礦粉對瀝青膠漿流變性能影響及微觀分析

林 梅，李 萍，念騰飛，陳隆建

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730050)

0 引 言

瀝青膠漿是瀝青混合料中最重要的部分，它的組成結(jié)構(gòu)及流變性能對瀝青混合料的路用性能有決定性的影響[1,3]。高溫條件下瀝青膠漿軟化，粘結(jié)力降低，并在重載車輛荷載的作用下產(chǎn)生流動變形，致使瀝青混合料結(jié)構(gòu)失效而發(fā)生破壞。低溫狀態(tài)下，瀝青膠漿勁度模量增加，蠕變速率降低，導(dǎo)致混合料出現(xiàn)低溫開裂。另外，礦粉的粉體特征及合理摻量對瀝青混合料的性能也有至關(guān)重要的影響[4,6]。因此，溫度，頻率，粉膠比是影響膠漿流變性能的三大重要因素。

國內(nèi)外學(xué)者對瀝青膠漿的流變性能已經(jīng)展開了大量研究。文獻(xiàn)[7]采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對布敦巖改性瀝青膠漿分別進(jìn)行流變試驗，分析其高溫流變特性；筆者[8-9]采用DSR對低溫寒冷地區(qū)及再生瀝青的流變性能和微觀表征進(jìn)行了研究，探討了瀝青微觀變化與宏觀性能的關(guān)聯(lián)性；文獻(xiàn)[10]通過流變試驗發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青膠漿與SBS改性瀝青膠漿的力學(xué)強度和黏彈性變化源于其組成之間的相互作用；文獻(xiàn)[11-12]采用DSR和布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(BV)，分析高粘瀝青膠漿動態(tài)剪切流變特性的影響因素，結(jié)果表明，提高改性瀝青粘度和粉膠比能夠改善高粘瀝青膠漿高溫抗變形性能；文獻(xiàn)[13]采用DSR、BV和彎曲梁流變試驗(BBR)分析活化煤矸石改性瀝青膠漿重復(fù)蠕變勁度的粘性部分和蠕變勁度模量與粉膠比之間的關(guān)系，得到其最佳粉膠比；文獻(xiàn)[14]研究了多種瀝青膠漿動態(tài)流變性能和性能失效機理，結(jié)果表明：膠漿中的填料對于膠漿的強度和力學(xué)性能影響較為顯著，而對于瀝青膠漿的低溫性能影響相對較小。然而，瀝青膠漿的路用性能歸根結(jié)底是由于瀝青與填料之間交互作用而產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)的影響，但由于其微觀結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致瀝青膠漿及瀝青混合料具有很大的變異性，其規(guī)律很難掌握[15]。目前國內(nèi)外對瀝青膠漿微觀結(jié)構(gòu)的研究主要集中于粉膠比和礦粉在瀝青中的實際分布狀況[16]。文獻(xiàn)[17-18]采用掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(IR)和電子能譜(EDXA)等微觀試驗手段，對水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，表明1:1的粉膠比、較高強度水泥以及石灰?guī)r礦粉有利于復(fù)合膠漿微觀結(jié)構(gòu)的改善；文獻(xiàn)[19]通過微觀試驗對煤矸石粉瀝青膠漿的流變特性影響進(jìn)行了分析，表明：煤矸石灰顆粒更細(xì)，比表面積更大，表面更粗糙，能夠顯著提高了瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性能，改善感溫性；文獻(xiàn)[20]研究了灰分、礦粉物質(zhì)的微細(xì)觀特性及各自組成膠漿的高溫性能，結(jié)果表明灰分膠漿的高溫性能優(yōu)于礦粉膠漿；文獻(xiàn)[21]從填料的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了礦粉性質(zhì)對瀝青膠漿流變性能的影響，結(jié)果表明填料的顆粒尺寸、疏水性以及摻量對膠漿流變性能影響顯著。

綜上所述，目前雖然已有大量學(xué)者開展了填料性質(zhì)對膠漿的流變特性影響的研究，但是對于影響流變參數(shù)的主要因素的分析均不夠系統(tǒng)全面，且導(dǎo)致膠漿宏觀流變性能改變的微觀機理分析鮮有報道。因此有必要進(jìn)一步分析不同種類的礦粉及組成膠漿的性能，明確影響各個因素對膠漿高低溫流變特性影響，并對礦物填料在瀝青中的作用機理進(jìn)行分析和討論，從而對不同填料在瀝青路面的應(yīng)用給出指導(dǎo)和理論支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料技術(shù)特性

1.1.1 瀝 青

瀝青采用KL90#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 KL90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 礦 粉

選取4種巖性不同的石料(石灰?guī)r、花崗巖、灰綠巖、玄武巖)，將石料洗凈、烘干，并磨去表面風(fēng)化層后，用電磁式制樣粉碎機磨成粉狀，用0.075 mm方孔篩篩取粒徑0.075 mm以下的礦粉作為試樣，根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)測得其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 試樣制備

對4種礦粉配置了5種不同的粉膠比(礦粉質(zhì)量m1與瀝青質(zhì)量m2之比，即m1/m2)，分別為0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6，共20個試樣。采用高速剪切機進(jìn)行攪拌制備瀝青膠漿，首先將4種礦粉置于100 ℃的烘箱10 min，根據(jù)粉膠比稱取相應(yīng)的質(zhì)量，分別加入150 ℃的KL90#瀝青中，攪拌10 min，保證礦粉與瀝青混合均勻，最終制得不同粉膠比的花崗巖瀝青膠漿(GAM)、輝綠巖瀝青膠漿(DAM)、石灰?guī)r瀝青膠漿(LAM)、玄武巖瀝青膠漿(BAM)。

1.3 試驗方法

1.3.1 瀝青膠漿高溫流變測試

采用美國產(chǎn)高精密TA-HR-1動態(tài)流變儀進(jìn)行高溫流變試驗。試件尺寸為直徑25 mm，試驗板間隙為1.00 mm，加載模式為溫度掃描和頻率掃描。

(1)頻率掃描試驗

試驗采用頻率掃描加載模式，測試溫度為64 ℃，控制應(yīng)變?yōu)?2%，測試的角頻率范圍為0.1%到100%。

(2)溫度掃描試驗

試驗采用溫度掃描加載模式，控制應(yīng)變?yōu)?.25%，測試的溫度范圍為58～76 ℃，間隔為6 ℃，角頻率為10 rad/s。

1.3.2 瀝青膠漿低溫流變試驗

采用美國Cannon公司產(chǎn)的低溫彎曲梁流變儀TE-BBR9進(jìn)行小梁彎曲試驗。在尺寸為125 mm×12.5 mm×6.25 mm，梁跨距為10 mm的瀝青膠漿小梁上，施加試驗荷載(980±50) mN，試驗時間60 s，BBR的測試溫度要求是路面最低設(shè)計溫度以上10 ℃，因此，本試驗采用常用低溫試驗溫度-12 ℃、-18 ℃下恒溫60 min，且溫度控制誤差不超過±0.1 ℃，得到彎曲蠕變勁度模量S和蠕變曲線斜率m。

1.3.3 礦粉及瀝青膠漿的微觀測試

(1)XRD測試

本試驗采用X射線物相分析儀(型號D/MAX-Ⅲ型，日本理學(xué)(RIGAKU)公司)，對礦粉樣品物相進(jìn)行分析，測試條件：Cu靶Kα線，電壓40 kV，電流40 mA，步長0.02°。

(2)SEM電鏡掃描測試

試驗所用掃描電鏡為德國產(chǎn)蔡司(ZEISS)EVO18分析型掃描電鏡，分別對不同粉膠比的石灰?guī)r瀝青膠漿進(jìn)行SEM電鏡掃描測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 膠漿高溫流變性能分析

2.1.1 頻率對流變參數(shù)的影響

為了測試瀝青膠漿在不同頻率下粘彈性能的變化，選取64 ℃下1.2粉膠比的4組膠漿，分別對其進(jìn)行頻率掃描，得到的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(θ)隨頻率(w)變化曲線如圖1所示。

由圖1(a)可以看出，4種膠漿對數(shù)復(fù)數(shù)剪切模量隨著對數(shù)頻率增加呈線性增長，且均比基質(zhì)瀝青值大，表明礦粉的加入使瀝青膠漿抵抗荷載的抗變形能力增強，這即是礦粉模量增效行為。頻率從0.1 rad/s增大到100 rad/s，對應(yīng)的荷載速度從10～140 km/h[22]，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量增大了3個數(shù)量級，可見荷載作用頻率對G*影響之大。頻率掃描模式下，花崗巖膠漿的G*最大，說明4種礦粉中，花崗巖最有利于提高瀝青的抗車轍性能。由圖1(b)可以看出,低頻狀態(tài)(0.1～10 rad/s)，相位角變化不明顯，但是在高頻狀態(tài)下(10 ～100 rad/s)，曲線呈發(fā)散狀態(tài)，說明高頻快速的交通荷載下，瀝青膠漿比瀝青具有明顯的彈性，其中花崗巖膠漿略有優(yōu)勢。

2.1.2 溫度對流變參數(shù)的影響

為了測試瀝青膠漿在不同溫度下粘彈性能的變化，選取1.2粉膠比下4種膠漿的對數(shù)復(fù)數(shù)模量和相位角隨溫度變化曲線如圖2所示。

圖1 膠漿流變參數(shù)隨頻率(w)的變化曲線Fig 1 Curves of rheological parameters of asphalt mastic with frequency (w)

圖2 膠漿流變參數(shù)隨溫度(T)的變化曲線Fig 2 Curves of rheological parameters of asphalt mastic with temperature (T)

由圖2(a)可以看出，加入礦粉之后復(fù)數(shù)剪切模量比基質(zhì)瀝青大幅度提高，說明瀝青膠漿勁度增大，抗流動性增強。相同溫度下，石灰?guī)r瀝青膠漿的lnG*最大，表明石灰?guī)r瀝青膠漿的高溫條件抗流動性強。不同溫度下的lnG*差別很大，58 ℃的復(fù)數(shù)剪切模量遠(yuǎn)大于76 ℃的，表明隨著溫度升高，膠漿復(fù)數(shù)剪切模量減小，抵抗變形的能力減弱。由圖2(b)可以看出，隨著溫度的升高，膠漿的相位角呈線性增加，且與基質(zhì)瀝青增長趨勢一致。58 ℃的相位角比76 ℃的相位角小了2.5°左右，這是由于隨著溫度的升高，自由瀝青的體積變大，膠漿的彈性成份比例減小，黏性成分增大。在76 ℃時相位角接近90°，此時瀝青膠漿已經(jīng)不是典型的粘彈性狀態(tài)而進(jìn)入流動的黏性狀態(tài)，說明溫度對瀝青膠漿的粘彈性影響較大。

2.1.3 粉膠比對流變參數(shù)的影響

瀝青膠漿與瀝青結(jié)合料一樣，在通常情況下表現(xiàn)為粘彈性材料特征，但隨著粉膠比的變化，瀝青膠漿體系發(fā)生改變，導(dǎo)致路用性能發(fā)生改變。為研究瀝青膠漿流變性能隨粉膠比的變化規(guī)律，圖3分別給出64 ℃下流變參數(shù)復(fù)數(shù)剪切模量、相位角隨粉膠比的變化曲線。

由圖3(a)可以看出，4種膠漿在不同溫度下對數(shù)復(fù)數(shù)剪切模量lnG*的變化規(guī)律表現(xiàn)出一致性，即加入礦粉之后瀝青膠漿的lnG*均比基質(zhì)瀝青大幅度提高，而且隨著粉膠比的增加，lnG*呈大致線性增大趨勢，說明礦粉能夠增加瀝青膠漿的勁度，使之抗流動性增強，這即是礦粉模量增效行為。從圖3(b)看出，隨著粉膠比的增加，4種膠漿在不同粉膠比下的相位角與基質(zhì)瀝青的相位角差值在0.5°以內(nèi)，結(jié)果說明礦粉的種類及含量對瀝青的粘彈性影響非常小。

2.2 BBR低溫小梁彎曲試驗結(jié)果分析

勁度模量S表征瀝青在低溫條件下的變形能力，相同測試溫度條件下，S越小，瀝青低溫變形能力越好；而蠕變變化率m表征瀝青在低溫條件下的應(yīng)力松弛能力，m越大說明瀝青材料的應(yīng)力松弛能力越好[23]；-18℃和-12℃下604 s的S、m結(jié)果匯總見圖4和5所示。

圖3 膠漿的流變參數(shù)隨粉膠比(m1/m2)的變化Fig 3 Curves of rheological parameters of asphalt mastic with m1/m2

圖4 S值隨粉膠比(m1/m2)的變化曲線Fig 4 Curves of S of asphalt mastic with m1/m2

圖5 m值隨粉膠比(m1/m2)的變化曲線Fig 5 Curves of m of asphalt mastic with m1/m2

由圖4和圖5可以看出，隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿的S值隨之增大，m值隨之減少。說明礦粉的加入降低了瀝青的低溫性能，且隨著粉膠比的增大，瀝青膠漿的低溫性能隨之降低。SHRP規(guī)定S值不能超過300 MPa，m值不能低于0.3，這兩個值反映了路面低溫收縮時膠結(jié)料耗散應(yīng)力的能力[24]。圖4(a)和圖5(a)可以得到，在-18℃時，各粉膠比的瀝青膠漿的S都大大超過規(guī)范值，而m都低于規(guī)范值，表明在-18℃的四種礦粉配置的瀝青膠漿的低溫抗裂性能較差；圖4(b)和圖5(b)可以看出，同粉膠比下，-12℃的S值與-18℃相比均減少，m值增大。其中當(dāng)粉膠比為1.2時，-12℃下4種瀝青膠漿的S和m接近規(guī)范值。因此可判斷出，4種礦粉瀝青膠漿的控制低溫為-12℃，低于此溫度易發(fā)生低溫開裂的危害。同時由圖4(b)和圖5(b)的低溫分析結(jié)果可以看出，粉膠比高于1.2時其低溫性能達(dá)不到要求，說明低溫地區(qū)瀝青膠漿要嚴(yán)格控制粉膠比不可過大。同粉膠比狀態(tài)下，膠漿的S值依照從大到小順序依次是LAM>DAM>GAM>BAM，說明4種膠漿中石灰?guī)r膠漿的低溫性能最好。

2.2 高低溫流變性能的相關(guān)性分析

為研究瀝青膠漿的整體路用性能，對不同粉膠比的瀝青膠漿的高溫下lnG*值、低溫下的m值進(jìn)行相關(guān)分析。以花崗巖瀝青膠漿為例，探討了相關(guān)性分析規(guī)律，其中0.8～1.6為粉膠比。

圖6 花崗巖瀝青膠漿的高低溫性能相關(guān)性分析Fig 6 Correlation analysis of GAM’s high and low temperature performance

由圖6可知，不同粉膠比的瀝青膠漿的lnG*值與m具有較好的線性負(fù)相關(guān)，由于lnG*值越大，高溫性能越好；m值越大，低溫性能越好。因此，瀝青膠漿與瀝青及瀝青混合料一樣，在高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性的一致性上存在矛盾，高溫穩(wěn)定性好的瀝青膠漿，其低溫性能相對薄弱；反之亦然。為解決這一對矛盾，需要綜合考慮瀝青膠漿高低溫性能，確定平衡其高低溫性能的最佳粉膠比。

為了兼顧瀝青膠漿高低溫流變性能組合達(dá)到最優(yōu)，在64 ℃高溫及-12 ℃低溫下推薦膠漿的合理粉膠比為1.2。4種膠漿中花崗巖瀝青膠漿在高頻重載條件下的抗流動性最強；石灰?guī)r瀝青膠漿對溫度敏感性最低，其高溫條件下抗車轍能力最好，低溫性能抗開裂能力最佳。

2.3 礦粉及膠漿的微觀分析

2.3.1 礦粉XRD結(jié)果分析

為了得到4種礦粉的巖性特征，進(jìn)而分析其對組成膠漿的路用性能影響，采用XRD光譜技術(shù)對4種礦粉進(jìn)行測試，其XRD分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同礦粉的XRD圖譜Fig 7 XRD patterns of different mineral powders

通過標(biāo)定分析后，得出如下結(jié)論：(1)為輝綠巖的XRD圖譜，礦粉的主要物相為閃透石(Ca2(Mg,Fe)5[Si4O11]2(OH)2)、鈉長石(Na[AlSi3O8])、鉀長石(K[AlSi3O8])、石英(SiO2)；(2)為玄武巖的XRD圖譜，除了方解石的特征峰以外，還存在閃透石(Ca2(Mg,Fe)5[Si4O11]2(OH)2)、鈉長石(Na[AlSi3O8])、鉀長石(K[AlSi3O8])、石英(SiO2)的特征峰，但相比于輝綠巖，其特征峰的峰強較弱，說明其含量較低；(3)為花崗巖的XRD圖譜，其主要物相為石英(SiO2)、斜長石([Ca0.38Na0.62][Al1.38Si2.62O8])等，為酸性結(jié)晶，而這種酸性組分對瀝青與礦粉的粘結(jié)力不利。但是本研究中花崗巖礦粉加入瀝青中其模量增效行為最強，其原因是4種礦粉的物理性質(zhì)中比表面積最大，細(xì)度最細(xì)，因此，花崗巖礦粉對瀝青的增效行為最強；(4)為石灰?guī)r，其主要物相為方解石(CaCO3)，是溶于酸型結(jié)晶，而瀝青為酸型特征，所以石灰?guī)r與瀝青結(jié)合較好，形成瀝青膠漿的結(jié)構(gòu)致密，因此其高溫下抗流動性強，低溫下不易開裂。因此可以推斷出，礦粉的比表面積對膠漿的流變性能影響大于其礦料酸堿性組分對膠漿的流變性能影響。

2.3.2 膠漿的微觀形貌分析

為探索礦粉在瀝青中分布規(guī)律及不同物相的界面狀態(tài)，分析膠漿內(nèi)部的微觀作用，從而為膠漿的宏觀流變性能提供微觀解釋。選取基質(zhì)瀝青和石灰?guī)r瀝青膠漿進(jìn)行SEM電鏡掃描，其放大200倍的掃描結(jié)果如圖8所示。

圖8 石灰?guī)r瀝青膠漿微觀形貌Fig 8 Microscopic morphology of limestone asphalt mastic

從圖8可以看出，當(dāng)粉膠比從0到0.8時，由于礦粉的加入，瀝青分子間的抗錯位能力增強，因此瀝青膠漿的模量和強度有了很大提高。當(dāng)粉膠比從0.8到1.2之間，瀝青膠漿的結(jié)合界面趨于穩(wěn)定，過渡形態(tài)趨于平滑，礦粉與瀝青之間結(jié)合也更加緊實，膠漿界面粘結(jié)力增強。當(dāng)粉膠比從1.2到1.6之間，膠漿微觀界面的粘結(jié)狀況變差，礦粉離析，甚至發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。這是由于隨著礦粉的過量增加，礦粉之間由于表面的吸附作用而發(fā)生團(tuán)聚不易分散到瀝青之中，導(dǎo)致了部分礦粉抱團(tuán)，使得界面的粘結(jié)力變差，瀝青膠漿呈現(xiàn)脆性形態(tài)，低溫下易發(fā)生開裂。因此推薦粉膠比為1.2時，瀝青膠漿達(dá)到高低溫性能組合的最佳狀態(tài)。瀝青膠漿的微觀形貌表征從微觀層面解析了導(dǎo)致宏觀流變性能變化及確定最佳粉膠比的內(nèi)部原因。

3 結(jié) 論

(1)礦粉的種類及含量對膠漿的粘彈性影響微小，而溫度對膠漿粘彈性影響較大，隨著溫度的升高，膠漿的彈性成份減小，黏性成分增大。低頻慢速狀態(tài)下，膠漿相位角接近瀝青相位角，但在高頻快速的交通荷載下，瀝青膠漿比瀝青具有明顯的彈性。

(2)粉膠比、溫度、頻率均對膠漿流變參數(shù)復(fù)數(shù)剪切模量有較大影響。在大粉膠比、高溫、高頻狀態(tài)下，膠漿內(nèi)部礦粉的增效行為均增強。

(3)由于花崗巖礦粉比表面積最大，所以在高頻快速荷載下，花崗巖膠漿的抗流動變形最強；石灰?guī)r礦粉含有較多的石灰?guī)r瀝青膠漿高溫抗車轍能力及低溫抗開裂能力最佳。礦粉的比表面積對膠漿的流變性能影響大于其礦料酸堿性組分對膠漿的流變性能影響。

(4)綜合膠漿的高低溫性能分析，推薦膠漿的最佳粉膠比為1.2；且粉膠比為1.2時，其微觀界面粘結(jié)狀況最佳，因此導(dǎo)致其宏觀流變性能最強。