填料類型對瀝青膠漿性能的影響研究

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

目前國內使用最多的填料是石灰石礦粉，但在工程實踐中經常出現因填料種類的不同而導致瀝青混合料路用性能產生很大的差異[1]。硅藻土、赤泥等固體建筑廢棄物在我國含量豐富，將其作為填料加入到瀝青當中已有一定先例。

程永春[2]等人研究摻量為7%的礦粉和硅藻土的瀝青膠漿的性能，發現礦粉將原樣瀝青的軟化點提高了1.9 ℃，硅藻土提高了4.7 ℃，因此認為硅藻土能更有效的改善膠漿的高溫性能。鮑燕妮[3]等通過軟化點試驗，張賢康[4]等通過車轍因子發現經硅藻土改性后瀝青高溫性能得到改善。此外，關于硅藻土膠漿的低溫性能、疲勞性能、老化性能等也有過一定的研究[3-5]。

國內外關于赤泥對基質瀝青性能的影響的研究有限。包惠明[6]等學者曾提出利用赤泥作為硅酸鹽礦物的特點，將赤泥應用于溫拌改性瀝青當中。Hengji Zhang[7]等學者研究了礦粉和赤泥與SBS 改性瀝青所形成的膠漿的流變性能，通過車轍因子的比較發現赤泥可以更好的改善SBS 改性瀝青的高溫性能。

但是硅藻土、赤泥在瀝青路面中的應用研究仍有所欠缺：比如關于硅藻土、赤泥對瀝青粘結和自愈合性能的影響鮮有研究，這些填料對瀝青高溫性能的影響也存在爭議（因為軟化點和車轍因子等指標無法準確的評價瀝青的高溫性能）。基于此現狀，本試驗采用體積設計方法，研究不同的粉膠比摻量下，礦粉、赤泥、硅藻土制備的瀝青膠漿/ 混合料的高溫性能、粘結性能、自愈合性能和水穩定性能。

1 材料與試驗

1.1 試驗材料及其性質

本研究以礦粉、赤泥、硅藻土為填料， ESSO 70＃基質瀝青為原樣瀝青，在145 ℃的溫度下，用高速剪切機以4 000 r/min 的速率剪切15 min，制備瀝青膠漿。填料的物理化學性質如表1所示。

表1 填料的物理化學性質

填料的干壓孔隙率是參考歐盟EN1097-4 規范中的Rigden 法[8]測定的，細度模數是在激光粒度分析儀確定填料大小和粒級分布狀況后，借鑒混凝土中評價砂粗細程度的計算方法，得到填料粗細程度的指標——細度模數（MX），細度模數越小表征填料的粒度總體越細。

ESSO 70#基質瀝青性質如表2所示。

行業專家認為，智能建造正逢其時，從純手工制造到智慧建筑，是一項復雜而又艱巨的科技攻關項目，更是實踐性要求極強的復雜工程實踐探索。但面對建筑用工成本的攀升、難度增強，以及市場需求等現實問題，建筑業的“云端”轉型刻不容緩。

表2 ESSO 70#基質瀝青的性質

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[9]中規定瀝青混合料的粉膠比（礦粉質量：瀝青質量）為0.6 ～1.6，但粉膠比超過1.2 后，采用濕法攪拌時，礦粉難以與瀝青拌和均勻。因此本研究將礦粉膠漿的粉膠比控制在0.6 ～1.2范圍內。礦粉密度為2.71 g/cm3左右，ESSO 70＃基質瀝青密度為1.0 g/cm3左右，因此0.6、0.9、1.2 的質量比所對應的礦粉：瀝青體積比分別為0.22、0.33、0.44。

為了對比礦粉、硅藻土、赤泥膠漿性能，本研究將礦粉、硅藻土和赤泥均按照0.22、0.33、0.44粉膠比（體積比）分別摻入到瀝青當中，以探究在相同的粉膠比（體積比）下，三種膠漿/瀝青混合料的性能差異。

1.2 試驗方法

瀝青層次：本研究采用DSR 時間掃描得到不同膠漿的復數模量，通過多應力蠕變回復試驗（MSCR）評價膠漿的高溫抗車轍性能，通過BBS拉拔試驗評價膠漿的粘結性能和自愈合性能。

混合料層次：選用AC-13 級配，5%油石比制備瀝青混合料，并進行凍融劈裂試驗。

2 不同填料的性能

2.1 高溫抗車轍性能

MSCR 不可恢復蠕變柔量指標Jnr3.2已經被多項研究證實與混合料車轍相關性好[10-11]。Jnr3.2指標表現了瀝青的高溫抗變形能力，Jnr3.2數值越小，瀝青高溫抗變形能力越強。如圖1所示，加入填料后，瀝青的Jnr3.2明顯降低，尤其是硅藻土的加入使得瀝青的Jnr3.2從7.60 降低到1.22，減小幅度達到了84%，表明瀝青的高溫性能顯著提高。這可能是因為瀝青與填料相互作用后，在填料表面產生了化學組分的重新排列，填料表面形成了一層結構瀝青，從而提高了膠漿的性能。

圖1 瀝青及膠漿Jnr3.2（MSCR 試驗溫度64 ℃）

粉膠比從0.22 →0.33，膠漿的Jnr3.2下降斜率明顯陡于從0.33 →0.44 的下降斜率。以礦粉為例，粉膠比從0.22 增加到0.33，礦粉膠漿的Jnr3.2數值下降了1.11，而從0.33 到0.44，Jnr3.2僅下降了0.35。這說明粉膠比達到0.33 后，粉膠比繼續增長對瀝青的高溫性能提升的效果降低。這是因為隨著填料的增加，填料在瀝青中難以拌和均勻，部分填料未被瀝青裹附，膠漿的黏附性、流動性都有所損傷，從而影響了膠漿的高溫性能。

根據Jnr3.2的大小，評定膠漿高溫性能從優到劣為：硅藻土膠漿＞赤泥膠漿＞礦粉膠漿＞原樣瀝青。

2.2 粘結性能及自愈合性能

BBS 拉拔試驗是收錄在AASHTO TP-91 中作為評價瀝青與集料黏附性的方法，具有物理意義明確，設備便于攜帶，試驗方法簡單且直觀的特點[12]，故本研究采用BBS 拉拔試驗來評價膠漿的粘結性能和自愈合性能。

試驗進程如圖2所顯示。原樣瀝青和三種膠漿的拉拔試驗結果如圖3所示。

圖2 BBS 拉拔試驗進程

圖3 原樣瀝青和膠漿的拉拔試驗結果

由圖3知，赤泥膠漿和硅藻土膠漿隨著粉膠比的增大，初次拉拔強度也增大，但是從粉膠比0.33 →0.44 過度時，其自愈合率下降。說明拉拔強度最好的膠漿不一定具有最好的抗水損壞的能力，因為這些膠漿的自愈合性能可能較差。在低溫環境時下，當膠漿自愈合性能較差時，由水和交通荷載引起的損壞將難以愈合，并且會很快的反射到路面上。

考慮到很多時候，材料的強度和模量正相關，所以本研究嘗試建立起膠漿初次拉拔強度與膠漿復數剪切模量的關系，結果如圖4所示。

圖4 膠漿初次拉拔強度和膠漿的復數剪切模量關系

從圖4可知，隨著復數剪切模量的增大，膠漿的初次拉拔強度增大。復數剪切模量G*=G＇+iG＂，其中G＇是彈性響應的系數，G＂是黏性響應的系數，故G*在一定程度上表征瀝青的黏彈性質。拉拔強度是克服了瀝青的黏滯特性而將材料拉斷的應力，所以模量和拉拔強度之間會存在著緊密的關系。

在三種不同填料的膠漿中，硅藻土膠漿的拉拔強度和自愈合率均是最大。一來是因為硅藻土膠漿具有最大的復數剪切模量；二來是因為硅藻土具有孔隙率高、比表面積大、吸附性強、活性好等特點，導致硅藻土能與瀝青更好的粘結。

一般來說，瀝青的的初次拉拔強度和自愈合率越大，所對應的瀝青混合料的抗水損害性能越好。然而0.33 粉膠比和0.44 粉膠比的膠漿初次拉拔強度和自愈合率所呈現的增長規律不一致，因此本研究進一步采用凍融劈裂試驗來確認0.33和0.44 粉膠比膠漿所拌和的瀝青混合料的抗水損害性能，試驗結果如圖5所示。

由圖5知，0.33 粉膠比拌和的瀝青混合料劈裂強度比更高。當粉膠比為0.33 時，硅藻土瀝青混合料的劈裂強度比達到了91.6%，水穩定性能明顯好于加入礦粉、赤泥膠漿的瀝青混合料。

圖5 不同填料的劈裂強度比比較

3 填料指標與膠漿性能關聯性分析

本研究采用灰色關聯分析的方法，針對膠漿的高溫性能，粘結能力和自愈合性能和水穩性能與填料的幾種不同的指標的關聯度進行分析，確定這幾種不同指標對瀝青膠漿影響程度的大小。

取0.33 粉膠比的瀝青膠漿的Jnr3.2表征其高溫性能，初次拉拔強度表征其粘結能力，自愈合率表征其自愈合能力，劈裂強度比表征對應瀝青混合料的水穩定性。

填料指標為Al2O3含量，SiO2含量，CaO 含量，干壓空隙率，細度模數。

表3為填料指標與膠漿性能的關聯度。

表3 填料指標與膠漿性能的關聯度

由表3可知，干壓孔隙率和細度模數對膠漿性能的影響顯著，填料的化學成分對膠漿性能無明顯的影響。原因是填料與瀝青拌和時間有限，瀝青與填料以物理共混為主，因此填料的物理性質會對膠漿性能影響更為明顯。

填料的干壓孔隙率和膠漿性能緊密相關的原因是：

①填料的微孔結構影響了瀝青的吸附和濕潤作用和填料及瀝青粘結面積，從而影響膠漿的粘結性能；

②在高溫狀態下，瀝青會以液態滲入填料空隙當中，溫度下降后，瀝青會在空隙中發生膠凝硬化，這種嵌入和錨固作用會像小爪子一樣深入到填料內部，從而增強了瀝青與填料之間的機械結合力。

填料的細度模數對瀝青的性能影響顯著的原因是：在膠漿體系中，一般極細填料的表面能較高，此時填料會吸附瀝青中結構相近的組分來自發降低體系的表面能以保持體系的穩定性[13]。因此瀝青的組分會發生改變，性能可能將發生改變。

硅藻土由于孔隙率高，比表面積大，因此瀝青之間形成了良好的粘結力和機械咬合力，從而提高了瀝青的粘結性能、自愈合性能及混合料的水穩定性；同時硅藻土顆粒細小，為了降低體系的表面能，會選擇性的吸收瀝青中入芳香烴、蠟等組分，從而顯著提高了瀝青的高溫抗車轍性能。

4 結論

通過對高溫抗車轍性能、粘結性能、自愈合性能、水穩定性能對不同填料的瀝青膠漿/瀝青混合料進行的研究，可以得出以下結論：

（1）填料的添加，可以提高瀝青的高溫性能，粉膠比大于0.33 時，增大粉膠比對瀝青抗車轍高溫性能的改善降低。

（2）膠漿的初始拉拔強度隨著粉膠比增大而增大，并且初始拉拔強度和膠漿的復數剪切模量呈正相關。

（3）通過對比0.33 和0.44 粉膠比膠漿拌和的瀝青混合料的劈裂強度比，發現粉膠比為0.33時，瀝青混合料具有更好的水穩定性。

（4）相比于礦粉和赤泥，硅藻土可以更好的改善瀝青/瀝青混合料的高溫性能、粘結性能、自愈合性能和水穩定性能。

（5）在填料的不同性質指標中，干壓孔隙率和細度模數對膠漿的路用性能有較大的影響。