礦粉對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)布敦巖改性瀝青膠漿分別進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，分析其高溫流變特性；筆者[8-9]采用DSR對(duì)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?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青膠漿與SBS改性瀝青膠漿的力學(xué)強(qiáng)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(yàn)(BV)，分析高粘瀝青膠漿動(dòng)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?cè)囼?yàn)(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(dòng)態(tài)流變性能和性能失效機(jī)理，結(jié)果表明：膠漿中的填料對(duì)于膠漿的強(qiáng)度和力學(xué)性能影響較為顯著，而對(duì)于瀝青膠漿的低溫性能影響相對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(shí)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(yàn)手段，對(duì)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(qiáng)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(yàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)膠漿的流變特性影響的研究，但是對(duì)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(jī)理分析鮮有報(bào)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(gè)因素對(duì)膠漿高低溫流變特性影響，并對(duì)礦物填料在瀝青中的作用機(jī)理進(jìn)行分析和討論，從而對(duì)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(yàn)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(jī)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(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)測(cè)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(duì)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(gè)試樣。采用高速剪切機(jī)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(yàn)方法

1.3.1 瀝青膠漿高溫流變測(cè)試

采用美國(guó)產(chǎn)高精密TA-HR-1動(dòng)態(tài)流變儀進(jìn)行高溫流變?cè)囼?yàn)。試件尺寸為直徑25 mm，試驗(yàn)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(yàn)

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

(2)溫度掃描試驗(yàn)

試驗(yàn)采用溫度掃描加載模式，控制應(yīng)變?yōu)?.25%，測(cè)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?cè)囼?yàn)

采用美國(guó)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(yàn)。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(yàn)荷載(980±50) mN，試驗(yàn)時(shí)間60 s，BBR的測(cè)試溫度要求是路面最低設(shè)計(jì)溫度以上10 ℃，因此，本試驗(yàn)采用常用低溫試驗(yàn)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(cè)試

(1)XRD測(cè)試

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

(2)SEM電鏡掃描測(cè)試

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膠漿高溫流變性能分析

2.1.1 頻率對(duì)流變參數(shù)的影響

為了測(cè)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(duì)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(duì)數(shù)復(fù)數(shù)剪切模量隨著對(duì)數(shù)頻率增加呈線性增長(zhǎng)，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(qiáng)，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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)，可見荷載作用頻率對(duì)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(shì)。

2.1.2 溫度對(duì)流變參數(shù)的影響

為了測(cè)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(duì)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(dòng)性增強(qiáng)。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(dòng)性強(qiáng)。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(zhǎng)趨勢(shì)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(shí)相位角接近90°，此時(shí)瀝青膠漿已經(jīng)不是典型的粘彈性狀態(tài)而進(jìn)入流動(dòng)的黏性狀態(tài)，說明溫度對(duì)瀝青膠漿的粘彈性影響較大。

2.1.3 粉膠比對(duì)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(duì)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(shì)，說明礦粉能夠增加瀝青膠漿的勁度，使之抗流動(dòng)性增強(qiáng)，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(duì)瀝青的粘彈性影響非常小。

2.2 BBR低溫小梁彎曲試驗(yàn)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(cè)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(gè)值反映了路面低溫收縮時(shí)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(shí)，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(shí)，-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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)薄弱；反之亦然。為解決這一對(duì)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(dòng)性最強(qiáng)；石灰?guī)r瀝青膠漿對(duì)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(duì)組成膠漿的路用性能影響，采用XRD光譜技術(shù)對(duì)4種礦粉進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)石(Na[AlSi3O8])、鉀長(zhǎng)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(zhǎng)石(Na[AlSi3O8])、鉀長(zhǎng)石(K[AlSi3O8])、石英(SiO2)的特征峰，但相比于輝綠巖，其特征峰的峰強(qiáng)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(zhǎng)石([Ca0.38Na0.62][Al1.38Si2.62O8])等，為酸性結(jié)晶，而這種酸性組分對(duì)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(qiáng)，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(duì)瀝青的增效行為最強(qiáng)；(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(dòng)性強(qiáng)，低溫下不易開裂。因此可以推斷出，礦粉的比表面積對(duì)膠漿的流變性能影響大于其礦料酸堿性組分對(duì)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(shí)，由于礦粉的加入，瀝青分子間的抗錯(cuò)位能力增強(qiáng)，因此瀝青膠漿的模量和強(qiáng)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(shí)，膠漿界面粘結(jié)力增強(qiáng)。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(shí)，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(duì)膠漿的粘彈性影響微小，而溫度對(duì)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(duì)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(qiáng)。

(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(dòng)變形最強(qiáng)；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(duì)膠漿的流變性能影響大于其礦料酸堿性組分對(duì)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(shí)，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(qiáng)。