低，增大粉膠比能顯著提高瀝青膠漿的高溫抗永久變形能力.隨著溫度的升高，不同粉膠比瀝青膠漿的G*/sinδ均逐漸減小，即瀝青膠漿的高溫抗永久變形能力隨溫度升高而降低.當(dāng)粉膠比在0.7～1.0，隨著溫度的降低，瀝青膠漿高溫性能平穩(wěn)上升，當(dāng)粉膠比大于1.0時，隨著溫度的降低，其高溫性能上升的幅度增加.因此，為了保證瀝青膠漿有較好的高溫性能，普通瀝青混合料的粉膠比宜大于1.0.

由圖4可知，當(dāng)溫度一定時，瀝青膠漿的相位角隨粉膠比的增加變化不大，變化幅度在0.5°左右，說明粉膠比的增大并沒有改變?yōu)r青本身的黏彈性成分比例.當(dāng)溫度一定時，瀝青膠漿的相位角是膠漿體系本身的一種性質(zhì),與粉膠比大小無關(guān),這與文獻(xiàn)中[9]的研究結(jié)論一致.同一粉膠比下瀝青膠漿在溫度較低時δ較小，瀝青膠漿具有較好的彈性性質(zhì)，隨著溫度的升高，δ逐漸增大，此時瀝青膠漿的黏性性質(zhì)起主要作用.

2.3 BBR試驗結(jié)果分析

BBR試驗的測試溫度為-6與-12 ℃.瀝青膠漿在加載60 s時測定的S，m值.當(dāng)填料僅為石灰?guī)r礦粉時，不同粉膠比瀝青膠漿的BBR試驗結(jié)果見表4.圖5～6為不同粉膠比的瀝青膠漿的勁度模量S和蠕變速率m的變化趨勢圖.

表4 BBR試驗結(jié)果(60 s)

圖5 不同粉膠比瀝青膠漿的勁度模量

圖6 不同粉膠比瀝青膠漿的蠕變速率

由圖5～6可知，試驗溫度為-6 ℃時，不同粉膠比瀝青膠漿的勁度模量S較低，蠕變速率m較高，當(dāng)試驗溫度為-12 ℃時，瀝青膠漿的勁度模量S上升近3倍，說明瀝青膠漿的應(yīng)力松弛能力受環(huán)境溫度的影響很大.隨著溫度的降低，應(yīng)力松弛能力逐漸變差.粉膠比較小的瀝青膠漿具有較小的S值，較大的m值，說明粉膠比的增大降低了瀝青膠漿的韌性，使得瀝青膠漿的抗低溫開裂能力減弱.S值增加，瀝青膠漿由于溫度應(yīng)力會引起更為嚴(yán)重的收縮現(xiàn)象，開裂的可能性增加.此外，隨著m值的減小，應(yīng)力松弛能力下降，瀝青膠漿緩解溫度應(yīng)力的能力變?nèi)?因此,S越小、m越大，瀝青膠漿在低溫環(huán)境中抵抗開裂的能力就越強，在較低溫度和粉膠比較大的情況下，這種想象表現(xiàn)的更明顯.這是由于礦粉的加入增大了瀝青的剛度，降低了柔韌性，導(dǎo)致瀝青膠漿變的硬脆.

由表4可知，當(dāng)粉膠比增大時，瀝青膠漿在低溫環(huán)境中變得更接近于玻璃態(tài)，S值明顯增大，m值減小，但以上兩個指標(biāo)的變化幅度不相同.為了更好的分析瀝青膠漿的低溫抗裂性在不同粉膠比下的變化規(guī)律，本文定義低溫系數(shù)λ，根據(jù)S值和m值進一步計算λ值，計算方法如式(1).λ值愈小，瀝青路面在低溫環(huán)境下的應(yīng)力松弛能力愈強，抵抗開裂的能力也就愈強.λ值隨粉膠比的變化情況見圖7.

圖7 低溫系數(shù)與粉膠比的關(guān)系

由圖7可知，當(dāng)粉膠比增大時，瀝青膠漿的λ值顯著增加.當(dāng)溫度為-6 ℃時，λ值增加比較平緩；當(dāng)溫度降低到-12 ℃時，λ值先快速增加，然后緩慢增加.這意味著，隨著礦粉用量的增加，不同測試溫度下瀝青膠漿的低溫抗裂性表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：-6 ℃時，瀝青膠漿的低溫抗裂性受粉膠比的影響較?。?12 ℃時，粉膠比高于1.0后，再增大摻量對瀝青膠漿低溫性能的衰減作用逐漸減小.當(dāng)粉膠比在1.0～1.3時，瀝青膠漿的低溫性能發(fā)展穩(wěn)定，當(dāng)粉膠比大于1.3，-6 ℃時瀝青膠漿的低溫性能明顯下降.針對華南地區(qū)的氣候特點，冬季路表溫度一般不會低于0 ℃，因此參考-6 ℃的BBR試驗結(jié)果，為了保證瀝青膠漿的低溫抗裂性良好，瀝青膠漿的粉膠比宜小于1.3.

(1)

總結(jié)以上試驗結(jié)果，在瀝青膠漿體系中，粉膠比的增大有利于提高瀝青膠漿的高溫性能，但會使其低溫抗裂性下降.因此粉膠比不應(yīng)過高，也不應(yīng)過低.從平衡兩者利弊的角度出發(fā)，普通瀝青膠漿的適宜粉膠比為1.0～1.3.

3 水泥與消石灰對瀝青膠漿性能的影響

采用1.2的粉膠比，水泥或消石灰替代礦粉的質(zhì)量的比例分別為20%，40%，60%，80%，進行不同溫度下的DSR與BBR試驗，分析水泥或消石灰替代礦粉對瀝青膠漿高溫性能和低溫性能的影響.

3.1 水泥與消石灰替代礦粉對瀝青膠漿高溫性能的影響

當(dāng)采用水泥或消石灰替代石灰?guī)r礦粉時，不同礦粉被替換比例的瀝青膠漿G*/sinδ和δ變化規(guī)律見圖8.

圖8 水泥或消石灰替換礦粉比例對高溫性能的影響

由圖8a)可知：

1) 隨礦粉替換比例的增加，G*/sinδ變化趨勢不斷變緩；在64 ℃時變化趨勢最為顯著，變化幅度最大，而76 ℃時變化趨勢很平緩.較低溫度時，礦粉替換量能顯著提高瀝青膠漿的高溫性能.隨試驗溫度的升高，瀝青膠漿的G*/sinδ均逐漸減小，即瀝青膠漿的高溫抗車轍性能隨溫度升高而降低.

2) 隨水泥或消石灰替換礦粉比例的增加，瀝青膠漿的G*/sinδ越大，但兩者增長幅度明顯不一.當(dāng)采用水泥替換礦粉質(zhì)量達(dá)到20%時，G*/sinδ值明顯上升，但超過20%后上升幅度明顯減緩，說明水泥用量在整個填料質(zhì)量的20%時提高瀝青膠漿高溫性能的效率較高，超過20%后效果就相對不明顯了.而添加了消石灰的瀝青膠漿的G*/sinδ則是隨著消石灰用量的增加而不斷增大，乃至當(dāng)?shù)V粉替換量為80%時G*/sinδ值為水泥礦粉瀝青膠漿的1.6倍.

由于試驗中已經(jīng)通過篩分排除填料粒徑對瀝青膠漿性能的影響，以上試驗結(jié)果的成因主要是因為水泥與消石灰的堿性較石灰?guī)r礦粉強.瀝青本身是弱酸性，帶有一定的負(fù)電荷，水泥所帶的正電荷比石灰?guī)r礦粉多，與瀝青接觸反應(yīng)更劇烈，電荷吸附作用更強，形成的膠漿的黏稠度更大，在DSR試驗中反映出來的就是G*/sinδ更高.而消石灰的堿性比水泥更強，與瀝青相互作用更大，提高瀝青膠漿高溫性能的幅度更大.

由圖8b)可知，同一溫度下瀝青膠漿的相位角隨水泥或消石灰用量的增大變化很小，變化幅度在0.5°左右，說明當(dāng)溫度較高時，水泥或消石灰用量的增大并不能改變?yōu)r青本身的黏彈性成分比例.而同一水泥或消石灰用量下瀝青膠漿在低溫時δ較小，具有較好的彈性性質(zhì)；隨著溫度的升高，δ逐漸增大，此時瀝青膠漿的黏性性質(zhì)起主要作用.

綜合圖8可以發(fā)現(xiàn)，不同溫度下瀝青膠漿的高溫性能隨水泥或消石灰用量變化的規(guī)律具有明顯的差別，水泥替代礦粉的比例超過20%時，對瀝青膠漿高溫性能的改善不再明顯.而采用消石灰替代礦粉的比例越大，其瀝青膠漿的高溫性能越好.

3.2 水泥與消石灰替代礦粉對瀝青膠漿低溫性能的影響

當(dāng)采用水泥或消石灰替代礦粉時，瀝青膠漿的BBR試驗結(jié)果見表5.低溫系數(shù)λ值隨水泥或消石灰替代礦粉比例的變化規(guī)律見圖9.

表5 不同摻量水泥、消石灰的瀝青膠漿BBR試驗結(jié)果(60 s，-6 ℃)

圖9 λ隨水泥或石灰替代礦粉比例的變化

由表5和圖9可知：

1) 當(dāng)水泥或消石灰的比例增加時，S值明顯增大，m值減小，瀝青膠漿在低溫條件下變得更加脆硬.說明水泥或消石灰替代礦粉對瀝青膠漿的低溫性能產(chǎn)生不良影響.

2) 隨著水泥或消石灰的比例增加時，瀝青膠漿的低溫系數(shù)λ顯著增大.但兩者的增加趨勢具有顯著的差異，水泥礦粉瀝青膠漿的λ值增加比較平緩，消石灰礦粉瀝青膠漿的λ值增加比較迅速.當(dāng)水泥替換礦粉的比例達(dá)到20%后瀝青膠漿的車轍因子與低溫系數(shù)不再明顯變化，而隨著消石灰替換礦粉比例的增加，瀝青膠漿的車轍因子和低溫系數(shù)持續(xù)增大.這主要因為水泥或消石灰會與瀝青中的輕質(zhì)組份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而消石灰的堿性更強，反應(yīng)更加劇烈，使得瀝青膠漿變得脆硬態(tài)，低溫抗裂性能降低.

綜上，采用水泥或消石灰替換礦粉有利于提高瀝青膠漿的高溫性能，但會使其低溫性能下降，且兩者對瀝青膠漿高低溫性能的影響具有顯著的差異.因此實際工程中應(yīng)結(jié)合工程所在地區(qū)的氣候特點、交通條件，選擇填料種類與各自的用量，在提高瀝青混合料的高溫性能的同時防止對其低溫性能造成不良影響.從水泥或消石灰替代礦粉的比例對瀝青膠漿高溫、低溫性能及經(jīng)濟性等方面考慮，采用水泥替換礦粉的比例宜不超過20%，采用消石灰替代礦粉的比例宜不超過50%.

4 結(jié) 論

1) 粉膠比對瀝青膠漿的高低溫性能影響顯著，粉膠比越大，瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性越好，但其低溫性能會受到一定程度的下降.從平衡兩者利弊的角度，普通密級配瀝青混合料的粉膠比宜控制在1.0～1.3之間.

2) 隨著水泥或消石灰替換石灰?guī)r礦粉比例的增加，瀝青膠漿的高溫性能不斷提高，但其低溫性能逐漸降低.當(dāng)水泥替換填料的比例達(dá)到20%后，瀝青膠漿的車轍因子與低溫系數(shù)變化不再顯著，而隨著消石灰替換礦粉比例的增加，瀝青膠漿的車轍因子和低溫系數(shù)持續(xù)增大.

3) 從水泥或消石灰替代礦粉的比例對瀝青膠漿高、低溫性能及經(jīng)濟性等方面考慮，采用水泥替換礦粉的比例宜不超過20%，消石灰替代礦粉的比例宜不超過50%.