矿粉对沥青胶浆流变性能影响及微观分析

2020-06-30念腾飞陈隆建

功能材料 2020年6期

林梅，李萍，念腾飞，陈隆建

(兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050)

0 引言

沥青胶浆是沥青混合料中最重要的部分，它的组成结构及流变性能对沥青混合料的路用性能有决定性的影响[1,3]。高温条件下沥青胶浆软化，粘结力降低，并在重载车辆荷载的作用下产生流动变形，致使沥青混合料结构失效而发生破坏。低温状态下，沥青胶浆劲度模量增加，蠕变速率降低，导致混合料出现低温开裂。另外，矿粉的粉体特征及合理掺量对沥青混合料的性能也有至关重要的影响[4,6]。因此，温度，频率，粉胶比是影响胶浆流变性能的三大重要因素。

国内外学者对沥青胶浆的流变性能已经展开了大量研究。文献[7]采用动态剪切流变仪(DSR)对布敦岩改性沥青胶浆分别进行流变试验，分析其高温流变特性；笔者[8-9]采用DSR对低温寒冷地区及再生沥青的流变性能和微观表征进行了研究，探讨了沥青微观变化与宏观性能的关联性；文献[10]通过流变试验发现基质沥青胶浆与SBS改性沥青胶浆的力学强度和黏弹性变化源于其组成之间的相互作用；文献[11-12]采用DSR和布氏旋转粘度试验(BV)，分析高粘沥青胶浆动态剪切流变特性的影响因素，结果表明，提高改性沥青粘度和粉胶比能够改善高粘沥青胶浆高温抗变形性能；文献[13]采用DSR、BV和弯曲梁流变试验(BBR)分析活化煤矸石改性沥青胶浆重复蠕变劲度的粘性部分和蠕变劲度模量与粉胶比之间的关系，得到其最佳粉胶比；文献[14]研究了多种沥青胶浆动态流变性能和性能失效机理，结果表明：胶浆中的填料对于胶浆的强度和力学性能影响较为显著，而对于沥青胶浆的低温性能影响相对较小。然而，沥青胶浆的路用性能归根结底是由于沥青与填料之间交互作用而产生的微观结构的影响，但由于其微观结构的差异，导致沥青胶浆及沥青混合料具有很大的变异性，其规律很难掌握[15]。目前国内外对沥青胶浆微观结构的研究主要集中于粉胶比和矿粉在沥青中的实际分布状况[16]。文献[17-18]采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)和电子能谱(EDXA)等微观试验手段，对水泥乳化沥青复合胶浆微观结构特征进行了研究，表明1:1的粉胶比、较高强度水泥以及石灰岩矿粉有利于复合胶浆微观结构的改善；文献[19]通过微观试验对煤矸石粉沥青胶浆的流变特性影响进行了分析，表明：煤矸石灰颗粒更细，比表面积更大，表面更粗糙，能够显著提高了沥青胶浆的高温稳定性能，改善感温性；文献[20]研究了灰分、矿粉物质的微细观特性及各自组成胶浆的高温性能，结果表明灰分胶浆的高温性能优于矿粉胶浆；文献[21]从填料的微观结构出发，分析了矿粉性质对沥青胶浆流变性能的影响，结果表明填料的颗粒尺寸、疏水性以及掺量对胶浆流变性能影响显著。

综上所述，目前虽然已有大量学者开展了填料性质对胶浆的流变特性影响的研究，但是对于影响流变参数的主要因素的分析均不够系统全面，且导致胶浆宏观流变性能改变的微观机理分析鲜有报道。因此有必要进一步分析不同种类的矿粉及组成胶浆的性能，明确影响各个因素对胶浆高低温流变特性影响，并对矿物填料在沥青中的作用机理进行分析和讨论，从而对不同填料在沥青路面的应用给出指导和理论支撑。

1 试验材料和方法

1.1 原材料技术特性

1.1.1 沥青

沥青采用KL90#基质沥青，其技术指标见表1。

表1 KL90#基质沥青技术指标

1.1.2 矿粉

选取4种岩性不同的石料(石灰岩、花岗岩、灰绿岩、玄武岩)，将石料洗净、烘干，并磨去表面风化层后，用电磁式制样粉碎机磨成粉状，用0.075 mm方孔筛筛取粒径0.075 mm以下的矿粉作为试样，根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)测得其技术指标见表2。

表2 矿粉技术指标

1.2 试样制备

对4种矿粉配置了5种不同的粉胶比(矿粉质量m1与沥青质量m2之比，即m1/m2)，分别为0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6，共20个试样。采用高速剪切机进行搅拌制备沥青胶浆，首先将4种矿粉置于100 ℃的烘箱10 min，根据粉胶比称取相应的质量，分别加入150 ℃的KL90#沥青中，搅拌10 min，保证矿粉与沥青混合均匀，最终制得不同粉胶比的花岗岩沥青胶浆(GAM)、辉绿岩沥青胶浆(DAM)、石灰岩沥青胶浆(LAM)、玄武岩沥青胶浆(BAM)。

1.3 试验方法

1.3.1 沥青胶浆高温流变测试

采用美国产高精密TA-HR-1动态流变仪进行高温流变试验。试件尺寸为直径25 mm，试验板间隙为1.00 mm，加载模式为温度扫描和频率扫描。

(1)频率扫描试验

试验采用频率扫描加载模式，测试温度为64 ℃，控制应变为12%，测试的角频率范围为0.1%到100%。

(2)温度扫描试验

试验采用温度扫描加载模式，控制应变为1.25%，测试的温度范围为58～76 ℃，间隔为6 ℃，角频率为10 rad/s。

1.3.2 沥青胶浆低温流变试验

采用美国Cannon公司产的低温弯曲梁流变仪TE-BBR9进行小梁弯曲试验。在尺寸为125 mm×12.5 mm×6.25 mm，梁跨距为10 mm的沥青胶浆小梁上，施加试验荷载(980±50) mN，试验时间60 s，BBR的测试温度要求是路面最低设计温度以上10 ℃，因此，本试验采用常用低温试验温度-12 ℃、-18 ℃下恒温60 min，且温度控制误差不超过±0.1 ℃，得到弯曲蠕变劲度模量S和蠕变曲线斜率m。

1.3.3 矿粉及沥青胶浆的微观测试

(1)XRD测试

本试验采用X射线物相分析仪(型号D/MAX-Ⅲ型，日本理学(RIGAKU)公司)，对矿粉样品物相进行分析，测试条件：Cu靶Kα线，电压40 kV，电流40 mA，步长0.02°。

(2)SEM电镜扫描测试

试验所用扫描电镜为德国产蔡司(ZEISS)EVO18分析型扫描电镜，分别对不同粉胶比的石灰岩沥青胶浆进行SEM电镜扫描测试。

2 试验结果与分析

2.1 胶浆高温流变性能分析

2.1.1 频率对流变参数的影响

为了测试沥青胶浆在不同频率下粘弹性能的变化，选取64 ℃下1.2粉胶比的4组胶浆，分别对其进行频率扫描，得到的复数剪切模量(G*)和相位角(θ)随频率(w)变化曲线如图1所示。

由图1(a)可以看出，4种胶浆对数复数剪切模量随着对数频率增加呈线性增长，且均比基质沥青值大，表明矿粉的加入使沥青胶浆抵抗荷载的抗变形能力增强，这即是矿粉模量增效行为。频率从0.1 rad/s增大到100 rad/s，对应的荷载速度从10～140 km/h[22]，沥青胶浆的复数模量增大了3个数量级，可见荷载作用频率对G*影响之大。频率扫描模式下，花岗岩胶浆的G*最大，说明4种矿粉中，花岗岩最有利于提高沥青的抗车辙性能。由图1(b)可以看出,低频状态(0.1～10 rad/s)，相位角变化不明显，但是在高频状态下(10 ～100 rad/s)，曲线呈发散状态，说明高频快速的交通荷载下，沥青胶浆比沥青具有明显的弹性，其中花岗岩胶浆略有优势。

2.1.2 温度对流变参数的影响

为了测试沥青胶浆在不同温度下粘弹性能的变化，选取1.2粉胶比下4种胶浆的对数复数模量和相位角随温度变化曲线如图2所示。

图1 胶浆流变参数随频率(w)的变化曲线Fig 1 Curves of rheological parameters of asphalt mastic with frequency (w)

图2 胶浆流变参数随温度(T)的变化曲线Fig 2 Curves of rheological parameters of asphalt mastic with temperature (T)

由图2(a)可以看出，加入矿粉之后复数剪切模量比基质沥青大幅度提高，说明沥青胶浆劲度增大，抗流动性增强。相同温度下，石灰岩沥青胶浆的lnG*最大，表明石灰岩沥青胶浆的高温条件抗流动性强。不同温度下的lnG*差别很大，58 ℃的复数剪切模量远大于76 ℃的，表明随着温度升高，胶浆复数剪切模量减小，抵抗变形的能力减弱。由图2(b)可以看出，随着温度的升高，胶浆的相位角呈线性增加，且与基质沥青增长趋势一致。58 ℃的相位角比76 ℃的相位角小了2.5°左右，这是由于随着温度的升高，自由沥青的体积变大，胶浆的弹性成份比例减小，黏性成分增大。在76 ℃时相位角接近90°，此时沥青胶浆已经不是典型的粘弹性状态而进入流动的黏性状态，说明温度对沥青胶浆的粘弹性影响较大。

2.1.3 粉胶比对流变参数的影响

沥青胶浆与沥青结合料一样，在通常情况下表现为粘弹性材料特征，但随着粉胶比的变化，沥青胶浆体系发生改变，导致路用性能发生改变。为研究沥青胶浆流变性能随粉胶比的变化规律，图3分别给出64 ℃下流变参数复数剪切模量、相位角随粉胶比的变化曲线。

由图3(a)可以看出，4种胶浆在不同温度下对数复数剪切模量lnG*的变化规律表现出一致性，即加入矿粉之后沥青胶浆的lnG*均比基质沥青大幅度提高，而且随着粉胶比的增加，lnG*呈大致线性增大趋势，说明矿粉能够增加沥青胶浆的劲度，使之抗流动性增强，这即是矿粉模量增效行为。从图3(b)看出，随着粉胶比的增加，4种胶浆在不同粉胶比下的相位角与基质沥青的相位角差值在0.5°以内，结果说明矿粉的种类及含量对沥青的粘弹性影响非常小。

2.2 BBR低温小梁弯曲试验结果分析

劲度模量S表征沥青在低温条件下的变形能力，相同测试温度条件下，S越小，沥青低温变形能力越好；而蠕变变化率m表征沥青在低温条件下的应力松弛能力，m越大说明沥青材料的应力松弛能力越好[23]；-18℃和-12℃下604 s的S、m结果汇总见图4和5所示。

图3 胶浆的流变参数随粉胶比(m1/m2)的变化Fig 3 Curves of rheological parameters of asphalt mastic with m1/m2

图4 S值随粉胶比(m1/m2)的变化曲线Fig 4 Curves of S of asphalt mastic with m1/m2

图5 m值随粉胶比(m1/m2)的变化曲线Fig 5 Curves of m of asphalt mastic with m1/m2

由图4和图5可以看出，随着粉胶比的增加，沥青胶浆的S值随之增大，m值随之减少。说明矿粉的加入降低了沥青的低温性能，且随着粉胶比的增大，沥青胶浆的低温性能随之降低。SHRP规定S值不能超过300 MPa，m值不能低于0.3，这两个值反映了路面低温收缩时胶结料耗散应力的能力[24]。图4(a)和图5(a)可以得到，在-18℃时，各粉胶比的沥青胶浆的S都大大超过规范值，而m都低于规范值，表明在-18℃的四种矿粉配置的沥青胶浆的低温抗裂性能较差；图4(b)和图5(b)可以看出，同粉胶比下，-12℃的S值与-18℃相比均减少，m值增大。其中当粉胶比为1.2时，-12℃下4种沥青胶浆的S和m接近规范值。因此可判断出，4种矿粉沥青胶浆的控制低温为-12℃，低于此温度易发生低温开裂的危害。同时由图4(b)和图5(b)的低温分析结果可以看出，粉胶比高于1.2时其低温性能达不到要求，说明低温地区沥青胶浆要严格控制粉胶比不可过大。同粉胶比状态下，胶浆的S值依照从大到小顺序依次是LAM>DAM>GAM>BAM，说明4种胶浆中石灰岩胶浆的低温性能最好。

2.2 高低温流变性能的相关性分析

为研究沥青胶浆的整体路用性能，对不同粉胶比的沥青胶浆的高温下lnG*值、低温下的m值进行相关分析。以花岗岩沥青胶浆为例，探讨了相关性分析规律，其中0.8～1.6为粉胶比。

图6 花岗岩沥青胶浆的高低温性能相关性分析Fig 6 Correlation analysis of GAM’s high and low temperature performance

由图6可知，不同粉胶比的沥青胶浆的lnG*值与m具有较好的线性负相关，由于lnG*值越大，高温性能越好；m值越大，低温性能越好。因此，沥青胶浆与沥青及沥青混合料一样，在高温稳定性与低温抗裂性的一致性上存在矛盾，高温稳定性好的沥青胶浆，其低温性能相对薄弱；反之亦然。为解决这一对矛盾，需要综合考虑沥青胶浆高低温性能，确定平衡其高低温性能的最佳粉胶比。

为了兼顾沥青胶浆高低温流变性能组合达到最优，在64 ℃高温及-12 ℃低温下推荐胶浆的合理粉胶比为1.2。4种胶浆中花岗岩沥青胶浆在高频重载条件下的抗流动性最强；石灰岩沥青胶浆对温度敏感性最低，其高温条件下抗车辙能力最好，低温性能抗开裂能力最佳。

2.3 矿粉及胶浆的微观分析

2.3.1 矿粉XRD结果分析

为了得到4种矿粉的岩性特征，进而分析其对组成胶浆的路用性能影响，采用XRD光谱技术对4种矿粉进行测试，其XRD分析结果如图7所示。

图7 不同矿粉的XRD图谱Fig 7 XRD patterns of different mineral powders

通过标定分析后，得出如下结论：(1)为辉绿岩的XRD图谱，矿粉的主要物相为闪透石(Ca2(Mg,Fe)5[Si4O11]2(OH)2)、钠长石(Na[AlSi3O8])、钾长石(K[AlSi3O8])、石英(SiO2)；(2)为玄武岩的XRD图谱，除了方解石的特征峰以外，还存在闪透石(Ca2(Mg,Fe)5[Si4O11]2(OH)2)、钠长石(Na[AlSi3O8])、钾长石(K[AlSi3O8])、石英(SiO2)的特征峰，但相比于辉绿岩，其特征峰的峰强较弱，说明其含量较低；(3)为花岗岩的XRD图谱，其主要物相为石英(SiO2)、斜长石([Ca0.38Na0.62][Al1.38Si2.62O8])等，为酸性结晶，而这种酸性组分对沥青与矿粉的粘结力不利。但是本研究中花岗岩矿粉加入沥青中其模量增效行为最强，其原因是4种矿粉的物理性质中比表面积最大，细度最细，因此，花岗岩矿粉对沥青的增效行为最强；(4)为石灰岩，其主要物相为方解石(CaCO3)，是溶于酸型结晶，而沥青为酸型特征，所以石灰岩与沥青结合较好，形成沥青胶浆的结构致密，因此其高温下抗流动性强，低温下不易开裂。因此可以推断出，矿粉的比表面积对胶浆的流变性能影响大于其矿料酸碱性组分对胶浆的流变性能影响。

2.3.2 胶浆的微观形貌分析

为探索矿粉在沥青中分布规律及不同物相的界面状态，分析胶浆内部的微观作用，从而为胶浆的宏观流变性能提供微观解释。选取基质沥青和石灰岩沥青胶浆进行SEM电镜扫描，其放大200倍的扫描结果如图8所示。

图8 石灰岩沥青胶浆微观形貌Fig 8 Microscopic morphology of limestone asphalt mastic

从图8可以看出，当粉胶比从0到0.8时，由于矿粉的加入，沥青分子间的抗错位能力增强，因此沥青胶浆的模量和强度有了很大提高。当粉胶比从0.8到1.2之间，沥青胶浆的结合界面趋于稳定，过渡形态趋于平滑，矿粉与沥青之间结合也更加紧实，胶浆界面粘结力增强。当粉胶比从1.2到1.6之间，胶浆微观界面的粘结状况变差，矿粉离析，甚至发生团聚现象。这是由于随着矿粉的过量增加，矿粉之间由于表面的吸附作用而发生团聚不易分散到沥青之中，导致了部分矿粉抱团，使得界面的粘结力变差，沥青胶浆呈现脆性形态，低温下易发生开裂。因此推荐粉胶比为1.2时，沥青胶浆达到高低温性能组合的最佳状态。沥青胶浆的微观形貌表征从微观层面解析了导致宏观流变性能变化及确定最佳粉胶比的内部原因。