与沥青胶浆性能相关的矿粉颗粒表征参数*

樊 亮 林江涛 李永振

(高速公路养护技术交通行业重点实验室1) 济南 250031) (山东省交通科学研究院2) 济南 250031)

0 引 言

沥青胶浆是沥青混合料物相组成中的一级分散系统，它由矿粉填料分散在沥青中形成[1].沥青胶浆影响混合料的性能，其中的矿粉物理性质和粒度分布差异是一重要影响因素[2].

已有研究表明：填料颗粒尺寸的分布可以影响混合体系黏度和可以结合的最大填料含量[3]；沥青和矿粉界面的相互作用不同程度地影响着沥青胶浆体系的稳定性[4]；填料的分散状态和颗粒形状都会影响沥青胶浆的增劲效果[5].以上研究并未提出全面而有效的矿粉颗粒表征参数，没有在粒径大小和颗粒分布方面建立技术指标.因此，为保证混合料的科学设计与使用，应该在现行规范规定的矿粉基本物理性质的基础上，对矿粉的颗粒表征参数进行重新认识.

文中利用激光粒度分析仪对五种矿粉进行了颗粒表征分析，考察了不同颗粒表征参数的区别与联系，基于沥青胶浆的高温性能和低温性能指标，研究不同颗粒表征参数对其的影响和相关性，并探讨颗粒分布参数对粉胶比设计的影响.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1) 矿粉 沥青混合料的矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应除净[6].选用五种石灰岩质矿粉作对比研究：其中1#、4#分别为平阴、昌乐料场矿粉，2#、3#、5#分别采自龙青高速、日兰高速，以及东青高速养护工程.五种矿粉质量均符合文献[8]的技术要求.部分物理指标见表1.

表1 五种石灰岩质矿粉的物理指标

2) 沥青与胶浆 选用70#道路石油沥青，其指标满足文献[6]中A级沥青技术要求.沥青胶浆制备中，参考工程常用密级配的粉胶比设计现状，设置粉胶比为1.2，即按照矿粉(粒径小于0.075 mm部分)与沥青的质量比1.2进行配置.

五种沥青胶浆的制备统一按照如下过程进行：①将选用的70#道路石油沥青加热至150 ℃，直至沥青成流动状态，便于搅拌；将过筛后的矿粉在105 ℃下烘干至恒重；②按1.2的粉胶比、将矿粉与沥青在150 ℃条件下进行搅拌混合，搅拌速率200 r/min，直至混合物表面不出现气泡为止，搅拌10 min，以保证混合均匀形成沥青胶浆，分别标记为1#、2#、3#、4#、5#胶浆.

1.2 试验方法与指标

1) 颗粒平均粒径Xav利用颗粒对激光的散射特性作等效对比所测出的等效粒径，单位为μm；此指标由分析仪软件自动计算得到.

2) 体积比表面积S/V单位体积颗粒的表面积，单位为cm2/cm3，由分析仪软件计算得到.

3)X90，X50，X10指颗粒粒径分布为90%，50%，10%的粒径，即小于此粒径的颗粒体积含量占全部颗粒的90%，50%，10%，单位为μm.此指标由分析仪软件自动计算提供；X50称为中位粒径；X90，X10分别称为边界粒径，表示粗端粒度、细端粒度大小.

4) 离散度s离散度用来描述粒度分布的宽度或不均匀程度，定义为

离散度s=(X90-X10)/X50

(1)

式中：(X90-X10)为粉体的分布宽度；X50为中位粒度.离散度越小，粒度分布范围越窄，颗粒越集中；反之，粒度分布范围越宽，粒度大小越分散.该指标为量纲一的量.

5)P20利用20 μm时对应的颗粒累计频率作为指标，反映粒径小于20 μm的颗粒占比，单位为%.根据矿粉颗粒累计频率曲线计算出P20.

6) Rosin-Rammler颗粒分布参数Dch，n由于一些粉体的粒度分布范围很宽，且明显不符合正态分布特征，可基于颗粒累计频率曲线、利用RRS函数方程来描述粒度的分布情况.RRS方程为通过对煤粉、水泥等物料粉碎实验的概率和统计理论的研究，归纳出用指数函数表示粒度分布的关系式，即RRS方程[7].

(2)

式中：R(D)为大于某一粒径D(单位：μm)的累积频率；Dch为特征粒径，μm，标识颗粒群宏观上的粗细程度；n为颗粒均匀性系数，标识粒度分布范围的宽窄，与粉体物料性质和粉碎设备有关，对于一种粉碎产品n为常数，对于粉尘类n值常≤1(当n>1时，颗粒呈正态分布).n值越小，粒度越均匀.

同时，针对配置的沥青胶浆采用AR2000ex型动态剪切流变仪和TE型低温弯曲梁流变仪(BBR)进行高温性能和低温性能的评价.采用方法如下.

1) 多应力重复蠕变回复试验 使用AR2000ex型动态剪切流变仪进行MSCR试验.得到60 ℃下、0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下的不可恢复蠕变柔量Jnr@0.1，Jnr@3.2，以此表征沥青胶浆的高温抗变形能力.并利用Jnr@0.1，Jnr@3.2计算不可恢复柔量差ΔJnr，为

(3)

2) 低温弯曲梁流变试验(BBR) 进行-12 ℃的BBR试验[8]，获取不同矿粉沥青胶浆的低温劲度模量S和蠕变速率m，以此表征沥青胶浆的低温性能.

2 结果与讨论

2.1 矿粉颗粒表征与分布

1) 矿粉颗粒分布的总体特征 根据试验安排，利用激光粒度分析仪得到7种矿粉的粒度表征参数、矿粉的粒径-频率分布曲线和累计频率分布曲线，以此来表征矿粉的粒度分布异同.根据激光粒度分析仪器分析结果，汇总得到的五种矿粉的颗粒表征参数，见表2.

表2 五种石灰岩质矿粉的粒度指标

图1为五种矿粉的粒径-频率分布图.由图1可知，尽管矿粉的物理指标都是满足文献[9]现行规范的，但在0.075 mm粒度以下的颗粒分布存在明显的差别.

图1 五种矿粉的粒度-频率分布曲线

图2为五种矿粉的粒度-累计频率分布图.可以看到，不同矿粉的20 μm粒径以下的颗粒含量P20不同，中位粒径X50、边界粒径X90、X10也存在差异，这些参数差别势必会对矿粉的使用性质存在影响.

图2 五种矿粉的粒度-累计频率分布曲线

2) RRS函数颗粒参数 根据矿粉的累计频率分布数据，按照式(2)的RRS函数、利用最小二乘法计算得到五种矿粉的特征粒径Dch和颗粒均匀系数n.图3为示例拟合曲线，计算汇总的拟合参数见表3.两者表明，五种矿粉颗粒的RRS拟合函数相关性均在98%以上，说明矿粉颗粒分布是符合RRS函数特征的，且不同矿粉有着不同的特征粒度Dch和均匀系数n.由表3可知，1#矿粉颗粒最粗，其特征粒度Dch为4.925 μm，5#、3#矿粉最细，其特征粒度Dch在2.9～3.0 μm.而在颗粒分布均匀性上，2#矿粉的均匀系数n最小，粒度最为均匀；1#矿粉的均匀系数最大，粒度分布范围最宽.

图3 矿粉粒度累计频率曲线与RRS拟合

表3 五种石灰岩质矿粉的RRS函数颗粒参数

由于粒度表征参数的计算存在不同的计算理念，对比表2～3数据发现：粒度分析仪得到中位粒度X50和平均粒度Xav均比特征粒度Dch大，矿粉的粒度大小顺序也有所改变.图4的粒度大小顺序对比表明，X10，X50，Dch体现的粒度排序是一致的，即1#、2#、4#、3#、5#粒度逐渐降低；而X50和Xav则有不同，前者大小排序为1#、4#、5#、3#、2#，后者排序为：1#、4#、5#、2#、3#.这种区别是因为粒度的获取方式造成的，也和颗粒的均匀性有关.图5则表明中位粒度X50与特征粒度Dch有一定的相关性，其相关系数R2=0.99.

图4 五种矿粉的不同粒度参数及大小排序

图5 Dch与X50，Xav的关系

同样，表征矿粉颗粒均匀性的两个指标来源不同，因此激光粒度仪获取的离散度s与RRS函数计算得到的均匀系数n在数值有一定区别，但图6显示两者有一定的线性关系，说明两者意义相同，一定条件下能够相互替代、以表征粒度的均匀性.

图6 离散度s与均匀系数n的相关性

3) 体积比表面积与粒径的关系 由于不同粒度表征参数代表了不同的粒度等级，因此会不同程度地影响矿粉颗粒的比表面积，继而会影响颗粒在沥青中的分散均匀程度和使用性质.图7是以矿粉的体积比表面积S/V作为参考指标，对不同颗粒粒度参数做出的相关性曲线；在相关系数R2的对比上，X10，Dch，X50，Xav，X90与体积比表面积S/V的相关系数依次降低，只有X10，X50与Dch的相关系数大于0.95.这就表明粉体颗粒的比表面积更受到颗粒分布中的细端粒度影响；而X10，X50与Dch是影响比表面积的重要参数.

图7 P20参数与体积表面积的关系

同样地，P20代表着粉体颗粒在20 μm粒径之下的部分，涵盖了X50，X10的粒度范围，这个部分含量越高，粉体的比表面积也应越大.但图7中的P20与体积比表面积的相关系数R2仅为0.75，达不到X10，X50与Dch的相关性.

对于表征颗粒均匀的离散度s和均匀系数n而言，它们都代表了矿粉颗粒分布的均匀性和分散宽度，其数值越大，说明颗粒分布越离散、越不集中.图1中的粒度频率分布图已经表明这种分散性的存在，表2～3共同说明了2#、4#、5#、3#、1#的s、n值依次升高，颗粒均匀性变差.但s、n值与矿粉的比表面积关系不大，图8显示出的相关性系数R2仅仅为0.127 1、0.165 6，说明矿粉的比表面积与均匀性关联很小，更大程度上取决于颗粒尺寸中的细端组成.

图8 分散系数与体积表面积的关系

综上所述，在矿粉的粒度表征上，其表征参数不能唯一考虑粒度大小，更要考虑粒度的分布均匀性指数.为了统一对比，本文将X10，X50，X90，Xav，Dch、离散度s，以及均匀系数n均纳入下文讨论.

2.2 粒度大小与胶浆性质

在经验认识上，既然五种矿粉均符合规范要求，且均按照粉胶比1.2的条件与同一种沥青拌制，所得到沥青胶浆应该性质差别不大，但实际上胶浆性质是有明显差别的.

图9为五种沥青胶浆在60 ℃时的MSCR试验结果，其不可恢复柔量Jnr值差别显著.在两个应力水平下，1#、2#、4#、3#、5#的Jnr值依次升高，代表着高温抗变形能力逐渐的降低；同样，BBR试验中的低温劲度模量S和蠕变速率m也呈现规律的变化，图10显示 1#、2#、5#、4#、3#胶浆的低温性能指标中，劲度模量S降低，蠕变速率m升高并渐趋于稳定；其中1#胶浆的低温性能最差，蠕变速率最小，劲度模量最大.

图10 不同沥青胶浆的低温性能

通过相关性分析，获取到沥青胶浆性能指标与矿粉指标的相关性系数R2，见图11.可以发现，沥青胶浆的高温性能、低温性能均与矿粉的颗粒指标相关，特别是特征粒度X50，Dch，X10的相关性系数大于0.9.而两个离散指数s和n与沥青胶浆的高、低温性能关系较弱.同时图12表明，矿粉的粒度(X50，Dch)越大，其不可恢复柔量值(Jnr@0.1，Jnr@3.2)单调降低，胶浆的高温性能得以改善；但矿粉颗粒的增大，会使胶浆低温性能明显衰减，表现为蠕变速率m降低和低温劲度模量S的上升.

图11 沥青胶浆性质与矿粉指标的相关系数对比

图12 两种颗粒参数与沥青胶浆性能的关系

因此，在粉胶比同为1.2的情况下，矿粉的粒度大小会对沥青胶浆性质会带来影响.在充分混合的情况下，粒度越小，会带来更好的低温性能；而粒度增大，高温性能虽有所改善，但低温性能亦衰减显著.

2.3 粒度均匀性与最大粉胶比

按照相关研究，沥青加入矿粉前后的软化点之差若小于10 ℃，形成的沥青胶浆不至于因劲度增长过多而影响其综合性能，尤其是低温性能，所以粉胶比应该存在上限值.已有研究表明，不可回复柔量Jnr均随着粉胶比的增加而降低，沥青胶浆的抗变形能力显著越高，当Jnr@3.2-Jnr@0.1=0时，即不可恢复柔量差ΔJnr=0时，此时粉胶比位置代表着沥青胶浆的最大粉胶比；基质沥青质地越软，最大粉胶比则相应提高,见图13.基于这个认识，可以判断不同矿粉在最大粉胶比上的差别，即在一定粉胶比下，若沥青胶浆ΔJnr>0时，粉胶比是合适的；而当ΔJnr<0时，说明粉胶比过大.

图13 三种石油沥青胶浆的ΔJnr曲线

图14中的五种沥青胶浆的粉胶比均为1.2，1#、3#胶浆的ΔJnr<0，2#、4#、5#胶浆的ΔJnr>0，按照已有研究可认为1#、3#沥青胶浆的粉胶比已经超过最大粉胶比，其合适的粉胶比应该小于1.2；而其他三种胶浆粉胶比则是合适的，其最大粉胶比应该大于1.2.由于所有的沥青胶浆均使用同一基质沥青，这就说明了不同矿粉带来了最大粉胶比上的设计差别，而这种差别与矿粉粒度分布均匀性有关.

图14 不同沥青胶浆的ΔJnr对比

结合矿粉的密度、亲水系数、不同粒度指标和均匀性参数，论文发现物理指标和粒度指标均不能与ΔJnr存在单调关系或者一定的曲线规律，仅有矿粉的离散度s、均匀系数n与ΔJnr存在一定关系.图15表明，在粉胶比为1.2的情况，当矿粉的离散指数s<4.28，均匀系数n<-1时，由此配置的沥青胶浆的ΔJnr>0，沥青胶浆性能是合适的；当离散指数s>4.28，均匀系数n>-1时，胶浆ΔJnr<0，粉胶比应不适合工程应用.

图15 矿粉的均匀系数s、n与ΔJnr的关系

可以认为，在同一沥青使用条件下，不同矿粉会有不同的粉胶比应用比例，这种差别主要由矿粉的颗粒分布均匀性决定；颗粒分布越宽，离散度越大，其最大粉胶比应适当降低比例；在表征粒度均匀性上，由于离散度s和n值可线性对应，在具体指标应用控制中可选择其中一个指标作为矿粉控制指标.

3 结 论

1) 矿粉颗粒表征参数不是唯一的，既要考虑粒度大小，也要考虑粒度的分布均匀性.在影响颗粒群比表面积的关键指标为矿粉的细端粒度X10、中位粒度X50和特征尺寸Dch，前两者可由激光粒度仪快速测量，特征尺寸Dch由粒径频率分布曲线、按照RRS模型拟合获取.粒度的均匀性可以由离散度s和均匀系数n进行表征，两者具有良好的线性关系.

2) 在相同基质沥青和粉胶比条件下，矿粉粒度大小会对沥青胶浆性质会带来影响.在充分混合的情况下，矿粉粒度越小，会带来更好的低温性能；而粒度增大，会提高高温性能指标，但低温性能指标也衰减明显.

3) 在同一基质沥青中，混合不同的矿粉应具有不同的粉胶比要求，这种差别主要由矿粉的颗粒分布均匀性决定；矿粉颗粒分布越宽，离散度越大，其最大粉胶比设置应适当降低；为方便考虑，可利用激光粒度仪获取离散度指标s值进行矿粉均匀性控制指标.

4) 上述结论仅限于一种基质沥青和五种矿粉，后续研究应在大量石油沥青、改性沥青和其他矿粉的样本数据基础进行探索，验证对矿粉颗粒分布、均匀性要求上的控制有效性；出于标准化控制的目的，建议对现行矿粉生产进行不同牌号等级管理，更好地服务沥青混合料的设计与生产.