凝灰岩矿粉与石灰岩矿粉沥青胶浆性能的对比

谢 博，杨 涛，关宏信，徐泽人

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004；2.浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江温州 325038）

由矿粉和沥青组成的沥青胶浆是沥青混合料最重要的一种组成部分，虽然矿粉的用量在沥青混合料中所占的比重并不大，但矿粉种类的改变可以导致沥青混合料路用性能产生很大的变化。沥青路面作为一种无接缝的连续式柔性路面，以其行车平稳、扬尘小、噪音小、养护方便以及能够回收利用等优点在高速公路建设中占据了主导地位。沥青路面的使用性能和寿命取决于所采用沥青混合料的质量，因此，对沥青混合料的研究已成为许多学者关注的焦点。沥青混合料是由粗集料、细集料、沥青及填料按一定比例组成的具有多级空间网状胶凝结构的混合物，沥青通过与集料、填料粘结在一起共同作用［1］。但是，长期以来，人们只重视对沥青的研究，试图将沥青材料的技术性能与混合料的技术性能挂钩，却忽略了填料作为混合料的一部分，它起到重要的分散和粘结作用［2］。

填料通过与沥青材料的相互作用组成的沥青胶浆来实现其对沥青混合料起到的粘结和填充空隙的作用。在相同沥青用量的条件下，优质填料与沥青相互作用的比表面积越大［3］，填料颗粒之间的粘结力就越大，对提高沥青混合料的强度就越好。目前，中国使用最多的填料是石灰岩矿粉，但是，随着高速里程的增加，优质填料并非取之不尽用之不竭，因此开发和寻找新的石料产品来补充现有材料的短缺具有重要的意义。作者拟以浙江地区的凝灰岩作为研究对象，对凝灰岩沥青胶浆进行常规实验、动态剪切流变试验（DSR）和弯曲梁流变试验（BBR），探究凝灰岩与优质石灰岩矿粉性能的优劣。

1 原材料

1.1 沥青

采用70＃基质沥青和SBS改性沥青，其性能指标分别见表1，2。

表1 70＃基质沥青性能指标Table 1 Performance indicators of 70＃basic asphalt

表2 SBS改性沥青性能指标Table 2 Performance indicators of SBS modified asphalt

1.2 矿粉

选用温州施工现场的凝灰岩矿粉和河北施工现场的石灰岩矿粉，其性能指标见表3。从表3中可以看出，2种矿粉的常规指标均符合规范的技术要求。

表3 凝、石灰岩矿粉性能指标Table 3 Performance indicators of the tuff and limestone powder

2 沥青胶浆常规性能试验及结果分析

将70＃基质沥青和SBS改性沥青分别与凝灰岩矿粉和石灰岩矿粉组成的沥青胶浆按粉胶比0.6，0.9和1.2进行常规的针入度和软化点试验。

2.1 针入度试验结果与分析

基质沥青和SBS改性沥青在不同填充料沥青胶浆针入度的比较分别如图1，2所示。

从图1，2中可以看出：①与同类别沥青相比，沥青胶浆的针入度都要小得多，如：25℃时，基质沥青的针入度可达到66，而凝灰岩矿粉沥青胶浆在粉胶比0.9时，针入度只有36.4。由此可见，加入矿粉填充料之后，沥青变得更为粘稠，针入度变小。②在固定温度下，沥青胶浆的针入度随粉胶比的增加呈现先减小后增加的规律。这表明存在一个最佳粉胶比，使得沥青和填充料产生的相互作用最强，从而导致硬化效果最好。③在同温度、同粉胶比条件下，凝灰岩沥青胶浆的针入度都比石灰岩沥青胶浆的针入度要小，由此可知，凝灰岩矿粉比优质石灰岩矿粉对沥青的硬化效果略好些。

图1 基质沥青在不同填充料沥青胶浆针入度的比较Fig.1 Asphalt mortar penetration comparison between different filler fillings in basic asphalt

图2 SBS改性沥青在不同填充料沥青胶浆针入度的比较Fig.2 Asphalt mortar penetration comparison between different filler fillings in SBS modified asphalt

2.2 软化点试验结果及分析

沥青胶浆软化点的比较如图3所示。

图3 沥青胶浆软化点比较Fig.3 Comparison of asphalt mortar softening point

从图3并结合表1，2可以看出：①沥青胶浆的软化点比沥青的软化点有不同程度的提高，可见填料的加入对沥青产生了硬化作用，使得沥青胶浆粘度增加，软化点得到了提高，这一结果跟针入度的变化趋势一致。②随着粉胶比增大，沥青胶浆的软化点呈递增趋势。③无论是基质沥青还是SBS改性沥青，在同种沥青、同等粉胶比的情况下，凝灰岩沥青胶浆的软化点要比石灰岩沥青胶浆的略低，由此可知，凝灰岩沥青胶浆的粘度和高温性能略差于石灰岩沥青胶浆的。

总之，仅靠沥青的3大指标试验来评判沥青胶浆基本性能，进而探究填充料对沥青胶浆的影响是不够完善的。还需要其他沥青胶浆性能试验的共同验证。

3 沥青胶浆路用性能研究

3.1 动态剪切流变试验及结果分析

沥青胶浆是沥青和填料的混合物。与沥青相比，沥青胶浆的微观结构为二元非均质的系统，其性能发生了很大的变化，仅靠简单的沥青3大指标试验来评价沥青胶浆的技术性能是远远不够的。为此，采用动态剪切流变试验［4－5］，研究沥青胶浆的高温性能［6－8］，并分析填料的技术性能与混合料性能的相关性。

本研究中DSR试验采用美国BOHLIN公司生产的C－VOR150型动态剪切流变仪。试验采用应变（γ＝12%）控制模式，试验频率换算成角速度（ω＝10rad／s），试验温度采用64℃。试样直径为25mm，厚度为1mm。试验方法采用AASHTO标准TPS。

复数剪切模量G＊反映材料受到重复剪切时的总阻力，它包括弹性（可回复）和粘性（不可回复）两部分。经DSR测试，其计算公式为：

式中：τ为剪应力，Pa；γ为剪应变，%。

各试样采用的是老化前的沥青胶浆，试验结果分别见表4，5。表4，5中，δ为相位角，是可回复和不可回复变形的量度（δ越大，材料塑性越大，弹性越差；反之，则材料塑性越小，弹性越好）；G＊cosδ为可恢复部分，反映弹性部分；G＊sinδ为不可恢复部分，反映粘性部分，即表示沥青在变形过程中能量的损失；G＊／sinδ为车辙因子（G＊／sinδ越大，抗车辙能力越强。在相同的G＊时，δ越小越好，即弹性分量大，粘性分量小，抗车辙能力强）。

表4 70＃沥青胶浆动态剪切流变试验结果Table 4 Dynamic shear rheometer test results of 70＃asphalt mortar

表5 SBS沥青胶浆动态剪切流变试验结果Table 5 Dynamic shear rheometer test results of SBS modified asphalt

从表4，5中可以看出：①沥青胶浆抗车辙因子远大于同类别沥青的抗车辙因子。这说明沥青由于填料的加入变得更为坚硬，抗车辙能力得到了显著提高。②车辙因子随着粉胶比的增加而增加，并且随着粉胶比的不断增加，抗车辙因子增加的幅度也变得越来越大。③从相位角来看，随着粉胶比的增加，基质沥青胶浆的相位角变化很小。这说明填料的掺量对基质沥青胶浆相位角的影响很小，这是因为沥青胶浆虽然受到的总的剪切阻力增加，但是弹性部分与粘性部分的比例保持不变；所不同的是，SBS改性沥青胶浆的相位角随着粉胶比的增加却在逐渐减小。这表明SBS改性沥青胶浆中粘性性质所占比例逐渐变小，弹性性质所占比例逐渐变大。④从胶浆类型来看，无论沥青类型是70＃基质沥青还是SBS改性沥青，3种粉胶比的凝灰岩矿粉沥青胶浆的车辙因子都要比石灰岩矿粉沥青胶浆的大。这表明凝灰岩矿粉比优质石灰岩矿粉对沥青胶浆的高温性能提升更大。

3.2 沥青胶浆低温弯曲试验

沥青混合料属于粘弹性材料，在低温下会变得脆硬，变形能力差，因此容易在温度应力和荷载应力下产生裂缝。通过弯曲梁流变仪（BBR）［9］，测试沥青胶浆小梁来评价沥青胶浆的低温性能［10］。用弯曲梁流变仪［11］记录蠕变劲度S和蠕变斜率m。蠕变劲度S表征沥青胶浆柔性。蠕变劲度S越大，则沥青浆胶的柔性越差，其可变性能力小。蠕变斜率m表征沥青浆胶的松弛能力。蠕变斜率越大，沥青胶浆的松弛能力越强。当遇到温度快速下降时，沥青胶浆就具有更好的低温性能。试验结果分别如图4，5所示。

图4 不同类型沥青胶浆劲度模量试验结果Fig.4 Stiffness modulus test results of different kinds of asphalt mortar

图5 不同类型沥青胶浆蠕变斜率试验结果Fig.5 Creep slope test results of different kinds of asphalt mortar

从图4，5中可以看出：①任何一种沥青胶浆，无论是从劲度模量还是蠕变斜率的角度，其低温性能都要比同类别的纯沥青差得多。这表明掺加填料虽然能显著提高其高温性能，但是低温抗裂性能却因此降低。②随着粉胶比的增加，沥青胶浆的抗裂也在随之降低，并且降低幅度有递增的趋势。③在温度为－12℃的条件下，不同粉胶比的凝灰岩矿粉沥青胶浆劲度模量都要低于石灰岩矿粉沥青胶浆。这表明凝灰岩矿粉沥青胶浆的低温性能在同等温度下比石灰岩矿粉沥青胶浆的好；但是从蠕变斜率来看，不同粉胶比两者的抗裂性能也各有优劣。

4 结语

1）通过对沥青胶浆3大指标试验分析可以看出，随着矿粉的加入，沥青和矿粉的交互作用在性能上都有了不同程度的提升。如：软化点的升高表明沥青胶浆的高温性能比纯沥青的要好；针入度的减小表明了矿粉对沥青起到了硬化的效果；同时凝灰岩矿粉对同类别沥青的提升效果与优质石灰岩矿粉相比，硬化效果提升较为明显，但高温性能提升差些。

2）从沥青胶浆高温性能上来讲，在不同的粉胶比和不同沥青的情况下，凝灰岩沥青胶浆的高温性能都要好于优质石灰岩沥青胶浆的。从BBR试验结果来看，虽然矿粉的加入使得沥青的低温抗裂性能都有所降低，但石灰岩矿粉的加入使得70＃基质沥青和SBS改性沥青的低温抗裂性能降低的幅度稍显更大。

（References）：

［1］刘丽.沥青胶浆技术性能及评价方法研究［D］.西安：长安大学，2004.（LIU Li.Technical performance and evaluating methods of asphalt mortar［D］.Xi’an：Chang’an University，2004.（in Chinese））

［2］Shashidhar N，Shenoy A.On using micromechanical models to describe the dynamic mechanical behavior of asphalt mastics［A］.Proceedings of the 79thAnnual Meeting of the Transportation Research Board［C］.Washington D C：［s.n.］，2000：9－13.

［3］Chen M Z，Lin J T，Wu S P，et al.Assessment of the effect of mineral fillers on asphalt aggregate interfaces based on thermodynamic properties［J］.Construction and Building Material，2011，25：1533－1536.

［4］耿韩，赵永利.沥青胶浆路用性能的流变试验研究［J］.公路工程，2009，34（1）：84－89.（GENG Han，ZHAO Yong－li.The rheological test study of asphalt mortar’s pavement performance［J］.Highway Engineering，2009，34（1）：84－89.（in Chinese））

［5］俞红光，熊锐，陈建荣，等.玄武岩沥青胶浆路用性能研究［J］.公路，2013（10）：179－183.（YU Hongguang，XIONG Rui，CHEN Jian－rong，et al.Pavement performance study of basalt asphalt mortar［J］.Highway，2013（10）：179－183.（in Chinese））

［6］彭波，丁智勇，戴经梁.不同类型沥青胶浆路用性能对比［J］.交通运输工程学报，2007，7（3）：61－64.（PENG Bo，DING Zhi－yong，DAI Jing－liang.Pavement performance comparison of different kinds of asphalt mortar［J］.Journal of Transportation Engineering，2007，7（3）：61－64.（in Chinese））

［7］邵显智，谭忆秋，孙立军.几种矿粉指标与沥青胶浆的关联分析［J］.公路交通科技，2005，22（2）：10－13.（SHAO Xian－zhi，TAN Yi－qiu，SUN Li－jun.Correlation analysis of several mineral powder indicators and asphalt mortar［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005，22（2）：10－13.（in Chinese））

［8］黄卫东，吕伟民.沥青及沥青混合料流变性质与动稳定度的关系［J］.同济大学学报：自然科学版，2000，28（4）：501－504.（HUANG Wei－dong，LV Wei－min.Relationship between rheological performance and dynamic stability of asphalt and asphalt mixtures［J］.Journal of Tongji University：Natural Sciences，2000，28（4）：501－504.（in Chinese））

［9］赵可，李海骢.改性沥青感温性评价指标的讨论［J］.中国公路学报，2000，13（4）：1－7.（ZHAO Ke，LI Hai－cong.Discussion of thermonasty evaluating indicators of modified asphalt［J］.China Journal of Highway and Transport，2000，13（4）：1－7.（in Chinese））

［10］周志雄.填料对沥青胶浆高低温性能影响与沥青胶浆性能预测研究［D］.长沙：湖南大学，2013.（ZHOU Zhi－xiong.Study of the filler’s influence on asphalt mortar’s high and low temperature performance and performance prediction of asphalt mortar［D］.Changsha：Hunan University，2013.（in Chinese））

［11］李秀君.沥青流变特性研究［D］.西安：长安大学，2002.（LI Xiu－jun.Rheological performance study of asphalt［D］.Xi’an：Chang’an University，2002.（in Chinese））