凝灰巖礦粉與石灰巖礦粉瀝青膠漿性能的對比

謝 博，楊 濤，關宏信，徐澤人

（1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004；2.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江溫州 325038）

由礦粉和瀝青組成的瀝青膠漿是瀝青混合料最重要的一種組成部分，雖然礦粉的用量在瀝青混合料中所占的比重并不大，但礦粉種類的改變可以導致瀝青混合料路用性能產生很大的變化。瀝青路面作為一種無接縫的連續式柔性路面，以其行車平穩、揚塵小、噪音小、養護方便以及能夠回收利用等優點在高速公路建設中占據了主導地位。瀝青路面的使用性能和壽命取決于所采用瀝青混合料的質量，因此，對瀝青混合料的研究已成為許多學者關注的焦點。瀝青混合料是由粗集料、細集料、瀝青及填料按一定比例組成的具有多級空間網狀膠凝結構的混合物，瀝青通過與集料、填料粘結在一起共同作用［1］。但是，長期以來，人們只重視對瀝青的研究，試圖將瀝青材料的技術性能與混合料的技術性能掛鉤，卻忽略了填料作為混合料的一部分，它起到重要的分散和粘結作用［2］。

填料通過與瀝青材料的相互作用組成的瀝青膠漿來實現其對瀝青混合料起到的粘結和填充空隙的作用。在相同瀝青用量的條件下，優質填料與瀝青相互作用的比表面積越大［3］，填料顆粒之間的粘結力就越大，對提高瀝青混合料的強度就越好。目前，中國使用最多的填料是石灰巖礦粉，但是，隨著高速里程的增加，優質填料并非取之不盡用之不竭，因此開發和尋找新的石料產品來補充現有材料的短缺具有重要的意義。作者擬以浙江地區的凝灰巖作為研究對象，對凝灰巖瀝青膠漿進行常規實驗、動態剪切流變試驗（DSR）和彎曲梁流變試驗（BBR），探究凝灰巖與優質石灰巖礦粉性能的優劣。

1 原材料

1.1 瀝青

采用70＃基質瀝青和SBS改性瀝青，其性能指標分別見表1，2。

表1 70＃基質瀝青性能指標Table 1 Performance indicators of 70＃basic asphalt

表2 SBS改性瀝青性能指標Table 2 Performance indicators of SBS modified asphalt

1.2 礦粉

選用溫州施工現場的凝灰巖礦粉和河北施工現場的石灰巖礦粉，其性能指標見表3。從表3中可以看出，2種礦粉的常規指標均符合規范的技術要求。

表3 凝、石灰巖礦粉性能指標Table 3 Performance indicators of the tuff and limestone powder

2 瀝青膠漿常規性能試驗及結果分析

將70＃基質瀝青和SBS改性瀝青分別與凝灰巖礦粉和石灰巖礦粉組成的瀝青膠漿按粉膠比0.6，0.9和1.2進行常規的針入度和軟化點試驗。

2.1 針入度試驗結果與分析

基質瀝青和SBS改性瀝青在不同填充料瀝青膠漿針入度的比較分別如圖1，2所示。

從圖1，2中可以看出：①與同類別瀝青相比，瀝青膠漿的針入度都要小得多，如：25℃時，基質瀝青的針入度可達到66，而凝灰巖礦粉瀝青膠漿在粉膠比0.9時，針入度只有36.4。由此可見，加入礦粉填充料之后，瀝青變得更為粘稠，針入度變小。②在固定溫度下，瀝青膠漿的針入度隨粉膠比的增加呈現先減小后增加的規律。這表明存在一個最佳粉膠比，使得瀝青和填充料產生的相互作用最強，從而導致硬化效果最好。③在同溫度、同粉膠比條件下，凝灰巖瀝青膠漿的針入度都比石灰巖瀝青膠漿的針入度要小，由此可知，凝灰巖礦粉比優質石灰巖礦粉對瀝青的硬化效果略好些。

圖1 基質瀝青在不同填充料瀝青膠漿針入度的比較Fig.1 Asphalt mortar penetration comparison between different filler fillings in basic asphalt

圖2 SBS改性瀝青在不同填充料瀝青膠漿針入度的比較Fig.2 Asphalt mortar penetration comparison between different filler fillings in SBS modified asphalt

2.2 軟化點試驗結果及分析

瀝青膠漿軟化點的比較如圖3所示。

圖3 瀝青膠漿軟化點比較Fig.3 Comparison of asphalt mortar softening point

從圖3并結合表1，2可以看出：①瀝青膠漿的軟化點比瀝青的軟化點有不同程度的提高，可見填料的加入對瀝青產生了硬化作用，使得瀝青膠漿粘度增加，軟化點得到了提高，這一結果跟針入度的變化趨勢一致。②隨著粉膠比增大，瀝青膠漿的軟化點呈遞增趨勢。③無論是基質瀝青還是SBS改性瀝青，在同種瀝青、同等粉膠比的情況下，凝灰巖瀝青膠漿的軟化點要比石灰巖瀝青膠漿的略低，由此可知，凝灰巖瀝青膠漿的粘度和高溫性能略差于石灰巖瀝青膠漿的。

總之，僅靠瀝青的3大指標試驗來評判瀝青膠漿基本性能，進而探究填充料對瀝青膠漿的影響是不夠完善的。還需要其他瀝青膠漿性能試驗的共同驗證。

3 瀝青膠漿路用性能研究

3.1 動態剪切流變試驗及結果分析

瀝青膠漿是瀝青和填料的混合物。與瀝青相比，瀝青膠漿的微觀結構為二元非均質的系統，其性能發生了很大的變化，僅靠簡單的瀝青3大指標試驗來評價瀝青膠漿的技術性能是遠遠不夠的。為此，采用動態剪切流變試驗［4－5］，研究瀝青膠漿的高溫性能［6－8］，并分析填料的技術性能與混合料性能的相關性。

本研究中DSR試驗采用美國BOHLIN公司生產的C－VOR150型動態剪切流變儀。試驗采用應變（γ＝12%）控制模式，試驗頻率換算成角速度（ω＝10rad／s），試驗溫度采用64℃。試樣直徑為25mm，厚度為1mm。試驗方法采用AASHTO標準TPS。

復數剪切模量G＊反映材料受到重復剪切時的總阻力，它包括彈性（可回復）和粘性（不可回復）兩部分。經DSR測試，其計算公式為：

式中：τ為剪應力，Pa；γ為剪應變，%。

各試樣采用的是老化前的瀝青膠漿，試驗結果分別見表4，5。表4，5中，δ為相位角，是可回復和不可回復變形的量度（δ越大，材料塑性越大，彈性越差；反之，則材料塑性越小，彈性越好）；G＊cosδ為可恢復部分，反映彈性部分；G＊sinδ為不可恢復部分，反映粘性部分，即表示瀝青在變形過程中能量的損失；G＊／sinδ為車轍因子（G＊／sinδ越大，抗車轍能力越強。在相同的G＊時，δ越小越好，即彈性分量大，粘性分量小，抗車轍能力強）。

表4 70＃瀝青膠漿動態剪切流變試驗結果Table 4 Dynamic shear rheometer test results of 70＃asphalt mortar

表5 SBS瀝青膠漿動態剪切流變試驗結果Table 5 Dynamic shear rheometer test results of SBS modified asphalt

從表4，5中可以看出：①瀝青膠漿抗車轍因子遠大于同類別瀝青的抗車轍因子。這說明瀝青由于填料的加入變得更為堅硬，抗車轍能力得到了顯著提高。②車轍因子隨著粉膠比的增加而增加，并且隨著粉膠比的不斷增加，抗車轍因子增加的幅度也變得越來越大。③從相位角來看，隨著粉膠比的增加，基質瀝青膠漿的相位角變化很小。這說明填料的摻量對基質瀝青膠漿相位角的影響很小，這是因為瀝青膠漿雖然受到的總的剪切阻力增加，但是彈性部分與粘性部分的比例保持不變；所不同的是，SBS改性瀝青膠漿的相位角隨著粉膠比的增加卻在逐漸減小。這表明SBS改性瀝青膠漿中粘性性質所占比例逐漸變小，彈性性質所占比例逐漸變大。④從膠漿類型來看，無論瀝青類型是70＃基質瀝青還是SBS改性瀝青，3種粉膠比的凝灰巖礦粉瀝青膠漿的車轍因子都要比石灰巖礦粉瀝青膠漿的大。這表明凝灰巖礦粉比優質石灰巖礦粉對瀝青膠漿的高溫性能提升更大。

3.2 瀝青膠漿低溫彎曲試驗

瀝青混合料屬于粘彈性材料，在低溫下會變得脆硬，變形能力差，因此容易在溫度應力和荷載應力下產生裂縫。通過彎曲梁流變儀（BBR）［9］，測試瀝青膠漿小梁來評價瀝青膠漿的低溫性能［10］。用彎曲梁流變儀［11］記錄蠕變勁度S和蠕變斜率m。蠕變勁度S表征瀝青膠漿柔性。蠕變勁度S越大，則瀝青漿膠的柔性越差，其可變性能力小。蠕變斜率m表征瀝青漿膠的松弛能力。蠕變斜率越大，瀝青膠漿的松弛能力越強。當遇到溫度快速下降時，瀝青膠漿就具有更好的低溫性能。試驗結果分別如圖4，5所示。

圖4 不同類型瀝青膠漿勁度模量試驗結果Fig.4 Stiffness modulus test results of different kinds of asphalt mortar

圖5 不同類型瀝青膠漿蠕變斜率試驗結果Fig.5 Creep slope test results of different kinds of asphalt mortar

從圖4，5中可以看出：①任何一種瀝青膠漿，無論是從勁度模量還是蠕變斜率的角度，其低溫性能都要比同類別的純瀝青差得多。這表明摻加填料雖然能顯著提高其高溫性能，但是低溫抗裂性能卻因此降低。②隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿的抗裂也在隨之降低，并且降低幅度有遞增的趨勢。③在溫度為－12℃的條件下，不同粉膠比的凝灰巖礦粉瀝青膠漿勁度模量都要低于石灰巖礦粉瀝青膠漿。這表明凝灰巖礦粉瀝青膠漿的低溫性能在同等溫度下比石灰巖礦粉瀝青膠漿的好；但是從蠕變斜率來看，不同粉膠比兩者的抗裂性能也各有優劣。

4 結語

1）通過對瀝青膠漿3大指標試驗分析可以看出，隨著礦粉的加入，瀝青和礦粉的交互作用在性能上都有了不同程度的提升。如：軟化點的升高表明瀝青膠漿的高溫性能比純瀝青的要好；針入度的減小表明了礦粉對瀝青起到了硬化的效果；同時凝灰巖礦粉對同類別瀝青的提升效果與優質石灰巖礦粉相比，硬化效果提升較為明顯，但高溫性能提升差些。

2）從瀝青膠漿高溫性能上來講，在不同的粉膠比和不同瀝青的情況下，凝灰巖瀝青膠漿的高溫性能都要好于優質石灰巖瀝青膠漿的。從BBR試驗結果來看，雖然礦粉的加入使得瀝青的低溫抗裂性能都有所降低，但石灰巖礦粉的加入使得70＃基質瀝青和SBS改性瀝青的低溫抗裂性能降低的幅度稍顯更大。

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