填料类型对沥青胶浆性能的影响研究

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

目前国内使用最多的填料是石灰石矿粉，但在工程实践中经常出现因填料种类的不同而导致沥青混合料路用性能产生很大的差异[1]。硅藻土、赤泥等固体建筑废弃物在我国含量丰富，将其作为填料加入到沥青当中已有一定先例。

程永春[2]等人研究掺量为7%的矿粉和硅藻土的沥青胶浆的性能，发现矿粉将原样沥青的软化点提高了1.9 ℃，硅藻土提高了4.7 ℃，因此认为硅藻土能更有效的改善胶浆的高温性能。鲍燕妮[3]等通过软化点试验，张贤康[4]等通过车辙因子发现经硅藻土改性后沥青高温性能得到改善。此外，关于硅藻土胶浆的低温性能、疲劳性能、老化性能等也有过一定的研究[3-5]。

国内外关于赤泥对基质沥青性能的影响的研究有限。包惠明[6]等学者曾提出利用赤泥作为硅酸盐矿物的特点，将赤泥应用于温拌改性沥青当中。Hengji Zhang[7]等学者研究了矿粉和赤泥与SBS 改性沥青所形成的胶浆的流变性能，通过车辙因子的比较发现赤泥可以更好的改善SBS 改性沥青的高温性能。

但是硅藻土、赤泥在沥青路面中的应用研究仍有所欠缺：比如关于硅藻土、赤泥对沥青粘结和自愈合性能的影响鲜有研究，这些填料对沥青高温性能的影响也存在争议（因为软化点和车辙因子等指标无法准确的评价沥青的高温性能）。基于此现状，本试验采用体积设计方法，研究不同的粉胶比掺量下，矿粉、赤泥、硅藻土制备的沥青胶浆/ 混合料的高温性能、粘结性能、自愈合性能和水稳定性能。

1 材料与试验

1.1 试验材料及其性质

本研究以矿粉、赤泥、硅藻土为填料， ESSO 70＃基质沥青为原样沥青，在145 ℃的温度下，用高速剪切机以4 000 r/min 的速率剪切15 min，制备沥青胶浆。填料的物理化学性质如表1所示。

表1 填料的物理化学性质

填料的干压孔隙率是参考欧盟EN1097-4 规范中的Rigden 法[8]测定的，细度模数是在激光粒度分析仪确定填料大小和粒级分布状况后，借鉴混凝土中评价砂粗细程度的计算方法，得到填料粗细程度的指标——细度模数（MX），细度模数越小表征填料的粒度总体越细。

ESSO 70#基质沥青性质如表2所示。

行业专家认为，智能建造正逢其时，从纯手工制造到智慧建筑，是一项复杂而又艰巨的科技攻关项目，更是实践性要求极强的复杂工程实践探索。但面对建筑用工成本的攀升、难度增强，以及市场需求等现实问题，建筑业的“云端”转型刻不容缓。

表2 ESSO 70#基质沥青的性质

JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[9]中规定沥青混合料的粉胶比（矿粉质量：沥青质量）为0.6 ～1.6，但粉胶比超过1.2 后，采用湿法搅拌时，矿粉难以与沥青拌和均匀。因此本研究将矿粉胶浆的粉胶比控制在0.6 ～1.2范围内。矿粉密度为2.71 g/cm3左右，ESSO 70＃基质沥青密度为1.0 g/cm3左右，因此0.6、0.9、1.2 的质量比所对应的矿粉：沥青体积比分别为0.22、0.33、0.44。

为了对比矿粉、硅藻土、赤泥胶浆性能，本研究将矿粉、硅藻土和赤泥均按照0.22、0.33、0.44粉胶比（体积比）分别掺入到沥青当中，以探究在相同的粉胶比（体积比）下，三种胶浆/沥青混合料的性能差异。

1.2 试验方法

沥青层次：本研究采用DSR 时间扫描得到不同胶浆的复数模量，通过多应力蠕变回复试验（MSCR）评价胶浆的高温抗车辙性能，通过BBS拉拔试验评价胶浆的粘结性能和自愈合性能。

混合料层次：选用AC-13 级配，5%油石比制备沥青混合料，并进行冻融劈裂试验。

2 不同填料的性能

2.1 高温抗车辙性能

MSCR 不可恢复蠕变柔量指标Jnr3.2已经被多项研究证实与混合料车辙相关性好[10-11]。Jnr3.2指标表现了沥青的高温抗变形能力，Jnr3.2数值越小，沥青高温抗变形能力越强。如图1所示，加入填料后，沥青的Jnr3.2明显降低，尤其是硅藻土的加入使得沥青的Jnr3.2从7.60 降低到1.22，减小幅度达到了84%，表明沥青的高温性能显著提高。这可能是因为沥青与填料相互作用后，在填料表面产生了化学组分的重新排列，填料表面形成了一层结构沥青，从而提高了胶浆的性能。

图1 沥青及胶浆Jnr3.2（MSCR 试验温度64 ℃）

粉胶比从0.22 →0.33，胶浆的Jnr3.2下降斜率明显陡于从0.33 →0.44 的下降斜率。以矿粉为例，粉胶比从0.22 增加到0.33，矿粉胶浆的Jnr3.2数值下降了1.11，而从0.33 到0.44，Jnr3.2仅下降了0.35。这说明粉胶比达到0.33 后，粉胶比继续增长对沥青的高温性能提升的效果降低。这是因为随着填料的增加，填料在沥青中难以拌和均匀，部分填料未被沥青裹附，胶浆的黏附性、流动性都有所损伤，从而影响了胶浆的高温性能。

根据Jnr3.2的大小，评定胶浆高温性能从优到劣为：硅藻土胶浆＞赤泥胶浆＞矿粉胶浆＞原样沥青。

2.2 粘结性能及自愈合性能

BBS 拉拔试验是收录在AASHTO TP-91 中作为评价沥青与集料黏附性的方法，具有物理意义明确，设备便于携带，试验方法简单且直观的特点[12]，故本研究采用BBS 拉拔试验来评价胶浆的粘结性能和自愈合性能。

试验进程如图2所显示。原样沥青和三种胶浆的拉拔试验结果如图3所示。

图2 BBS 拉拔试验进程

图3 原样沥青和胶浆的拉拔试验结果

由图3知，赤泥胶浆和硅藻土胶浆随着粉胶比的增大，初次拉拔强度也增大，但是从粉胶比0.33 →0.44 过度时，其自愈合率下降。说明拉拔强度最好的胶浆不一定具有最好的抗水损坏的能力，因为这些胶浆的自愈合性能可能较差。在低温环境时下，当胶浆自愈合性能较差时，由水和交通荷载引起的损坏将难以愈合，并且会很快的反射到路面上。

考虑到很多时候，材料的强度和模量正相关，所以本研究尝试建立起胶浆初次拉拔强度与胶浆复数剪切模量的关系，结果如图4所示。

图4 胶浆初次拉拔强度和胶浆的复数剪切模量关系

从图4可知，随着复数剪切模量的增大，胶浆的初次拉拔强度增大。复数剪切模量G*=G＇+iG＂，其中G＇是弹性响应的系数，G＂是黏性响应的系数，故G*在一定程度上表征沥青的黏弹性质。拉拔强度是克服了沥青的黏滞特性而将材料拉断的应力，所以模量和拉拔强度之间会存在着紧密的关系。

在三种不同填料的胶浆中，硅藻土胶浆的拉拔强度和自愈合率均是最大。一来是因为硅藻土胶浆具有最大的复数剪切模量；二来是因为硅藻土具有孔隙率高、比表面积大、吸附性强、活性好等特点，导致硅藻土能与沥青更好的粘结。

一般来说，沥青的的初次拉拔强度和自愈合率越大，所对应的沥青混合料的抗水损害性能越好。然而0.33 粉胶比和0.44 粉胶比的胶浆初次拉拔强度和自愈合率所呈现的增长规律不一致，因此本研究进一步采用冻融劈裂试验来确认0.33和0.44 粉胶比胶浆所拌和的沥青混合料的抗水损害性能，试验结果如图5所示。

由图5知，0.33 粉胶比拌和的沥青混合料劈裂强度比更高。当粉胶比为0.33 时，硅藻土沥青混合料的劈裂强度比达到了91.6%，水稳定性能明显好于加入矿粉、赤泥胶浆的沥青混合料。

图5 不同填料的劈裂强度比比较

3 填料指标与胶浆性能关联性分析

本研究采用灰色关联分析的方法，针对胶浆的高温性能，粘结能力和自愈合性能和水稳性能与填料的几种不同的指标的关联度进行分析，确定这几种不同指标对沥青胶浆影响程度的大小。

取0.33 粉胶比的沥青胶浆的Jnr3.2表征其高温性能，初次拉拔强度表征其粘结能力，自愈合率表征其自愈合能力，劈裂强度比表征对应沥青混合料的水稳定性。

填料指标为Al2O3含量，SiO2含量，CaO 含量，干压空隙率，细度模数。

表3为填料指标与胶浆性能的关联度。

表3 填料指标与胶浆性能的关联度

由表3可知，干压孔隙率和细度模数对胶浆性能的影响显著，填料的化学成分对胶浆性能无明显的影响。原因是填料与沥青拌和时间有限，沥青与填料以物理共混为主，因此填料的物理性质会对胶浆性能影响更为明显。

填料的干压孔隙率和胶浆性能紧密相关的原因是：

①填料的微孔结构影响了沥青的吸附和湿润作用和填料及沥青粘结面积，从而影响胶浆的粘结性能；

②在高温状态下，沥青会以液态渗入填料空隙当中，温度下降后，沥青会在空隙中发生胶凝硬化，这种嵌入和锚固作用会像小爪子一样深入到填料内部，从而增强了沥青与填料之间的机械结合力。

填料的细度模数对沥青的性能影响显著的原因是：在胶浆体系中，一般极细填料的表面能较高，此时填料会吸附沥青中结构相近的组分来自发降低体系的表面能以保持体系的稳定性[13]。因此沥青的组分会发生改变，性能可能将发生改变。

硅藻土由于孔隙率高，比表面积大，因此沥青之间形成了良好的粘结力和机械咬合力，从而提高了沥青的粘结性能、自愈合性能及混合料的水稳定性；同时硅藻土颗粒细小，为了降低体系的表面能，会选择性的吸收沥青中入芳香烃、蜡等组分，从而显著提高了沥青的高温抗车辙性能。

4 结论

通过对高温抗车辙性能、粘结性能、自愈合性能、水稳定性能对不同填料的沥青胶浆/沥青混合料进行的研究，可以得出以下结论：

（1）填料的添加，可以提高沥青的高温性能，粉胶比大于0.33 时，增大粉胶比对沥青抗车辙高温性能的改善降低。

（2）胶浆的初始拉拔强度随着粉胶比增大而增大，并且初始拉拔强度和胶浆的复数剪切模量呈正相关。

（3）通过对比0.33 和0.44 粉胶比胶浆拌和的沥青混合料的劈裂强度比，发现粉胶比为0.33时，沥青混合料具有更好的水稳定性。

（4）相比于矿粉和赤泥，硅藻土可以更好的改善沥青/沥青混合料的高温性能、粘结性能、自愈合性能和水稳定性能。

（5）在填料的不同性质指标中，干压孔隙率和细度模数对胶浆的路用性能有较大的影响。