水泥改性沥青胶浆路用性能及微观机理试验研究

雷小磊,崔玉龙

安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南,232001

根据近代胶浆理论，沥青胶浆是决定沥青混合料黏弹性的重要因素。在高温及车辆荷载作用下，沥青混合料中沥青胶浆逐渐软化，黏聚力逐渐降低，极易造成混合料的骨架结构失稳破坏，最终导致混凝土路面面层开裂和永久变形的出现。近年来，以SBS、SBR等聚合物对沥青材料进行改性的应用广受关注，由此也显著增加了沥青混凝土铺面建设工程的实际成本。有试验研究表明，通过添加一种或数种无机填料对沥青或沥青混合料进行改性，选择合适的施工技术工艺，使填料与沥青等混合料充分拌和均匀，能有效提高其耐久性。随着对无机填料的研究，将来源广泛、成本低廉的矿粉、水泥、石灰、粉煤灰、火山灰等常见的无机微粉作为填料应用到沥青混凝土中逐渐受到改性沥青领域研究的关注。如冯新军，熊锐，杨晓凯等围绕煤矸石粉沥青胶浆路用性能开展了一系列的研究[1-4]。

水泥呈粉状，能在空气或水中硬化，硬化后强度较高。作为一种无机胶凝材料，可以把砂、石等骨料充分胶结，在工程领域广泛应用。目前，国内外对水泥改性沥青胶浆的路用性能进行了一些研究，如刘矿军[5]认为，在粉胶比为1.2的情况下，当水泥替换矿粉掺量低于40%时，掺加水泥替代矿粉对沥青胶浆改善效果较为显著；王佃峰[6]通过研究水泥掺量在稳定度和动稳定度方面的变化规律，综合考虑高温稳定性和经济性后认为，水泥掺量不宜超过3.5%，以2.5%为宜；林宏伟等[7]认为，乳化沥青冷再生混合料力学强度随着水泥掺量增加不断增大，当水泥掺量超过1.5%后，冷再生混合料的力学强度增长速率放缓；水泥掺量为1.5%时，马歇尔稳定度、干湿劈裂强度和抗剪强度分别提高了11%、19%、21%和85%。

上述研究显示添加水泥的剂量与沥青混合料的早期强度成正比，其改善冷拌沥青混合料的早期强度的效果显著，而且有助于提高冷拌沥青混合料的抗压强度和常温劈裂强度，对沥青混合料水稳定性的改善效果也比较显著。本研究将沥青胶浆作为一个整体研究，通过不同掺量的水泥替代矿粉以改善沥青胶浆性能和黏弹性，从沥青胶浆的微观机理进行分析，以提高沥青混合料的路用性能。

研究选用水泥(C)和矿粉(MP)作为填料，分别以填料与沥青质量比mc/ma为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8等6种比例制备C-沥青胶浆和MP-沥青胶浆，对不同mc/ma条件下的水泥和矿粉填料改性沥青胶浆的路用性能进行对比，对沥青胶浆材料的基本指标测定试验、标准黏度测定试验、动态剪切流变试验(DSR)、弯曲梁流变试验(BBR)，利用扫描电镜(SEM)和红外光谱试验(IR)对水泥改性沥青胶浆微观机理进行分析，评判水泥替代矿粉的可行性，得到水泥改性沥青胶浆的合理mc/ma比例，为水泥替代矿粉作为填料改性沥青混凝土路用性能的可行性提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1 沥 青

沥青选用A-10#基质石油沥青，主要技术指标如表1所示。

表1 A-10#基质石油沥青的主要技术指标

1.1.2 填 料

水泥选用安徽舜岳水泥有限责任公司所生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，根据相关规范[8-10]，其相应主要技术性能指标如表2所示。矿粉选用S95粒化高炉矿粉，主要技术指标如表3所示。所用材料各项技术指标均满足规范[8-10]要求。水泥和矿粉的主要化学组成成分如表4所示，水泥和矿粉原状如图1所示。

表2 水泥的主要技术指标

表3 矿粉的主要技术指标

表4 水泥和矿粉的主要化学组成

图1 2类填料原状图

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

选用水泥和矿粉作为填料，分别以填料与沥青质量比mc/ma为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8等6种制备C-沥青胶浆和MP-沥青胶浆。具体制备施工技术工艺为：首先将两类填料置于100 ℃±5℃烘箱中烘干至恒重，然后将一次选取的A-10#基质石油沥青置于160 ℃烘箱中加热至流质状态并过滤杂质后备用。按照设计的不同mc/ma比例，将两类填料分2～3次加到基质沥青中，为实现填料与基质沥青充分拌合的目的，使用小型磁力加热搅拌器在150 ℃±5 ℃的恒温下以1 000 r/min转速充分搅拌均匀成沥青胶浆。按照规范要求，浇筑制备设计沥青胶浆试验的模具中，并严格按照规范要求进行养护。

1.2.2 基本指标测定试验

沥青针入度指数反映了沥青结合料温度感应性；沥青软化点反映了沥青黏度的高低和沥青材料热稳定性；沥青延伸度反映了沥青塑性的高低。沥青三个基本指标对沥青混凝土路面的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳能力和耐久性有着重要影响。根据规范要求，分别对两类填料按照设计的不同mc/ma比例的沥青胶浆试件进行基本指标的测定，以此评判沥青胶浆的高温及低温的稳定性能。

1.2.3 标准黏度测定试验

沥青黏度是条件性指标，测试结果与测试方法、试验温度、测试过程相关联，所以仅对黏度测定结果作数值比较。试验选用了自动恒温数显沥青黏度计测定设计沥青胶浆材料流动状态时的标准黏度，测定试验温度为175 ℃，以此评定沥青胶浆的温度敏感性。

1.2.4 DSR试验

DSR是一种动态试验，主要检测材料的剪切性能，广泛应用于评价沥青材料的动态剪切流变性能。选用SHRP的动态剪切流变试验仪，设定试验基本参数为ω=10 rad/s(1.59 HZ)，剪切应变为10%，在50 ℃温度环境下对制备的直径为25 mm，厚度为1 mm沥青胶浆试样进行试验，测定沥青胶浆的相位角δ、复数模量G*，并计算G*/sinδ来评价沥青胶浆材料的高温性能及抗车辙能力。

1.2.5 BBR试验

根据规范要求，选用BBR流变仪对沥青胶浆材料进行测试，分别测定各个沥青胶浆试件在低温环境下的弯曲蠕变劲度模量S和蠕变速率m，以评价沥青材料的黏弹性和低温抗裂性能，试验温度设定为-10 ℃和-16 ℃。

2 试验结果分析

2.1 基本指标测定试验结果

两类不同填料沥青胶浆进行针入度(25 ℃)、软化点和延伸度(25 ℃)基本指标测定[11]，结果如图2—4所示。

图2 两类沥青胶浆针入度试验结果

由图2可知，两类不同填料沥青胶浆的针入度均随mc/ma的增大而降低，相同mc/ma条件下，针入度较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆，MP-沥青胶浆的针入度降低了7.9～53.8/0.1 mm，下降幅度为5.5%～37.6%;C-沥青胶浆降低了2.1～52.5/0.1 mm，下降幅度为1.5%～36.7%。在mc/ma为0.4和0.5的条件下，MP-沥青胶浆的针入度比C-沥青胶浆分别下降了14.4和24.1/0.1 mm，下降幅度分别为44.2%和51.3%。

图3 两类沥青胶浆软化点试验结果

由图3可知，两类不同填料沥青胶浆的软化点均随mc/ma的增大而升高，相同mc/ma条件下，软化点较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆，MP-沥青胶浆的软化点提高了1～14.8/℃，提升幅度为1%～15.2%，C-沥青胶浆提高了1.2～21.6/℃，提升幅度为1.2%～22.2%。在mc/ma为0.4、0.5、0.6和0.8的条件下，C-沥青胶浆的软化点比MP-沥青胶浆分别提高了2.2 ℃、3.9 ℃、3.5 ℃和6.8 ℃，提升幅度分别为31.4%、32%、22%和31.5%。

图4 两类沥青胶浆延伸度试验结果

由图4可知，两类不同填料沥青胶浆的延伸度均随mc/ma的增大而减小，相同mc/ma条件下，延伸度较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆，MP-沥青胶浆的延伸度降低了3～12 cm，下降幅度为25%～100%;而C-沥青胶浆降低了1.5～12 cm，下降幅度为12.5%～100%。当mc/ma为0.6时，MP-沥青胶浆试件发生脆断，mc/ma为0.8时，C-沥青胶浆试件也发生脆断。在mc/ma为0.3、0.5和0.6的条件下，MP-沥青胶浆的延伸度比C-沥青胶浆分别下降了1.9 cm、2.3 cm和5.3 cm，下降幅度分别为 50%、36.5%和44.2%。

上述分析结果表明，随着两类不同填料mc/ma比例的不断增加，沥青胶浆性能基本指标改变较大，当mc/ma为0.4～0.6时，C-沥青胶浆的软化点提高明显大于MP-沥青胶浆，而针入度和延伸度下降的趋势缓于MP-沥青胶浆，说明C-沥青胶浆在高温及低温的稳定性能方面优于MP-沥青胶浆。

2.2 标准黏度测定试验结果

根据试验规范，选用自动恒温数显沥青黏度计，在175 ℃试验温度环境下，对两类不同填料沥青胶浆流动状态时的标准黏度进行测定，以此评定沥青胶浆的温度敏感性。试验结果如图5所示。

图5 两类沥青胶浆标准黏度试验结果

由图5可知，两类不同填料沥青胶浆的黏度均随mc/ma的增大而增大，相同mc/ma条件下，黏度较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆，MP-沥青胶浆的黏度提高了0.02～0.28 Pa·S，提升幅度为6.7%～93.3%;而C-沥青胶浆提高了0.1～0.5 Pa·S，提升幅度为33.3%～166.7%。在mc/ma为0.4、0.5、0.6和0.8的条件下，C-沥青胶浆的黏度比MP-沥青胶浆分别提高了0.09、0.08、0.08和0.06 Pa·S，提升幅度分别为42.9%、32%、26.7%和17.6%。

上述分析结果表明，不同填料改变沥青胶浆的黏度幅度不尽相同，在mc/ma为0.4～0.6时，C-沥青胶浆在感温性和高温性能方面显著优于MP-沥青胶浆。

2.3 DSR试验结果

根据试验规范，选用SHRP的动态剪切流变试验仪，在50 ℃试验温度环境下，对两类不同填料沥青胶浆的相位角δ、复数模量G*进行测定，计算该沥青胶浆抗车辙因子G*/sinδ，来评价沥青胶浆材料的高温性能和抗车辙能力[12]。试验结果如图6所示。

图6 两类沥青胶浆50 ℃时抗车辙因子

由图6可知，两类不同填料沥青胶浆的50 ℃抗车辙因子均随mc/ma的增大而增大，相同mc/ma条件下，抗车辙因子较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆，MP-沥青胶浆的抗车辙因子提高了0.2～1.1 KPa，提升幅度为11.1%～61.1%;而C-沥青胶浆提高了0.6～4.4 KPa，提升幅度为33.3%～244.4%。在mc/ma为0.4、0.5、0.6和0.8的条件下，C-沥青胶浆的抗车辙因子比MP-沥青胶浆分别提高了2.4、2.9、3.1和3.3 KPa，提升幅度分别为85.7%、80.6%、79.5%和75%。上述分析结果表明，在mc/ma为0.4～0.6时，C-沥青胶浆的弹性提升幅度和抗车辙能力显著优于MP-沥青胶浆。

2.4 BBR试验结果

根据试验规范，选用BBR流变仪，在-10 ℃和-16 ℃试验温度环境条件下，对两类不同填料沥青胶浆的弯曲蠕变劲度模量S和蠕变速率m值进行测定，以评价沥青材料的黏弹性和低温抗裂性能[13]。试验结果如图7—10所示。

图7 两类沥青胶浆-10 ℃时蠕变劲度模量

图8 两类沥青胶浆-16 ℃时蠕变劲度模量

图9 两类沥青胶浆-10 ℃时蠕变速率

图10 两类沥青胶浆-16 ℃时蠕变速率

由图7、图8可知，两类不同填料沥青胶浆的蠕变劲度模量S均随mc/ma的增大而增大，相同mc/ma条件下，蠕变劲度模量S较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆。-10 ℃时，MP-沥青胶浆的蠕变劲度模量S提高了1.6～136.5 MPa，提升幅度为5.6%～478.9%，而C-沥青胶浆提高了8.2～227.9 MPa，提升幅度为28.8%～799.6%；-16 ℃时，MP-沥青胶浆的蠕变劲度模量S提高了13.8～384 MPa，提升幅度为34.8%～969.7%;而C-沥青胶浆提高了19.9～562.7 MPa，提升幅度为50.3%～1 421%。在mc/ma为0.4、0.5和0.6的条件下，-10 ℃时，C-沥青胶浆的蠕变劲度模量S比MP-沥青胶浆分别提高了28.8、53.3和70.1 MPa，提升幅度分别为44.3%、45.4%和40.4%；-16 ℃时，C-沥青胶浆的蠕变劲度模量S比MP-沥青胶浆分别提高了178.8、128.8和184.7 MPa，提升幅度分别为51.9%、33.8%和35%。

由图9、图10可知，两类不同填料沥青胶浆的蠕变速率m均随mc/ma的增大而下降，相同mc/ma条件下，蠕变速率m较高的是MP-沥青胶浆，较低的是C-沥青胶浆。-10 ℃时，MP-沥青胶浆的蠕变速率m下降了0.09～0.43(下降幅度为9.9%～47.3%)，而C-沥青胶浆的蠕变速率m下降了0.12～0.48(下降幅度为13.2%～52.7%)；-16 ℃时，MP-沥青胶浆的蠕变速率m下降了0.1～0.52(下降幅度为11.8%～61.2%)，而C-沥青胶浆的蠕变速率m下降了0.18～0.53(下降幅度为21.2%～61.2%)。在mc/ma为0.3、0.4和0.5的条件下，-10 ℃时，C-沥青胶浆的蠕变速率m比MP-沥青胶浆的蠕变速率m分别下降了0.02、0.02和0.01，下降幅度分别为7.4%、6.1%和2.6%；-16 ℃时，C-沥青胶浆的蠕变速率m比MP-沥青胶浆分别下降了0.07、0.06和0.04，下降幅度分别为25.9%、16.2%和9.1%。

上述分析结果表明，在相同温度条件下，mc/ma为0.3～0.6时，C-沥青胶浆的蠕变劲度模量S明显优于MP-沥青胶浆，C-沥青胶浆的蠕变速率m比MP-沥青胶浆下降较快，下降幅度较大。说明黏弹性C-沥青胶浆优于MP-沥青胶浆，而低温抗裂性能较MP-沥青胶浆有所降低。

3 水泥改性沥青胶浆微观机理分析

为了深入研究水泥改性沥青胶浆的微观作用机理，通过对水泥和矿粉两类填料进行粒度分布测试，分析两类填料的化学组成特点和其与沥青间的黏结能力，利用扫描电镜(SEM)和红外光谱(IR)设备，对比两类填料及mc/ma为0.5时沥青胶浆的微观形貌图和红外光谱图，分析两类填料改善沥青胶浆性能的微观作用机理及沥青胶浆的官能团变化情况。通过对水泥和矿粉两类填料进行粒度分析，结果如图11所示。

图11 两类填料粒度分析结果

由图11可知，由于水泥的颗粒较细，比表面积更大，在进行沥青胶浆制备时，mc/ma相同的情况下，水泥比矿粉吸附沥青的能力更强，接触面变大，沥青胶浆材料中的沥青比重更高，这是C-沥青胶浆黏结力更强的主要原因。对照水泥和矿粉两类填料的主要化学组成(如表4所示)可知，水泥中SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性矿物成分的总量约为矿粉中三者总量的近3倍，这更有助于提高水泥与沥青的黏结力。通过对水泥和矿粉两类填料进行电镜扫描可以得到微观形貌图，如图12所示。

图12 两类填料微观形貌图

由两类填料微观形貌图可以看出，矿粉颗粒为多面体结构，结构致密，颗粒较大，表面光滑，棱角较少，微孔隙较少，相互之间连接不强。水泥颗粒为多孔隙结构，表面粗糙，与沥青形成较为致密的整体结构，使胶浆形成更多的结构沥青，从而显著提高沥青胶浆的感温性和高温性能[14]。

选用通过IR仪对试验中的A-10#沥青、mc/ma为0.5条件下的MP-沥青胶浆和C-沥青胶浆3组试件进行分析发现，两类填料沥青胶浆均未发生新的化学反应，没有产生新的官能团，仅在峰强上产生了变化。通过对吸收峰分析，峰强排序为：基质沥青>MP-沥青胶浆>C-沥青胶浆，这表明与MP-沥青胶浆相比，具有多孔结构的C-沥青胶浆中填料吸收的沥青轻质组分更多，沥青中胶质和沥青质的相对含量增大，起到了增强沥青胶浆的感温性和高温性能作用。

4 结 论

水泥填料颗粒更细，表面更粗糙，孔隙结构易于吸收更多的沥青轻质组分，含有的SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性矿物成分的总量约为矿粉中三者总量的近3倍，更有助于提高水泥与沥青的黏结力。论文通过对不同掺量的水泥和矿粉两类填料沥青胶浆进行试验研究，分析胶浆材料在高温稳定性、低温抗裂性、感温性、黏弹性和抗车辙能力方面的变化，研究得出水泥改性沥青胶浆mc/ma在0.4～0.6之间时性能提升较大。在工程实际应用中，还需要充分考虑道路的等级、设计要求、经济社会效益等，适当调整mc/ma，利于发挥水泥对沥青混合料性能改善的目的。