基于粉胶比的SBS沥青胶浆性能的研究

2021-02-14康爱红吴帮伟寇长江潘晓慧单桂军

公路工程 2021年6期

吴星, 康爱红，2, 吴帮伟，2, 寇长江，2, 潘晓慧, 单桂军

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127； 2.江苏省玄武岩纤维复合建筑材料工程研究中心，江苏扬州 225127； 3.江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司，江苏仪征 211400)

0 引言

在我国道路交通行业的飞速发展的同时，沥青路面的高温车辙现象愈演愈烈[2-4]，在许多研究中，学者们对掺加外加剂的沥青混合料进行研究[5-6]，从而达到减小高温车辙的效果。但目前关于粉胶比对沥青胶浆和沥青混合料的高温性能的影响的研究却不多。有学者在对沥青胶浆的研究中采用了胶浆理论的概念[7]，在沥青混合料中，粗集料主要是被细集料与沥青所形成的沥青胶浆所包裹，从而相互嵌挤粘结形成强度，所以沥青胶浆的性能可以从侧面研究沥青混合料的性能[8]。因此有必要就粉胶比对沥青胶浆的性能的影响进行研究，从而从侧面反映粉胶比对沥青混合料性能的影响。

目前已有一些学者就粉胶比对沥青胶浆性能的影响进行了研究，丛涛[9]研究了粉胶比和温度对沥青胶浆的低温性能的影响；李培荣[10]等对橡胶沥青胶浆流变特性进行了研究；杨晓凯[11]等对活化煤矸石改性沥青胶浆流变性能进行研究。但是目前对于很少有人综合沥青胶浆高低温性能，及其与纤维的黏附性指标，以及粉胶比对沥青胶浆性能的量化关联度进行研究，并给出综合性能最佳粉胶比。

因此本文依据前人确定沥青胶浆粉胶比的经验[12]，在几种不同温度下测试了不同粉胶比的SBS沥青胶浆的高低温流变性能，以及纤维与其粘附性的大小，得出了一定的结论。此研究对明晰粉胶比对沥青胶浆的高低温性能的影响、粉胶比对纤维与沥青胶浆的黏附性的影响，以及沥青混合料的设计具有一定的理论意义与研究价值。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验用沥青为SBS改性沥青，矿粉为石灰岩矿粉，纤维为江苏天龙玄武岩连续纤维，其规格为400根/束，单根16 μm。按照规范对试验所用的SBS改性沥青、矿粉和玄武岩纤维的各项性能指标进行测试，其结果如表1、表2所示，各项性能均满足规范要求。纤维性能检测结果如下：单纤直径16 μm，孔数400个，线密度0.211 g/m，单幅宽度1.589 mm，断裂强度≥200 MPa。

表1 SBS改性沥青性能检测Table 1 Testing results of the properties of SBS modified asphalt检测项目针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm运动粘度(235 ℃)/(Pa·s)软化点差/℃检测的结果7164491.81.4规范的要求60～80≮55≮30≯3≯2.5检测方法T0604T0606T0605T0625T0661

表2 矿粉性能检测数据Table 2 Testing results of the property of mineral powder类别相对密度/(g/cm3)含水量/%粒径范围<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm亲水系数检测结果2.6710.310094.281.40.62规范要求≥2.5≤110090～10075～100<1检测方法T0352T0103T0351T0351T0351T0353

1.2 试验设计

本文依据前人确定粉胶比的研究经验[12]，选取粉胶比(FB)为0.8、1.0、1.2和1.4。采用动态剪切流变仪、弯曲梁流变仪，在几种不同温度下，对不同粉胶比SBS沥青胶浆高温和低温流变性能进行测试。同时使用新型纤维沥青拉拔仪[1]，对纤维与不同粉胶比下的沥青胶浆进行拉拔测试，记录拔出过程中的最大拉拔力，并计算失稳拉拔功。最终对数据进行分析，给出沥青胶浆中的最佳粉胶比(矿粉含量/沥青含量)，并依据矿料筛分结果，结合沥青混凝土配合比设计中关于粉胶比的规定，给出了沥青混凝土设计中规范计算粉胶比(0.075 mm通过率/有效沥青含量)的建议值。

1.3 试样的制备

在制作试验所用沥青胶浆试样时，首先将SBS改性沥青和所用矿粉加热至165 ℃，然后将称量好的矿粉分多次加入沥青之中，使用搅拌机搅拌20～30 min，以保证沥青胶浆的均匀性，最后用搅拌好的沥青胶浆来制作不同试验所需的沥青胶浆试样。

1.4 动态剪切流变试验

本文采用美国SHRP提出的动态剪切流变仪(具体型号为Bohlin ADS流变仪)，对不同粉胶比的沥青胶浆进行高温流变性能的测试。

赵国军[13]在研究中采用了美国提出的反映纬度、气温和路表温度之间关系的经典回归模型，计算了纬度为32.03°地区的路面各层最高温度。由于本文所作研究位处江苏省的省会南京纬度为32.03°，与赵国军研究纬度一致，其研究发现，全年上中下面层的最高气温在7月，平均温度为59.73 ℃。所以本文在进行沥青胶浆流变性能测试时，采用更加贴合实际的温度，最终选择测试温度为46 ℃、52 ℃、58 ℃。

1.5 沥青胶浆低温弯曲流变试验

本文采用弯曲梁流变仪(TE-BBR-F型)，在不同低温温度下对不同粉胶比的SBS沥青胶浆进行低温弯曲流变试验(BBR)，在此试验中，蠕变劲度S单位为MPa，在低温下，其值越大沥青胶浆越脆；m代表蠕变速率，反映这沥青胶浆的应力松弛水平，m过小则说明沥青较硬。本文测试沥青胶浆在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃，及60 s处的蠕变劲度S值和蠕变速率m值。

1.6 拉拔试验测试流程概述

本文使用课题组研制的新型纤维沥青拉拔仪，在试验数据最稳定的试验温度40 ℃[1]下，选取20 mm为纤维埋置长度，并在设定的10 mm/min拉拔速度下，对不同粉胶比的SBS沥青胶浆进行拉拔测试，电脑记录最大拉拔力和此时的纤维拔出长度，经过计算得出失稳拉拔功。每种粉胶比下进行3次拉拔测试，若拉拔测试与平均值的误差超过10%，则重新进行测试。

图1是某次拉拔测试中位移与拉拔力的关系曲线，在拉拔力达到峰值之后，拉拔力显著减小，这就说明了此时纤维与沥青胶浆之间的粘结以及所达到的破坏状态，图中峰值左边曲线与位移坐标轴的面积近似为三角形，称此三角形面积为“失稳拉拔功”，失稳拉拔功单位为J，可以表示纤维与沥青胶浆的黏附性能，并可以从侧面直接反映沥青胶浆的黏性。

图1 拉拔试验曲线

测试的主要流程为： ①在模具中浇筑一半沥青胶浆试样(见图2)，按照相同埋置长度放入纤维，然后浇筑另一半的沥青胶浆；②在图3箭头所示的总控台中进行参数设置；③待试样温度降为常温，将其放入拉拔仪内部，在40 ℃下控温1 h；④点击开始按钮，进行拉拔力的测试。

图2 试样浇筑

图3 纤维拉拔仪

2 试验结果与分析

2.1 粉胶比对沥青胶浆高温性能的影响

沥青胶浆的性能主要受粉胶比的影响，3种不同的温度下，不同粉胶比沥青胶浆在不同试验温度下的车辙因子、相位角、复数黏度等指标如图4～图6所示。

由图4可知，在试验温度固定的情况下，沥青胶浆的车辙因子随着粉胶比的增大而增大。温度越低，粉胶比对沥青胶浆车辙因子的变化幅度与速率越大。由此说明温度较低时，粉胶比对沥青胶浆车辙因子的影响比温度较高时粉胶比对沥青胶浆车辙因子的影响更大。这主要是由于矿粉的增加使得沥青与更多的矿粉在其表面结合形成了结构结合成了结构沥青膜，结构沥青膜的增加使得整个沥青胶浆更加具有弹性性质。

图4 不同粉胶比下的车辙因子

由图5可知，从总体上看，其规律与车辙因子规律一致，在试验温度固定的情况下，沥青胶浆的复数黏度随着粉胶比的增大而增大。在温度达到52 ℃和往上时，粉胶比对沥青胶浆复数黏度的影响速率与变化幅度相差无几，几乎呈平行变化趋势。

图5 不同粉胶比下的复数黏度

由图6可知，从总体变化幅度来看，温度越低，相位角的变化幅度越小。其原理主要还是矿粉的增加会使得沥青与矿粉形成更多的结构沥青薄膜，从而使得沥青胶浆的弹性性能越来越好。在粉胶比为最小值0.8时，3种温度下的沥青胶浆的相位角几乎相同，可见粉胶比较小时，温度对相位角的影响不大，而粉胶比对沥青胶浆的相位角的影响始终较大。

图6 不同粉胶比下的相位角

2.2 高温流变性能、温度和粉胶比灰色关联分析

我国科学家邓聚龙在21世纪80年代提出了灰色理论的概念，运用此理论可以在一定数据的基础上，得到既定的某些影响因素对目标的影响大小排序。经过一系列计算，最终可以得到关联度，关联度的大小则反映了各个影响因素对目标的影响大小排序。关联度越大，则表明该影响因素对目标的影响越大。为了得到关联度，首先应该将目标与各个影响因素在某条件下的数据进行排列，并按照归一法对所有数据进行处理，以消除单位对其的影响；接着设置目标数列，即参考数列，记为X0；其次将各个影响因素数列记为Xi，并计算X0-Xi；接着再去确定式(1)和式(2)的值，其中n是对目标的影响因素的个数，而m是目标和各个影响因素的数据的个数。然后按照式(3)来计算各个影响因素的数据的关联系数，然后将各个关联系数进行列表，最后再按照式(4)来计算各个影响因素的关联度，最终将所得到的关联度进行排序，得到各个影响因素对目标的影响的大小的排序。

(1)

(2)

ξ(|x0(k)-xi(k)|)=

(3)

(4)

在本文中，目标数列为各流变性能数据列，ρ取值为常用的0.5。在使用以上公式和步骤对所有数据进行灰色关联后，结果如表3所示。

表3 流变性能的关联度表Table 3 Relevance degree table of the rheological properties流变性能影响因素关联度车辙因子粉胶比0.590 3温度0.574 6复数粘度粉胶比0.720 3温度0.846 6相位角粉胶比0.739 9温度0.625 8

由于沥青和沥青胶浆是一种感温性材料，其各项性能受温度的影响较大，而从表3可见，车辙因子、相位角与粉胶比、温度的关联度差值很小，复数粘度与粉胶比的关联度甚至大于其与温度的关联度，因此可以看出，粉胶比对流变性能的影响和温度对流变性能的影响相当，在某些参数上甚至大于温度对流变性能的影响，所以粉胶比对SBS沥青胶浆的流变性能的影响是较大的。

2.3 粉胶比对沥青胶浆低温性能的影响

由图7可知，在3种较低温度下，沥青胶浆的蠕变劲度与粉胶比呈正相关关系，且温度越低，变化速率越大，这说明粉胶比的增加会使得沥青胶浆变脆。当粉胶比为0.8～1.2时，其变化速率较缓，但当粉胶比超过1.2时，蠕变劲度变化速率突然变快，此时很容易造成沥青胶浆开裂等现象，这主要是由于粉胶比的过度增加会导致更多的矿粉凝聚在一起，因此宜控制粉胶比小于1.2。

图7 粉胶比对蠕变劲度的影响

由图8可知，在3种低温下，沥青胶浆的蠕变速率与粉胶比呈负相关关系，温度越低其变化速率越大，说明在温度较低时，沥青胶浆的蠕变速率更易受粉胶比的影响。与蠕变劲度变化规律一致，当粉胶比为0.8～1.2时，其变化速率较缓;当粉胶比超过1.2时，变化速率加快，与上面结论一致，粉胶比的大小不宜超过1.2，此结论也与郑传峰[14]等对沥青胶浆低温粘结性的研究结果一致。

图8 粉胶比对蠕变速率的影响

2.4 粉胶比对最大拉拔力的影响

采用新型纤维拉拔试验机，在设定的40 ℃、20 mm埋置长度和10 mm/min的参数下，对粉胶比为0.8、1.0、1.2、1.4的SBS沥青胶浆与江苏天龙玄武岩纤维进行拉拔测试，最大拉拔力的测试结果如图9所示。

图9 不同粉胶比下天龙玄武岩纤维最大拉拔力

由图9可知，纤维的最大拉拔力随着沥青胶浆粉胶比的增大而增大，这主要是由于矿粉的增加会导致更多的沥青与矿粉结合成为结构沥青薄膜，结构沥青薄膜和其内部的矿粉与玄武岩纤维之间有着很好的咬合力，沥青胶浆的粘性得以增加，因此粉胶比越大则最大拉拔力也越大，即粉胶比的增加会使得沥青胶浆的黏性增加，从而表现为与纤维的黏附性的增大。这和复数黏度的灰色关联分析结果一致，粉胶比对复数黏度的影响甚至大于温度对其的影响，由此可见粉胶比对沥青胶浆的影响较大，需要引起我们的重视。4种粉胶比(FB)下，每组试验做3次，失稳拉拔功的结果如表4所示。

表4 失稳拉拔功Table 4 Pull out energy when the pulling is unstable不同粉胶比下的失稳拉拔功/JFB=0.8FB=1.0FB=1.2FB=1.41#2#3#1#2#3#1#2#3#1#2#3#0.020 20.022 10.021 40.022 70.025 20.026 00.026 70.029 60.028 50.040 50.035 90.039 6平均值0.021 2平均值0.024 7平均值0.028 3平均值0.038 7

由表4进一步验证了粉胶比对沥青胶浆与玄武岩纤维之间的黏附性能之间的关系，显然不论是最大拉拔力指标还是失稳拉拔功指标，他们都随着粉胶比的增大而增大，由此可以说明粉胶比的增大可以增加纤维与沥青胶浆之间的黏附性能。结合之前对粉胶比对沥青胶浆高温和低温流变性能的研究，从沥青胶浆的综合性能来看，SBS沥青胶浆的最佳粉胶比为1.2。

2.5 粉胶比在沥青混合料设计中的思考

目前许多关于沥青混合料的研究都强调沥青胶浆对沥青混合料性能的影响[15]，同时粉胶比又是影响沥青胶浆性能的重要因素。我国规范规定，在沥青混合料的设计中，粉胶比指的是沥青混合料中0.075 mm的矿料通过率与有效沥青的含量的比值。

由矿粉的筛分结果看，本文所用矿粉中0.075 mm的通过率为81.4%，0.075～0.15 mm的含量为12.8%，0.15～0.6 mm的含量为5.8%。可见矿粉中大部分粒径都是小于0.075 mm的，但不可忽略的是0.075～0.6 mm的细粒矿料的含量虽然较少，但也会对沥青胶浆的性能造成一定的影响。

本文做了一系列试验后，提出粉胶比(矿粉含量/沥青含量)为1.2时，SBS沥青胶浆的综合性能最佳。因此依据矿粉筛分结果计算可知，本文实验中对应的0.075 mm通过率与沥青含量的最佳比值应该为1.2×81.4%=0.976 8。同时，考虑到0.075～0.6 mm的细料也会对沥青胶浆的性能造成一定的影响，因此根据本文的试验结果，建议在沥青混凝土设计中，确定沥青用量和混合料的级配曲线时，严格控制0.6 mm矿料通过率与有效沥青含量的比值不得超过1.2，并且从沥青胶浆的综合性能角度来看，建议最佳规范计算粉胶比(0.075 mm通过率/有效沥青含量)为0.976 8。此结论也在其他学者给出的沥青混合料配合比设计的粉胶比范围之内[16-17]，进一步验证了该数据的可靠性。