石灰?guī)r礦粉性質(zhì)對(duì)瀝青膠漿性能的影響因素及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

王 龍，馬海龍，王天偉，彭海東

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 黑龍江省交通投資集團(tuán)有限公司,哈爾濱 150060；3. 東北林業(yè)大學(xué) 工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，哈爾濱 150001)

對(duì)于季凍區(qū)，不僅存在春、秋季節(jié)的凍融循環(huán)作用，而且夏季炎熱多雨，相比非季凍地區(qū)，對(duì)瀝青混合料耐久性的要求更高[1]，而作為填料的礦粉，其物理化學(xué)性質(zhì)影響其與瀝青中酸性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)，進(jìn)而影響瀝青混合料的耐久性[2]；然而，相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)礦粉的技術(shù)要求極為簡(jiǎn)單，僅給出了級(jí)配、塑性指數(shù)和親水系數(shù)等物理指標(biāo)的技術(shù)要求[3]，而影響瀝青膠漿性能的因素不僅僅是礦粉的物理性質(zhì)，其主要化學(xué)成分的含量更是主要因素[4]。因此有必要研究礦粉的物理、化學(xué)性質(zhì)在凍融循環(huán)作用下對(duì)瀝青膠漿性能的影響，根據(jù)其影響的幅度，確定出礦粉的主要物理、化學(xué)指標(biāo)的排序，并采用隨機(jī)森林法分析影響膠漿性能的主導(dǎo)因素，從瀝青材料的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)和流變性能等方面揭示礦粉的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)瀝青膠漿耐久性的影響規(guī)律，進(jìn)而提出季凍區(qū)瀝青混合料用石灰?guī)r礦粉各指標(biāo)的技術(shù)要求。

1 試驗(yàn)方法與材料

1.1 試驗(yàn)方法

石灰?guī)r礦粉中化合物的成分采用XRD(X-ray diffraction)射線衍射光譜進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)譜圖中峰的高度來(lái)確定礦粉中各結(jié)晶成分的含量，采用氮吸附比表面積及孔徑分析儀來(lái)測(cè)試不同礦粉的比表面積，應(yīng)用傅里葉紅外光譜FTIR 測(cè)試，判斷瀝青膠漿在凍融過(guò)程中官能團(tuán)含量的變化[5-7]，采用原子力顯微鏡AFM測(cè)試其表面微觀特性[8-9]，采用旋轉(zhuǎn)剪切流變儀DSR，研究礦粉的物理化學(xué)性質(zhì)瀝青膠漿性能的影響。根據(jù)瀝青膠漿的制備和凍融循環(huán)試驗(yàn)的相關(guān)研究[10-12]，確定瀝青膠漿的制備方法如下：配制粉膠比為0.8的瀝青膠漿，先用玻璃棒攪拌瀝青膠漿10 min，再利用電力攪拌器攪拌15 min，然后在直徑為50 mm、深度為 10 mm 鋁皿中一次性澆筑成型，將鋁皿置于冰箱和水浴箱中，完成凍融循環(huán)試驗(yàn)條件的模擬；膠漿凍結(jié)的溫度為-20 ℃±1 ℃，凍結(jié)時(shí)間為16 h，融化溫度為20 ℃±1 ℃，融化時(shí)間為8 h，一次凍融循環(huán)時(shí)間為24 h，對(duì)經(jīng)過(guò)0、5、10、15次凍融循環(huán)的瀝青膠漿進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)材料

瀝青膠漿采用安達(dá)90號(hào)基質(zhì)瀝青，因基質(zhì)瀝青更容易受到老化的作用，從而更容易分析礦粉性質(zhì)對(duì)其性能的影響，表1為瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 基質(zhì)瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

采用4種產(chǎn)地的礦粉，用比表面積(SSA)、塑性指數(shù)(IP)、細(xì)度指數(shù)(X90)和CaCO3含量(CC)來(lái)表征礦粉的物理化學(xué)指標(biāo)，不同礦粉的物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2，可以看出，金泰礦粉的CaCO3含量最高為90%，山林礦粉的最低為60%。

表2 不同產(chǎn)地礦粉物理化學(xué)性質(zhì)

2 礦粉性質(zhì)對(duì)膠漿化學(xué)組成的影響

利用傅里葉紅外光譜分析圖中吸收峰的位置可以判斷物質(zhì)中所含的化學(xué)基團(tuán)的種類，而吸收峰高度的大小表示化學(xué)基團(tuán)含量的多少；由于瀝青膠漿不透明，因此采用反射方法，樣品的制備采用溴化鉀(KBr)壓片法，試驗(yàn)采用PERKINELMER公司的傅里葉紅外光譜儀，紅外光譜的波數(shù)為650～4 000 cm-1。

對(duì)基質(zhì)瀝青和不同礦粉下的瀝青膠漿在未凍融和15次凍融的試樣進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)，部分紅外光譜如圖1所示，根據(jù)紅外光譜圖對(duì)比得到的各瀝青膠漿官能團(tuán)含量變化見(jiàn)表3。

根據(jù)圖1和表3的數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：1)摻入礦粉之后的瀝青并沒(méi)有產(chǎn)生新的特征峰，只是某些官能團(tuán)的含量發(fā)生了變化，說(shuō)明礦粉的加入短期內(nèi)并沒(méi)有與瀝青產(chǎn)生新的化合物，但是發(fā)生了一定的化學(xué)反應(yīng)，影響了官能團(tuán)的含量。2)根據(jù)瀝青老化理論，瀝青老化的主要原因是亞砜基和羰基的增加，從表3可以發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青和山林礦粉瀝青膠漿中的亞砜基有所提高，產(chǎn)生了老化現(xiàn)象，而基質(zhì)瀝青和山林礦粉的 CaCO3偏低(分別為0和60%)，而其他3種礦粉的膠漿未發(fā)生老化現(xiàn)象，說(shuō)明高CaCO3含量的礦粉(CC>70%)能夠減小瀝青膠漿的凍融老化。3)基質(zhì)瀝青、年豐瀝青膠漿中，位于1 376 cm-1、1 456 cm-1處的非對(duì)稱脂肪族化合物含量下降，這與自由基的反應(yīng)機(jī)理是吻合的，即輕組分產(chǎn)生了裂化與揮發(fā)。

圖1 基質(zhì)瀝青與瀝青膠漿凍融前后紅外光譜

表3 基質(zhì)瀝青及膠漿官能團(tuán)凍融作用前后含量變化

綜上所述，礦粉的加入會(huì)與瀝青產(chǎn)生反應(yīng)，但不會(huì)形成新的官能團(tuán)。礦粉中的CaCO3會(huì)與瀝青中的酸酐反應(yīng)，阻礙瀝青的凍融損傷，而且不同的CaCO3含量對(duì)瀝青的影響不同，如金泰礦粉中的CaCO3含量最高，含量為90%，所以其阻礙官能團(tuán)變化的作用最好。山林礦粉的CaCO3含量較低，為60%，而且其比表面積最小，粒徑較大，導(dǎo)致反應(yīng)的接觸面積小，反應(yīng)較弱，所以其不能阻止造成瀝青老化的主要產(chǎn)物亞砜基的生成。因此，從瀝青老化上考慮，礦粉的CaCO3含量不應(yīng)低于60%。

3 礦粉性質(zhì)對(duì)膠漿表面特性的影響

經(jīng)過(guò)凍融損傷之后，瀝青膠漿表面的粗糙度、彈性模量以及黏附力會(huì)產(chǎn)生很大的變化，采用原子力顯微鏡AFM掃描未凍融和凍融15次瀝青膠漿的表面形貌圖以及力曲線信息，建立表面形態(tài)、力學(xué)指標(biāo)與礦粉性質(zhì)之間的關(guān)系，揭示瀝青與礦粉的交互作用機(jī)理，確定礦粉的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 礦粉性質(zhì)對(duì)膠漿表面形貌的影響

試驗(yàn)中每個(gè)掃描點(diǎn)的掃描范圍為20 μm×20 μm，每個(gè)試樣掃描6個(gè)點(diǎn)。利用NanoScope Analysis 軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2和圖3分別為基質(zhì)瀝青和年豐瀝青膠漿未凍融和凍融15次的微觀形貌圖。

圖2 基質(zhì)瀝青凍融前后微觀形貌

圖3 年豐瀝青膠漿凍融前后微觀形貌

從圖2和圖3中可以看出，基質(zhì)瀝青和瀝青膠漿在經(jīng)過(guò)凍融老化之后的表面高低起伏發(fā)生了變化，參考粗糙度國(guó)際參數(shù)[13-14]，選取Ra評(píng)價(jià)瀝青膠漿表面的粗糙度，計(jì)算公式如式(1)所示，不同礦粉下瀝青膠漿在凍融循環(huán)前后的粗糙度及其降低幅度ΔRa見(jiàn)表4，瀝青膠漿在凍融循環(huán)前后Ra的變化如圖4所示。

(1)

式中：Ra為瀝青膠漿表面的粗糙度，nm；N為所選范圍內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采樣數(shù)；Z為表面上某一點(diǎn)相對(duì)于顯微鏡運(yùn)行狀態(tài)下的高度值，可為負(fù)值，nm。

表4 瀝青與瀝青膠漿凍融前后的表面粗糙度及其變化

(a)凍融前后粗糙度的對(duì)比 (b)粗糙度下降幅度與CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

從圖4(a)中可以看出，凍融前后瀝青膠漿的表面粗糙度均大于基質(zhì)瀝青表面粗糙度，說(shuō)明摻入礦粉后，凍融前后瀝青膠漿與集料的黏附性均有很大的提升，平均提升的幅度分別為20%和40%，主要原因是礦粉的摻入后，礦粉與瀝青發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，降低了瀝青膠漿的凍融損傷，但凍融后，瀝青膠漿的表面粗糙度均小于凍融前，降低幅度在3%～20%之間，說(shuō)明在季凍區(qū)的瀝青路面比非季凍區(qū)更容易發(fā)生水損害，對(duì)于季凍區(qū)的瀝青混合料，其礦粉的質(zhì)量要求應(yīng)高于非季凍區(qū)。圖4(b)為礦粉CaCO3含量與膠漿粗糙度下降幅度的關(guān)系，可以看出，凍融15次后，粗糙度的下降幅度與CaCO3含量呈拋物線下降趨勢(shì)，當(dāng)以粗糙度的下降幅度為5%作為標(biāo)準(zhǔn)，則要求季凍區(qū)礦粉中CaCO3含量不應(yīng)小于85%，結(jié)合圖4(a)中年豐和金泰礦粉凍融前后粗糙度的變化可知，金泰礦粉瀝青膠漿凍融后的粗糙度與年豐礦粉凍融前的粗糙度相當(dāng)，說(shuō)明季凍區(qū)礦粉中CaCO3含量應(yīng)平均增加10%，其應(yīng)用效果才能與非季凍區(qū)相一致。

3.2 礦粉性質(zhì)對(duì)瀝青膠漿表面力學(xué)性質(zhì)的影響

采用原子力顯微鏡AFM對(duì)不同的瀝青膠漿進(jìn)行表面力曲線掃描，瀝青膠漿的彈性模量結(jié)果如圖5和圖6所示。圖7(a)為凍融循環(huán)后瀝青膠漿的彈性模量的變化圖，由圖可知，在沒(méi)有凍融的情況下，瀝青膠漿的彈性模量在摻入礦粉之后均有一定程度的提高，但提升的幅度不大，平均提升了12%左右，其中金泰礦粉提升的幅度最高，為16%，因?yàn)槠銫aCO3含量高，比表面積較大，加速了其與瀝青的反應(yīng)，形成高模量物質(zhì)較多。在凍融15次以后，模量均有較大程度的提高，嫩江和年豐礦粉所含有的CaCO3含量都比較低，所以其彈性模量的變化幅度較大，分別為35.6%和32.1%，山林礦粉CaCO3含量最低，且比表面積較小，所以其彈性模量變化也較大，為30.2%，而金泰礦粉的CaCO3含量最高，比表面積大，與瀝青的相互作用能力較強(qiáng)，所以其未凍融的彈性模量較大，但在凍融作用下，模量增加的幅度最小，為17.3%，說(shuō)明礦粉的CaCO3含量越高，比表面積越大，瀝青膠漿抗凍融效果越好，性能越穩(wěn)定。圖7(b)為礦粉CaCO3含量與表面模量提升幅度的關(guān)系，可以看出，二者呈拋物線關(guān)系，當(dāng)提升幅度控制在25%以內(nèi)時(shí)，礦粉CaCO3含量應(yīng)大于85%。

(a)未凍融 (b)15次凍融

(a)未凍融 (b)15次凍融

(a)彈性模量 (b)彈性模量提升幅度

瀝青與集料界面黏附性的好壞，除了與兩種材料的表面形貌有關(guān)，還直接取決于其表面的黏附力[15-17]。目前對(duì)瀝青與集料表面黏附狀態(tài)主要是通過(guò)宏觀的物理實(shí)驗(yàn)來(lái)表征，例如水煮法、水浸法等，但采用瀝青膠漿表面的黏附力來(lái)評(píng)判礦粉的摻入對(duì)瀝青的黏附性的影響更為科學(xué)。摻入礦粉后瀝青膠漿的黏附力測(cè)試結(jié)果變化如圖8所示。

(a)黏附力 (b)黏附力下降幅度

從圖8(a)可以看出，在凍融前，礦粉的摻入，會(huì)大幅度增加瀝青膠漿的表面黏附力，這是因?yàn)榈V粉的加入使瀝青內(nèi)部分子排列更加緊密，會(huì)使瀝青膠漿產(chǎn)生“加筋”效應(yīng)，同時(shí)礦粉與瀝青之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，增加了瀝青膠漿表面的黏附力，根據(jù)礦粉物理化學(xué)性質(zhì)的不同，提升幅度在75%～200%之間，平均提升150%；山林礦粉的顆粒最粗，所以其加筋效果最弱，初始的黏附力也最小，而嫩江和年豐礦粉較細(xì)，所以初始的黏附力最高；經(jīng)15次凍融循環(huán)作用后，各瀝青膠漿的黏附力均有所降低，下降幅度在17%～30%之間，平均幅度為25%，其原因主要是由于瀝青受到凍融損傷的影響，瀝青的化學(xué)組成會(huì)發(fā)生變化，而瀝青的物理性質(zhì)受到化學(xué)組成的影響，凍融損傷后，瀝青硬質(zhì)組分增加，黏附性降低，所以其黏附力降低。從圖8(b)可以看出，凍融循環(huán)后瀝青膠漿黏附力下降幅度與CaCO3含量成反比，CaCO3含量越高，黏附力下降幅度越小；而細(xì)度也是影響下降幅度的因素，嫩江、山林、年豐礦粉生成的瀝青膠漿下降趨勢(shì)相差不大，原因是由于在凍融循環(huán)作用下，礦粉細(xì)度對(duì)黏附力變化的影響變小，主要影響?zhàn)じ搅ψ兓氖堑V粉與瀝青之間的化學(xué)反應(yīng)，而嫩江礦粉與年豐礦粉的CaCO3含量均較低，所以礦粉與瀝青的反應(yīng)弱，山林礦粉則是因?yàn)楸缺砻娣e影響到了其反應(yīng)程度，金泰瀝青膠漿變化幅度最小，是由于其較高的CaCO3含量和較大的比表面積，即細(xì)度或比表面積影響瀝青與礦粉的反應(yīng)速度，而CaCO3含量影響反應(yīng)深度；當(dāng)黏附力下降的幅度小于25%時(shí)，礦粉的CaCO3含量不應(yīng)小于80%。

4 礦粉性質(zhì)對(duì)瀝青膠漿流變性能的影響

動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR能夠測(cè)量瀝青或?yàn)r青膠漿在特定溫度以及加載頻率下的流變性能，主要指標(biāo)有復(fù)數(shù)剪切模量、相位角和車轍因子。采用不同凍融循環(huán)次數(shù)的瀝青膠漿進(jìn)行 DSR 試驗(yàn)，以應(yīng)變控制模式，溫度掃描在30～60 ℃之間，溫度步長(zhǎng)為10 ℃，角頻率為0.01～100 rad/s[18]。

4.1 主曲線分析

復(fù)數(shù)模量G*大小能夠反映出瀝青(膠漿)抵抗剪切和變形的能力，復(fù)數(shù)模量越大，其抵抗變形的能力越強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性就越好，圖9為典型瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量主曲線，圖10為不同瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量和相位角變化曲線。

圖10(a)是不同瀝青膠漿在60 ℃、1 Hz頻率下的復(fù)數(shù)模量，根據(jù)圖形可以看出，加入礦粉后，無(wú)論凍融前后，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量均勻很大的提升，但由于礦粉的性質(zhì)不同，提升的狀況也不盡相同。從復(fù)數(shù)模量曲線的縱向分布看，根據(jù)CaCO3的含量復(fù)數(shù)模量變化曲線可分為兩類，第1類當(dāng)CaCO3含量較高時(shí)(年豐和金泰礦粉的CC分別為80%和90%)，其復(fù)數(shù)模量曲線處于高位，第2類當(dāng)CaCO3含量較低時(shí)(山林和嫩江礦粉的CC分別為60%和70%)，其復(fù)數(shù)模量曲線處于低位，兩類曲線復(fù)數(shù)模量平均相差400 Pa，說(shuō)明礦粉CaCO3含量對(duì)于提高瀝青膠漿的流變性能至關(guān)重要。年豐與山林瀝青膠漿在凍融循環(huán)次數(shù)較低的時(shí)候復(fù)數(shù)模量增加較小，但是在凍融次數(shù)超過(guò)10次之后，復(fù)數(shù)模量增加較大，年豐礦粉形成的瀝青膠漿增長(zhǎng)的較快原因是因?yàn)槠渌苄灾笖?shù)較大，所以其后面的增長(zhǎng)速度較大，山林礦粉變化大的主要原因是比表面積小，與瀝青之間的交互作用小，難以阻礙瀝青在凍融作用下瀝青的老化。金泰瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量增加幅度較小，說(shuō)明金泰瀝青膠漿的耐凍融性較好。因此，礦粉的化學(xué)性質(zhì)、CaCO3含量、比表面積和IP均對(duì)瀝青膠漿的凍融循環(huán)穩(wěn)定性均有較大的影響。

(a)基質(zhì)瀝青 (b)嫩江瀝青膠漿 (c)金泰瀝青膠漿

(a)復(fù)數(shù)模量 (b)相位角

瀝青材料中，相位角δ反應(yīng)了瀝青膠漿的黏彈性成分比例，相位角越大，瀝青膠漿的黏性成分越大，當(dāng)δ趨近于90°時(shí)，表明此時(shí)的瀝青已經(jīng)是完全的黏性流體。瀝青膠漿的相位角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖10(b)所示，可以看出，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)之后，瀝青膠漿基體變硬，彈性成分增加，因此相位角隨之呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，山林礦粉5次凍融循環(huán)后下降的幅度最大，而金泰的減少幅度最小，性能最穩(wěn)定。

4.2 瀝青膠漿的高溫及疲勞性能分析

G*/sinδ車轍因子是瀝青的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，其數(shù)值愈大，表明瀝青或膠漿的抗高溫能力越好，對(duì)經(jīng)過(guò)不同凍融次數(shù)的瀝青膠漿進(jìn)行頻率掃描，選取連續(xù)正弦交變荷載，得到1 Hz頻率下60 ℃的車轍因子、疲勞因子，所得結(jié)果圖11所示。從圖中可以看出，不同的瀝青膠漿的車轍因子有所差異，而且瀝青膠漿在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的凍融循環(huán)之后，抗高溫性能有所上升，但是趨勢(shì)有所不同，也體現(xiàn)了礦粉性質(zhì)對(duì)瀝青膠漿性能變化的影響。車轍因子上升的主要原因是瀝青在凍融作用后，其模量增加導(dǎo)致其抵抗變形的能力增強(qiáng)。

(a)車轍因子 (b)疲勞因子

同種瀝青膠漿的疲勞因子與車轍因子的變化規(guī)律相同，均隨著凍融次數(shù)的增多而增大。但是疲勞因子越大，瀝青的抗疲勞特性越差，因此隨著凍融次數(shù)的增多，雖高溫穩(wěn)定性有所增加，但抗疲勞性能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中山林和年豐礦粉瀝青膠漿在凍融10次以后呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，其余礦粉形成的瀝青膠漿變化速率與基質(zhì)瀝青相當(dāng)。

結(jié)合圖10、11可以發(fā)現(xiàn)，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量、車轍因子、疲勞因子的變化規(guī)律基相同。礦粉的SSA和CC對(duì)膠漿的性能具有重要的影響，礦粉的SSA越大，CC越高，膠漿的復(fù)數(shù)模量、車轍因子越大，高溫性能越好，但抗疲勞性能和黏結(jié)性能會(huì)有所降低，說(shuō)明礦粉增加礦粉的SSA和CC至關(guān)重要，現(xiàn)有的礦粉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)增加這兩項(xiàng)指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦粉母巖(CaCO3含量)選材和生產(chǎn)工藝(比表面積)的約束。

5 基于凍融循環(huán)的石灰?guī)r礦粉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

5.1 礦粉技術(shù)指標(biāo)排序

利用隨機(jī)森林方法[19]，采用python軟件對(duì)礦粉的物理化學(xué)指標(biāo)與膠漿性能的變化進(jìn)行相關(guān)性分析，判斷礦粉性質(zhì)與瀝青膠漿性能變化的關(guān)聯(lián)性，以此提出礦粉技術(shù)指標(biāo)排序。通過(guò)分析表明，礦粉指標(biāo)重要性的排序結(jié)果：比表面積>CaCO3含量>塑性指數(shù)>細(xì)度指標(biāo)，且具有一致性。

根據(jù)排序結(jié)果可以看出，比表面積對(duì)瀝青膠漿的耐凍融性影響最為顯著，而CaCO3的含量次之，因?yàn)楸缺砻娣e的大小直接決定礦粉與瀝青的接觸面積，接觸面積越大，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)瀝青越多，瀝青膠漿的黏聚力就越強(qiáng)。瀝青膠漿的粗糙度、黏附力與彈性模量等性能與礦粉中的CaCO3含量也具有很大的關(guān)系，CaCO3含量越高，礦粉中的Ca離子就越多，能夠與瀝青產(chǎn)生化學(xué)吸附而形成較多的化學(xué)鍵，化學(xué)鍵結(jié)合力越大，進(jìn)而影響到瀝青的表面形貌以及微觀力學(xué)性質(zhì)變化，從而阻止瀝青的組分在凍融循環(huán)的作用下產(chǎn)生凍融損傷，但這個(gè)化學(xué)過(guò)程較慢，短時(shí)間內(nèi)的效果沒(méi)有比表面積的作用效果顯著。礦粉的細(xì)度指標(biāo)以及塑性指數(shù)由于對(duì)瀝青與礦粉的相互作用影響較小，對(duì)瀝青膠漿的作用效果并不是特別明顯。以上的分析表明，礦粉的SSA的越大和CC越大，瀝青膠漿的耐凍融性越好，同時(shí)也應(yīng)該控制礦粉的IP在一定的等級(jí)以上，且礦粉的IP必須與礦粉比表面積相對(duì)應(yīng)。

5.2 季凍區(qū)瀝青混合料礦粉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

礦粉的特性主要由料源特性和加工特性兩個(gè)方面決定。料源特性決定礦粉的巖性、密度、酸堿性、有效礦物含量等；但宕口的巖石材質(zhì)不均勻并會(huì)有雜質(zhì)，均會(huì)影響礦粉與瀝青反應(yīng)的深度；而加工特性會(huì)影響礦粉細(xì)度、比表面積和雜質(zhì)的含量，這些會(huì)影響礦粉與瀝青的反應(yīng)速率。因此，礦粉的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含對(duì)母巖和礦粉兩部分要求。

在料源的基本要求方面，規(guī)范要求采用“石灰?guī)r或巖漿巖強(qiáng)基性巖石等憎水性石料磨細(xì)的礦粉”，較為粗略，因此建議季凍區(qū)路用礦粉宜采用“石灰?guī)r母巖且母巖的黏附性應(yīng)達(dá)到五級(jí)”，原因有3點(diǎn):一是石灰?guī)r的分布廣，便于開(kāi)采，而強(qiáng)基巖漿巖儲(chǔ)量相對(duì)較少；二是石灰?guī)r比較軟，便于加工到規(guī)定的細(xì)度，而巖漿巖硬度相對(duì)較高，不易加工；三是石灰?guī)r內(nèi)SiO2的含量極少，屬于堿性，而強(qiáng)基的巖漿巖SiO2含量一般為30%～53%，接近中性。就礦粉而言，從亞砜基的生成來(lái)講，CaCO3含量不應(yīng)小于60%，從對(duì)膠漿表面力學(xué)性能影響上，CaCO3含量不應(yīng)小于85%，有效成分要求越高，對(duì)母巖和加工工藝要求就越高，因此CaCO3含量的技術(shù)要求應(yīng)結(jié)合公路等級(jí)按級(jí)別給出，以體現(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)原則。

礦粉的粒度分布是瀝青混合料中細(xì)集料級(jí)配的進(jìn)一步完善與延續(xù)，適當(dāng)?shù)牧６确植寄軌驕p小瀝青混合料的空隙率，形成結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的瀝青混合料，以抵抗變形的影響。因此對(duì)礦粉的粒度分布有一定的技術(shù)指標(biāo)要求。結(jié)合對(duì)礦粉的粒度分布的研究，將礦粉的粒度分布按照90%通過(guò)率的粒徑作為指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。

由于來(lái)自不同產(chǎn)地的巖石的狀態(tài)不同，采用的加工參數(shù)也有所不同，加工之后礦粉的表面粗糙度以及棱角性也會(huì)迥異；礦粉的比表面積是礦粉的粒度分布、粗糙度以及棱角性的綜合體現(xiàn)，能夠影響到礦粉與瀝青的接觸面積的大小，從而影響到瀝青與礦粉的黏結(jié)性，因此有必要對(duì)礦粉的比表面積進(jìn)行指標(biāo)的分級(jí)。

礦粉的塑性指數(shù)不僅與所含雜質(zhì)成分有關(guān)，還與礦粉的細(xì)度有關(guān)。礦粉在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該首先將巖石表面的覆蓋物清理干凈，特別是泥土。當(dāng)泥土清理不干凈時(shí)，生產(chǎn)出來(lái)的礦粉的塑性指數(shù)就會(huì)因?yàn)楹羞^(guò)多的親水礦物而塑性指數(shù)偏大，因此應(yīng)該對(duì)礦粉生產(chǎn)工藝嚴(yán)格控制。

圖12(a)為塑性指數(shù)IP與X90的關(guān)系，而圖12(b)為塑性指數(shù)IP與SSA的關(guān)系，從兩張圖上可以看出，塑性指數(shù)與二者呈線性關(guān)系，即IP隨著細(xì)度X90的增加遞減，IP隨著比表面積的增加而遞增，這說(shuō)明塑性指數(shù)IP并不是與礦粉中的雜質(zhì)或者蒙脫石的含量呈單一關(guān)系，IP是礦粉中的親水物質(zhì)、細(xì)度和比表面積的綜合反映，在現(xiàn)行規(guī)范中，要求IP≤4%的技術(shù)要求，應(yīng)隨著礦粉的細(xì)度或者比表面積的變化而調(diào)整，如當(dāng)?shù)V粉的比表面積增加時(shí)，IP可適當(dāng)增加，當(dāng)?shù)V粉的比表面積減少時(shí)，IP可適當(dāng)減小。

綜合上述分析，結(jié)合礦粉中的CaCO3含量、比表面積對(duì)瀝青膠漿凍融損傷的影響，將石灰?guī)r礦粉分為4個(gè)等級(jí)，礦粉的綜合分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5，礦粉母巖要求90號(hào)基質(zhì)瀝青的黏附性不小于5級(jí)，為了方便礦粉生產(chǎn)企業(yè)控制細(xì)度，同時(shí)給出了不同等級(jí)礦粉的目數(shù)要求，其他技術(shù)指標(biāo)則可遵循現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)要求。

(a)IP與X90的關(guān)系 (b)IP與SSA的關(guān)系

表5 礦粉的綜合分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié) 論

1)礦粉的摻入能夠改善瀝青膠漿的凍融老化性能，凍融循環(huán)后礦粉CaCO3含量與膠漿粗糙度下降幅度、表面模量提升幅度呈拋物線下降趨勢(shì)，與瀝青膠漿黏附力呈直線下降關(guān)系，礦粉的加入使凍融循環(huán)后的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能變化幅度降低，季凍區(qū)石灰?guī)r礦粉的CaCO3含量不應(yīng)低于85%。

2)季凍區(qū)的瀝青路面比非季凍區(qū)更容易發(fā)生水損害，為平衡季凍區(qū)和非季凍區(qū)的性能，季凍區(qū)比非季凍區(qū)礦粉平均增加10%的CaCO3含量。

3)隨機(jī)森林方法分析表明，礦粉的物理化學(xué)指標(biāo)對(duì)膠漿性能變化影響的重要性：比表面積>CaCO3含量>塑性指數(shù)>細(xì)度指標(biāo)，比表面積影響瀝青與礦粉的反應(yīng)速度，而CaCO3含量影響反應(yīng)深度。

4)基于礦粉物理化學(xué)指標(biāo)對(duì)瀝青膠漿凍融損傷的影響，提出了礦粉母巖要求與礦粉的綜合分級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。