矿粉对沥青胶浆性能的影响

李 涛， 扈惠敏

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

近代胶浆理论认为沥青混合料是一种三级空间网状结构的分散系，即沥青混合料以粗集料为分散相分散在沥青砂浆中，沥青砂浆以细集料为分散相分散在沥青胶浆中，沥青胶浆以填料为分散相分散在沥青介质中。三级分散体系中以沥青胶浆最为重要，其组成结构与性能直接影响着沥青混合料路用性能。文献［1－3］证实胶浆性质是沥青混合料高温抗车辙性能与低温抗裂性能的决定性因素。

沥青胶浆主要由沥青加填料组成。本文探讨了矿粉作为添加料，其材质、粒径、表观密度、亲水系数等技术指标对沥青胶浆性能的影响。

1 矿粉性能指标试验结果

本文所用1＃～3＃矿粉从3个高速公路工程用料中随机取样得到，4＃～9＃矿粉选用4处石料场出产的母岩，用试验室盘式研磨机自行磨制而成。6＃、7＃矿粉来自同一母岩，8＃、9＃矿粉来自同一母岩。

1.1 母岩岩性鉴定

岩矿鉴定是研究岩石、矿石的主要矿物组成，矿物成生序列，结构、构造、岩矿类型的技术方法。本文所采用的矿粉大部分来自不同的矿石母岩，其结构、物质成分和构造会对矿粉的性质产生影响。鉴定结果见表1所列。

表1 矿粉母岩鉴定

由表1可见，试样多为细晶层状、鮞状灰岩，6＃、7＃矿粉母岩为白云岩，8＃、9＃矿粉母岩碳含量高。

1.2 粒径

文献［4］中规定0.075mm的集料质量与沥青胶浆质量比称为粉胶比，而对矿粉的粒径要求是通过水洗法确定0.6、0.3、0.15、0.075mm 的通过率，对矿粉粒径分布无明文要求。本文采用成都精新粉体测试设备公司生产的JL－1178型干法激光粒度仪对矿粉的粒径组成进行了精确分析，各粒径累积分布测试结果如图1所示。

从图1可看出，矿粉的粒径分布是有差别的，3＃、5＃、7＃、9＃矿粉较细，6＃、8＃矿粉较粗。为了定量分析矿粉粒径分布，引入表征颗粒细度的指标包括细度模数、D50、P30和P50，见表2所列。表2中，D50为累积通过率50%的粒径，P30、P50分别指粒径为30μm和50μm的累积通过率。对于细度模数，在矿粉粒度分析基础上参照天然砂的细度模数计算方法给出：

其中，A1～A11分别对应75～1.13μm各筛孔的累计筛余百分率。

图1 各矿粉粒径累积分布

表2 各矿粉试样粒径指标

从表2可以看出，细度模数与D50相关性较好，两者都比较适合用来表征矿粉粒径指标。其中5＃矿粉细度模数为3.31，最细；6＃矿粉细度模数为5.16，最粗。

1.3 表观密度

矿粉的表观密度随其矿物成分、粒径的不同而改变，会影响到施工拌合时与沥青的胶结情况。根据文献［5］中相关规定进行表观密度试验，试验结果见表3所列。

由表3可以看出，微晶灰岩矿粉2＃的表观密度最大，碳质细晶灰岩矿粉9＃的表观密度最小。

表3 各矿粉试样表观密度

1.4 亲水系数

矿粉的亲水系数即矿粉在水（极性介质）中膨胀的体积与同一试样在煤油（非极性介质）中膨胀的体积之比，用于评价矿粉与沥青混合料的黏附性能。亲水系数小于1则矿粉对沥青的黏附性大于对水的黏附性，试验结果见表4所列。

表4 各矿粉试样亲水系数

亲水系数受矿粉级配、表面性质等因素影响，当亲水系数小于1时，其值越小表明矿粉越容易吸附沥青，胶结程度越好。由表4可知，不同材质的矿粉，亲水系数存在差异，对比3＃石灰岩矿粉与7＃白云岩矿粉可以看出，细度指标接近的情况下，石灰岩矿粉要比白云岩矿粉亲水系数小约10%，即石灰岩矿粉更易吸附沥青。矿粉母岩中含碳质会影响其亲水系数，即影响矿粉与沥青的吸附能力，表4中3＃矿粉亲水系数最小，为0.62，9＃矿粉（含碳质）与3＃矿粉细度指标接近，亲水系数却相差约50%。

矿粉细度影响亲水系数，对比1＃～5＃矿粉可以发现，各细度指标与亲水系数相关性均在0.5以上，且基本符合同种岩性下，矿粉粒径越小，亲水系数就越低、越易吸附沥青的规律。

2 胶浆性能试验

美国SHRP研究计划提出了新的基于流变学思想的沥青结合料性能测试方法。其中包括动态剪切流变试验（Dynamic Shear Rheometry，简称DSR）、弯曲梁流变试验（Bending Beam Rheometer，简称BBR）等。国内外研究［6－8］表明动态剪切流变试验（DSR）能够较好地模拟交通条件，反映沥青胶浆高温变形特性；弯曲梁流变试验（BBR）能够较好地模拟沥青路面的低温开裂，反映胶浆的低温特性。本文采用DSR、BBR试验来测试加入不同矿粉的SBS沥青胶浆的高低温性能，并与SBS沥青净浆做比较，从而研究矿粉对沥青胶浆的改性效果。

2.1 DSR试验结果

本文DSR试验采用美国TA公司生产的AR2000EX型动态剪切流变仪，针对SBS改性沥青的高温黏弹性能选择试验温度为76℃，试验角频率10rad／s，根据文献［9］应变控制方法，目标应变值为12%。由安徽当地高速公路工程实际经验选择矿粉与沥青的质量比（粉胶比）为0.8，进行3次平行试验取均值。试验结果见表5所列。

表5 各矿粉试样DSR试验结果

从表5可看出，SBS沥青净浆的抗车辙因子为1.593kPa、粉胶比0.8情况下，矿粉使沥青胶浆的抗车辙因子提高了1倍以上，高温改性效果显著。添加不同矿粉的沥青胶浆试样，抗车辙因子差距也较大，加入3＃矿粉的沥青胶浆的76℃抗车辙因子达到4.879kPa，而加入8＃矿粉的沥青胶浆的76℃抗车辙因子仅为3.122kPa。这说明添加不同类型矿粉会对沥青胶浆高温性能有重大影响。

2.2 BBR试验结果

本次BBR试验采用美国CANNON公司TE－BBR低温弯曲梁流变仪。根据安徽当地实际工程情况选择试验温度－12℃，使用与DSR试验相同试样，粉胶比0.8，进行3次平行试验取均值。试验结果见表6所列。

从表6可以看出，SBS沥青原样的劲度模量为114MPa，蠕变系数为0.425，加入矿粉的试样劲度模量为198～274MPa，矿粉的加入会使胶浆低温时冷脆性显著增加，延性降低，但是胶浆劲度模量仍能满足小于300MPa的要求［4］。

表6 各矿粉试样BBR试验结果

2.3 沥青胶浆高低温性能相关性分析

对本文DSR、BBR试验结果进行对比发现，掺入矿粉不仅可以使沥青胶浆高温黏弹性增加，提高抗车辙能力，还会提高低温劲度模量，降低抗裂性能。对胶浆试样的抗车辙因子与劲度模量、蠕变系数分别进行多项式线性回归分析，结果如图2所示。

图2 胶浆高低温性能相关性分析

从图2可以看出，高温抗车辙因子与低温劲度模量相关系数达到0.781，与蠕变系数相关系数为0.536。这表明大部分试样符合高温性能越好、低温性能越差的规律。

2.4 矿粉性能指标与胶浆高低温性能相关性

为分析矿粉性能指标与胶浆高低温性能相关性，将矿粉各项指标与胶浆抗车辙因子、劲度模量、蠕变系数进行多项式线性回归，得到的相关系数见表7所列，部分回归曲线如图3所示。

表7 矿粉指标与胶浆高低温性能相关系数

图3 部分回归曲线

表7反映出矿粉性能指标与掺加矿粉的胶浆性能之间的相关性。从中可以看出：

（1）文献［10－11］表明，矿粉粒径分布与胶浆高低温性能相关性很高，而本文所用矿粉粒径分布的性能指标与抗车辙因子和劲度模量相关程度一般。这一方面是由于所用矿粉母岩岩性不同导致矿粉与胶浆结合程度有差异，另一方面由于8＃、9＃矿粉含有大量碳质，碳质会包裹在粉体与胶浆结合界面处形成孔隙，影响胶结程度。对于1～5＃石灰岩矿粉，其粒径分布性能指标与胶浆高低温性能指数相关性均有所增加，总的来说细度越小，与胶浆结合程度就越充分，而细度越大则越难以与胶浆结合。具体岩性、构造等对矿粉性能的影响程度还需后续试验予以探讨。

而在实际工程中仅使用水洗法无法明确矿粉的粒径分布，必须使用激光密度仪来获取细度模数、D50、P30、P50等指标，比较繁琐不利于实际操作。

（2）表观密度对胶浆性能的影响更多反映在其对沥青混合料的施工过程影响中。试验胶浆拌合过程中发现，表观密度较大的矿粉较易出现沉降现象，由于每次试验拌合胶浆量约为150g，用量小拌合较为充分。实际施工中很难达到实验室拌合条件，容易出现拌合不匀的情况，从而导致胶浆中粉胶结合程度离散大，实际工程中应尽量避免使用表观密度过大的矿粉。

（3）矿粉亲水系数与胶浆高低温性能相关性最好，亲水系数值越低的矿粉与胶浆胶结程度越高，对胶浆高温黏弹性改性效果越佳。且亲水系数试验便于进行，比较适合用来作为胶浆高温性能质量控制指标。

3 结 论

本文通过对矿粉进行粒径分析试验、表观密度试验、亲水系数试验、DSR及BBR试验发现，矿粉类型对胶浆的高温性能、低温性能的影响如下：

（1）不同材质的矿粉，亲水系数存在差异，石灰岩矿粉要比白云岩矿粉亲水系数小约10%，即石灰岩矿粉更易吸附沥青；矿粉母岩中含碳质会影响其亲水系数，即影响矿粉与沥青的吸附能力；矿粉细度影响亲水系数，矿粉粒径越小，亲水系数就越低，也就越容易吸附沥青。

（2）矿粉母岩材质对沥青胶浆高低温性能产生重大影响，工程实践中应重视矿粉母岩材质的选择，含碳石灰岩磨制的矿粉，碳质会包裹在粉体与胶浆结合界面处形成孔隙，影响与沥青的胶结程度，从而影响抗车辙因子与劲度模量。

（3）矿粉细度对胶浆高低温性能有重要影响，同种岩性下矿粉细度越细其亲水系数值越小，胶浆抗车辙因子越高，矿粉对胶浆的改性效果也就越明显。

（4）矿粉的掺加会大幅提高沥青胶浆的高温黏弹性，同时也使胶浆的低温劲度模量增大，应结合实际工程当地气候情况选择掺加的矿粉与粉胶比，平衡混合料的高低温性能。

（5）矿粉的性能指标中，亲水系数与沥青胶浆的高低温性能相关性较高，亲水系数值越低的矿粉与胶浆胶结程度越好，对胶浆高温性能改性效果也就越明显。亲水系数试验简单便于开展，适合作为矿粉对胶浆改性效果的技术指标。

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