磷石膏基填料對瀝青膠漿流變性能影響的研究

摘要：文章探討了廢棄磷石膏作為瀝青混合料替代填料的可行性。通過將磷石膏在60 ℃、160 ℃和800 ℃的溫度下進(jìn)行預(yù)處理后，按1∶1∶1的比例與石灰石粉末及70#瀝青結(jié)合料混合，在135 ℃的溫度下制備瀝青膠漿。開展頻率掃描（FS）、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）及線性振幅掃描（LAS）試驗，其結(jié)果顯示：磷石膏替代石灰?guī)r礦粉能降低瀝青膠漿的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，提升恢復(fù)率R，增強高溫性能和彈性；尤其在70 ℃極端高溫下，性能改善顯著。然而，研究也發(fā)現(xiàn)磷石膏的加入縮短了瀝青膠漿的疲勞壽命。總體而言，該研究可為廢棄磷石膏在瀝青填料中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瀝青結(jié)合料；磷酸膏；預(yù)處理；瀝青膠漿；流變性能

中圖分類號：TQ655" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）09-0068-04

0 引言

根據(jù)膠漿理論，瀝青混合料具有多級空間網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)特征，其中瀝青膠漿體系在這一結(jié)構(gòu)中起到的作用尤為重要［1］。作為分散體系，瀝青膠漿主要起填充空隙和膠結(jié)骨料的作用。盡管其含量在混合料中相對較低，但是對瀝青混合料的整體性能有很大的影響［2］。瀝青膠漿由瀝青和填料構(gòu)成，目前石灰?guī)r礦粉是最常用的填料。然而，隨著我國公路建設(shè)規(guī)模的擴大，部分地區(qū)面臨石灰?guī)r礦粉資源缺乏的問題，而長距離運輸不僅成本高昂，而且還難以保證填料質(zhì)量，加之環(huán)保要求的提升，眾多選礦廠關(guān)閉，導(dǎo)致石灰?guī)r礦粉成本上升。因此，開發(fā)石灰?guī)r礦粉的替代填料具有重要意義。

近年來，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)及日常生活等領(lǐng)域產(chǎn)生了大量固體廢棄物。利用回收的固體廢物作為瀝青混合料的部分填料或集料，已成為路面工程研究領(lǐng)域的熱點。例如，黃吉存［3］將固廢焦化硫膏作為填料，用于改性纖維瀝青混合料，顯著提升了其性能；李秋實［4］對含鋼渣微粉的瀝青膠漿進(jìn)行了全面試驗，認(rèn)為含粉膠比應(yīng)控制在0.6以內(nèi)；丁宇平等［5］使用?；郀t礦渣代替礦粉制備AC-13瀝青混合，發(fā)現(xiàn)料?；郀t礦渣的替代率不宜超過50%；郭兵兵等［6］使用赤泥、粉煤灰、硅藻土與瀝青混合料制備固廢瀝青膠漿，試驗研究結(jié)果顯示，3種固廢材料對瀝青的疲勞性能有一定的負(fù)面影響。這些研究表明，固體廢棄物作為瀝青混合料的填料具有較大的應(yīng)用潛力，但不同固廢材料與瀝青的作用機制及適宜的替代率存在差異。磷石膏是磷酸工業(yè)的主要副產(chǎn)品，它的主要成分為二水合硫酸鈣，如果磷石膏的堆放和處理不當(dāng)，極易引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，磷石膏的回收利用已成為重要的研究課題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對磷石膏的處理和利用方法進(jìn)行了大量研究，并成功應(yīng)用于水泥混凝土、路面水穩(wěn)基層等領(lǐng)域，有效解決了磷石膏的堆放和處理問題。劉超等［7］將磷石膏作為填料摻入水泥混凝土中發(fā)現(xiàn)，其對水泥混凝土的性能無不良影響?，F(xiàn)有研究大多將磷石膏重新用作膠結(jié)材料、改性劑和土壤添加劑，表明磷石膏作為固體廢物材料仍被廣泛利用［8］。然而，磷石膏的產(chǎn)量仍遠(yuǎn)超其使用量，并且利用率偏低，亟須探索新的回收途徑。將磷石膏作為瀝青混合料中的填料進(jìn)行再生利用，不僅可以減少對天然石灰?guī)r填料的消耗，而且還能減輕廢棄磷石膏對環(huán)境的影響。

本文對磷石膏進(jìn)行預(yù)處理，將通過不同預(yù)處理手段獲得的磷石膏與瀝青混合，制備成磷石膏基瀝青膠漿，并與礦粉瀝青膠漿進(jìn)行性能對比。通過頻率掃描試驗、MSCR試驗及LAS試驗等瀝青流變性能試驗，對比分析磷石膏基瀝青膠漿與礦粉瀝青膠漿在流變性能上的差異，為路面工程中磷石膏基填料的合理選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)固體廢棄物的資源化利用。本研究的實施有助于磷石膏在路用工程領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用，具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選用“中海”品牌的70#A級瀝青作為試驗材料，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。磷石膏購自市場并經(jīng)過預(yù)處理。根據(jù)磷石膏的結(jié)晶水狀態(tài)，將其分為3組：第一組磷石膏在60 ℃的溫度下進(jìn)行預(yù)處理，保留游離水和達(dá)到二水合物狀態(tài)，標(biāo)記為60L；第二組磷石膏在160 ℃的溫度下進(jìn)行預(yù)處理，失去1.5個結(jié)晶水，轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨衔餇顟B(tài)，標(biāo)記為160L；第三組磷石膏在800 ℃的溫度下進(jìn)行預(yù)處理，完全失去2個結(jié)晶水分子，達(dá)到無水狀態(tài)，標(biāo)記為800L。制備磷石膏瀝青膠漿的方法如下：首先將70#瀝青加熱至135 ℃，使其處于熔融狀態(tài)。其次，按1∶1的質(zhì)量比分別將3組磷預(yù)處理后的石膏摻入熔融瀝青中。使用高速剪切儀，以1 000 rpm的轉(zhuǎn)速持續(xù)剪切10 min，得到3組磷酸膏瀝青膠漿，分別標(biāo)記為60L+70#、160L+70#、800L+70#。為更好地進(jìn)行對比，另設(shè)一組石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿作為對照組，其制備過程與磷石膏瀝青膠漿相似，即將石灰?guī)r礦粉與瀝青按照1∶1的質(zhì)量比進(jìn)行摻配。

1.2 試驗方法

1.2.1 頻率掃描（FS）試驗

在20～80 ℃的溫度范圍內(nèi)，以1～100 rad/s的頻率進(jìn)行頻率掃描。基于時間-溫度等效原理，采用西格摩德（Sigmoidal）函數(shù)構(gòu)建復(fù)數(shù)剪切模量的主曲線［9］：

[α（T）=frf]" ，" " " " " " " " " " " " " " " "（1）

[αlog（G*）=v+α1+e β+γlog（fr）]" ，" " " " " " " "（2）

其中：α（T）為位移因子；fr為縮減頻率，Hz；f為頻率，Hz；G*為復(fù)數(shù)剪切模量，Pa；e為自然常數(shù)；α、β、υ、γ為擬合系數(shù)。

1.2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗

MSCR試驗分為兩個應(yīng)力階段：第一階段的加載應(yīng)力為0.1 kPa，第二階段的加載應(yīng)力為3.2 kPa。測試選取了5個溫度水平，分別為46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃和70 ℃，所有樣本在測試前均處于短期老化（RTFOT）狀態(tài)。MSCR試驗獲得的關(guān)鍵參數(shù)包括不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr、恢復(fù)率R以及應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff、Rdiff。其中，較低的Jnr表示瀝青的高溫性能更優(yōu)；較高的恢復(fù)率R表示瀝青的彈性性能更佳；而較低的應(yīng)力Jnr-diff和Rdiff表示瀝青的應(yīng)力敏感性較差。

1.2.3 線性振幅掃描（LAS）試驗

LAS試驗在25 ℃的溫度下進(jìn)行，采用應(yīng)變控制方式，選取2.5%和5%兩個應(yīng)變水平，所有樣品均處于短期老化（RTFOT）狀態(tài)。在LAS測試過程中，首先在0.1%恒定應(yīng)變下，從0.2 Hz至30 Hz進(jìn)行頻率掃描，其次在10 Hz頻率下，從0.1%至30%進(jìn)行應(yīng)變振幅掃描?；陴椥赃B續(xù)損傷（VECD）理論，可對疲勞性能進(jìn)行評估，并通過以下公式獲得疲勞壽命：

[Nf=A（γmax）-B] ，" " " " " " " " " " " " （3）

其中：[Nf]為疲勞壽命；[γmax]為最大應(yīng)變；[A]和[B]為模型的相關(guān)系數(shù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 主曲線

采用公式（1）和公式（2），將瀝青膠漿的頻率掃描結(jié)果繪制成主曲線（圖1）。圖1顯示，兩條主曲線均呈現(xiàn)連續(xù)且平滑的態(tài)勢。使用在60 ℃、160 ℃和800 ℃的溫度下進(jìn)行預(yù)處理的磷石膏制備的瀝青膠，其復(fù)數(shù)剪切模量G*值始終高于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，尤其在低頻（即高溫）范圍內(nèi)的差異最明顯。G*主曲線從低頻率向高頻率逐漸收斂，表明填料對瀝青的硬化作用在高溫條件下更為顯著。復(fù)數(shù)剪切模量G*從小到大的排序如下：石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿＜60L+70#＜160L+70#＜800L+70#，表明磷石膏瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)于石灰石礦粉膠漿。然而，在高頻（低溫）范圍內(nèi)，磷石膏瀝青膠漿的G*仍高于石灰石礦粉膠漿，這可能意味著其在疲勞和低溫性能方面劣于石灰石礦粉膠漿。值得注意的是，磷石膏預(yù)處理溫度的升高，使其瀝青膠的高溫性能改善更為明顯。

2.2 MSCR試驗

本研究選取46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃和70 ℃ 5個溫度點，對RTFOT狀態(tài)的瀝青膠漿進(jìn)行MSCR試驗，評估其蠕變恢復(fù)特性，試驗結(jié)果見圖2至圖5，結(jié)論分析如下。

（1）所有瀝青膠漿在0.1 kPa應(yīng)力下的R隨溫度升高而增大。相同溫度和應(yīng)力下，磷石膏瀝青膠漿（60L+70#、160L+70#、800L+70#）的R顯著高于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿。具體而言，在46 °C時分別提高了63%、73%、84%；在70°C時則分別提高了417%、500%、584%。這表明磷石膏作為填料能提升瀝青膠的彈性性能，并且溫度越高，性能提升越顯著。石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿在70 °C下的R接近0，意味著其變形幾乎不可恢復(fù)。

（2）溫度對瀝青膠漿的Jnr0.1有顯著影響，隨溫度升高而增大。與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿相比，磷石膏瀝青膠漿的Jnr0.1有所降低，排序為石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿gt;60L+70#gt;160L+70#gt;800L+70#。Jnr3.2與Jnr0.1的變化趨勢相似，加載應(yīng)力增大導(dǎo)致Jnr增大。用處理后的磷石膏替代石灰?guī)r填料可有效降低Jnr，表明磷石膏更利于抵抗高溫永久變形，滿足更苛刻的交通荷載需求。

（3）Rdiff和Jnrdiff通常用于評估彈性穩(wěn)定性和不可恢復(fù)變形的應(yīng)力敏感性，兩者均隨溫度升高而增大，反映了在高溫下瀝青膠漿彈性穩(wěn)定性降低，不可恢復(fù)永久變形的應(yīng)力敏感性增強，非線性行為更顯著。填料類型對彈性穩(wěn)定性和應(yīng)力敏感性的影響很小。綜合考慮恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿相比，磷石膏瀝青膠漿具有更優(yōu)秀的抵抗永久變形能力。

（4）在46～70 ℃的溫度范圍內(nèi)，磷石膏瀝青膠漿始終表現(xiàn)出較高的R和較低的Jnr，并且磷石膏預(yù)處理溫度升高的特征更明顯。因此，與石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿相比，磷石膏瀝青膠漿更適合在高溫、高應(yīng)力條件下使用。

2.3 LAS試驗

LAS試驗獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6，其中瀝青膠漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一個峰值，其橫縱坐標(biāo)分別代表屈服應(yīng)變和屈服應(yīng)力。800L+70#具有最大的屈服應(yīng)力和最小的屈服應(yīng)變，而60L+70#、160L+70#和石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿具有相似的屈服應(yīng)力，但屈服應(yīng)變差異顯著。隨著磷石膏預(yù)處理溫度的升高，瀝青膠漿峰值應(yīng)力對應(yīng)的屈服應(yīng)變減小，表明其韌性降低。值得注意的是，磷石膏瀝青膠漿的應(yīng)力增長速度快于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿。由于應(yīng)力-應(yīng)變曲線僅能提供填料類型對瀝青膠漿疲勞性能的定性評估，而損傷特征曲線能明確材料在加載過程中的損傷演化和疲勞性能的基本特征［10］，因此本研究基于黏彈性連續(xù)損傷理論（VECD），采用損傷特征曲線進(jìn)行深入分析。

LAS試驗中完整性指數(shù)和累積損傷之間的損傷特征曲線關(guān)系見圖7。在相同完整性指數(shù)下，石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿的累積損傷最高，而800L+70的累積損傷最低，表明磷石膏相的疲勞性能相較于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿有所下降。預(yù)測疲勞壽命（Nf）在2.5%和5.0%兩個不同應(yīng)變水平下計算得出，分別對應(yīng)于小交通荷載路面和大交通荷載路面。疲勞壽命計算結(jié)果見圖8，不同應(yīng)變水平下的Nf存在顯著差異，并且Nf隨應(yīng)變增加而急劇下降。各類瀝青膠漿的疲勞壽命排序為石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿gt;60 L+70#gt;160 L+70#gt;800 L+70#。因此，磷石膏降低了瀝青膠漿的疲勞壽命，并且預(yù)處理溫度越高，疲勞壽命降低趨勢越明顯。

3 結(jié)論

工業(yè)固體廢棄物磷石膏是一種經(jīng)濟的填料，本研究探索了其作為瀝青填料的潛在應(yīng)用前景。通過流變學(xué)分析，研究了磷石膏在不同預(yù)處理溫度下，制備的瀝青膠漿，在不同溫度下的性能變化，得出結(jié)論如下。

（1）不同填料制備的瀝青膠漿具有不同的黏彈特性。磷石膏瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量高于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，表明磷石膏增強了瀝青膠漿的高溫性能，并且隨著磷石膏預(yù)處理溫度的升高，這種增強效果更顯著。

（2）相較于石灰?guī)r礦粉瀝青膠漿，磷石膏的加入降低了瀝青膠漿的疲勞壽命，并且磷石膏預(yù)處理溫度的升高加劇了疲勞壽命的降低趨勢。這歸因于磷石膏在瀝青中的硬化作用和顆粒填充作用。

綜上所述，相較于石灰?guī)r礦粉，磷石膏作為瀝青膠漿填料在提升高溫性能方面展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，但它的加入會對瀝青膠漿的疲勞性能造成不利影響，因此在實際應(yīng)用中需合理控制磷石膏的摻量，避免摻量過高導(dǎo)致性能下降。

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*中國智慧工程研究會職業(yè)素養(yǎng)專業(yè)委員會重點課題“公路路基路面的試驗檢測技術(shù)實施要點研究”（ZHGC85032）。

【作者簡介】張漢毅，男，廣西南寧人，本科，工程師，研究方向：道路工程。

【引用本文】張漢毅.磷石膏基填料對瀝青膠漿流變性能影響的研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：68-71.