电气石改性沥青胶浆高温性能研究

吴庆发

摘要：通过锥入度试验、布氏黏度试验和DSR试验，对电气石改性沥青胶浆的高温性能进行了研究，分析电气石目数、掺量以及粉胶比对电气石改性沥青胶浆锥入度、黏度以及60 ℃流变性能的影响。研究表明：随着电气石掺量、目数以及粉胶比的增大，电气石改性沥青胶浆的锥入度逐渐减小，而布氏黏度逐漸增大； 60 ℃的车辙因子随着电气石掺量、目数和粉胶比的增加而不断增大。

关键词：电气石；锥入度；黏度；粉胶比

中图分类号：U416.217文献标志码：B

Abstract： The high temperature performance of tourmaline modified asphalt mortar was studied by cone penetration test， Brookfield viscosity test and DSR test. The influence of tourmaline mesh， content and fillerasphalt ratio on the cone penetration， viscosity and rheological properties at 60 ℃ of tourmaline modified asphalt mortar were analyzed. The results show that with the increase of tourmaline content， mesh and the fillerasphalt ratio， the cone penetration of tourmaline modified asphalt mortar gradually decreases， while its Brookfield viscosity gradually increases. The rutting factor at 60 ℃ also increases with the increase of tourmaline content， mesh and the fillerasphalt ratio.

Key words： tourmaline； cone penetration； viscosity； fillerasphalt ratio

0引言

沥青改性剂材料多为聚合物、树脂类等，虽然改性效果良好，但是制备工艺复杂且价格昂贵，大大提高了生产成本；而无机材料具有来源广泛、价格低廉等特点，从而得到越来越多公路工作者的青睐[13]。目前已经被广泛研究的无机改性剂有纳米CaCO3、石灰、硅藻土、矿质纤维与填料、蒙脱土、粉煤灰、水泥等[49]。虽然这些无机改性剂能够在一定程度上改善沥青路用性能，但也存在很多缺陷。以石灰为例，它能够有效改善沥青混合料的高温抗变形能力，但是会使其水稳定性能严重劣化，影响路面的使用寿命。因此，研发廉价且性能优异的无机改性剂是非常必要。石鑫等研究了不同类型电气石粉对沥青的改性作用，结果表明电气石粉能够显著提高改性沥青的路用性能，且赋予了其良好的压电性能和热电性能[10]；王朝辉对电气石改性沥青混合料的路用性能进行了研究，表明电气石对沥青混合料各项路用性能均有不同程度的提高[1112]。本文从沥青胶浆的角度出发，研究电气石目数、掺量以及粉胶比对沥青胶浆高温性能的影响。

1试验

1.1试验原材料

沥青选用韩国产SK70#，基本技术指标见表1；电气石粉分别选用325目、800目和2 000目，具体化学成分见表2；矿粉选用石灰岩磨制的细粉，技术指标见表3。

1.2试样制备

（1）电气石改性沥青的制备。电气石掺加比例有6%、10%、14%、18%、22%五种。将干燥的电气石缓慢加入到150 ℃～160 ℃的基质沥青中，同时加入适量分散剂，先将转速调至1 000 r·min-1搅拌10 min，再调速至5 000 r·min-1搅拌30 min，最后降速至1 000 r·min-1搅拌10 min，搅拌完成后静置备用。

（2）电气石改性沥青胶浆的制备。本文按照粉胶比0.6、0.8、1.0、1.2和1.4分别制备电气石改性沥青胶浆，制备温度为（175±5）℃。

1.3试验方法

（1）锥入度试验。即便在高温时，沥青胶浆的稠度与黏度仍然较大，而且呈现非均匀分布状态，采用常规的沥青针入度测定方法不可行，所以本文采用锥入度试验测定电气石沥青胶浆的锥入度。试验仪器为经过改装的针入度仪，将标准针换做锥角为30° 的不锈钢锥针，其中锥针、附加砝码以及针连杆合重195 g，盛样皿同样为不锈钢材质，直径100 mm，深度50 mm，具体测试方法与沥青针入度测定方法一致。

（2）旋转黏度试验。本文采用美国Brookfield DVⅡ型旋转黏度仪对电气石改性沥青胶浆进行测试，试验温度为90 ℃、110 ℃、135 ℃以及165 ℃，最后得到电气石改性沥青胶浆的黏温曲线。

（3）DSR试验。本文采用动态剪切流变仪测试电气石改性沥青胶浆60 ℃的流变参数，荷载为100 Pa，频率为1.59 Hz（对应角速度为10 rad·s-1）；试样直径为25 mm，厚度为1 mm。

2试验结果与分析

2.1锥入度试验

电气石沥青胶浆锥入度试验结果见表4，锥入度与温度回归方程系数比较曲线见图1。

从表4锥入度试验数据中可以看出，随着电气石目数的增大以及粉胶比的提高，电气石沥青胶浆锥入度逐渐减小。这是因为：随着粉胶比提高，胶浆体系从沥青连续相逐渐向矿粉连续相转变，这也导致了胶浆黏稠度的显著增大；目数更大即粒径更小的电石粉，其内部微孔暴露得越充分，会吸收更多的沥青油分，对胶浆体系内部的黏聚更有利，沥青胶浆稠度提高更显著，因此，沥青胶浆的锥入度表现为逐渐降低[1314]。

温度的升高明显增大了沥青胶浆的锥入度，且锥入度与温度呈现良好的曲线关系，这表明了电气石改性沥青胶浆同样具备很强的温度敏感性。分析锥入度与温度的回归方程系数可以看出：在电气石目数相同的条件下，系数绝对值的大小与粉胶比成反比，即随着粉胶比的增大，电气石沥青胶浆的温度敏感性随之减弱；而在粉胶比一定的情况下，随着电气石目数的增大，系数绝对值也呈现逐渐减小的趋势。

表5为不同电气石掺量对沥青胶浆锥入度的影响。从表5可以看出，提高电气石粉的掺配比例，电气石沥青胶浆各种温度下的锥入度均逐渐降低。在25 ℃时，掺加10%电气石的改性沥青胶浆的锥入度为基质沥青胶浆的77%，当电气石掺量增加至22%后，该比例仅为513%。这说明电气石的引入可以

显著提高改性沥青胶浆的黏稠度和高温稳定性。原因是基质沥青中加入电气石改性后，可以减弱其从玻璃态转变到黏弹态以及黏弹态转变到黏流态的温度区间内的吸热峰。

2.2旋转黏度试验

分析图2不同电气石掺量的lg lg（η×103 ）lg（T+273.13）曲线可以看出，各种电气石掺量的改性沥青胶浆的lg lg（η×103 ）与lg（T+273.13）呈现良好的线性相关性，而且提高电气石掺量，可以显著增大电气石改性沥青胶浆的黏度。分析表6可知，黏温指数绝对值∣VTS∣随着电气石掺量的增加先降低后升高，在掺量为18%时达到最低值。这说明电气石的引入可以有效提高基质沥青胶浆的黏度，并降低膠浆黏度的温度敏感性。当掺入18%的电气石时，沥青胶浆黏度的温度敏感性最弱，再增加电气石掺量反而对其感温性能不利。

目数越大，即电气石比表面积越大，沥青胶浆的黏度越大；而对于同一目数的电气石改性沥青胶浆，其lg lg（η×103）lg（T+273.13）曲线呈现良好的线性特征，这说明了电气石改性沥青胶浆同样具有温度敏感性。从表7中可以发现，黏温指数绝对值∣VTS∣与电气石目数成反比，即目数越大，对应的沥青胶浆温度敏感性越差。究其原因在于，电气石粉目数越大，电气石颗粒的比表面积大幅提升，与沥青浆体形成更好的裹附作用。

分析不同粉胶比下温度与黏度的关系（图4）可以看出：同一粉胶比下，温度的升高使得电气石改性沥青胶浆的黏度逐渐减小，下降趋势逐渐趋于平缓，其中粉胶比为0.6时的90 ℃黏度与110 ℃黏度相差26 Pa·s，135 ℃黏度仅比165 ℃黏度大2 Pa·s；在同一温度条件下，粉胶比越大，沥青胶浆的黏度越大，其中110 ℃时，粉胶比为14的黏度是粉胶比为06的3倍还多。

从表8中可以看出：不同粉胶比的沥青胶浆黏度均与温度呈现良好的指数函数关系，而且随着粉胶比的增加，黏温指数∣VTS∣先降低后升高，在粉胶比为1.0时达到最小值。这说明电气石沥青胶浆的温度敏感性随着粉胶比的增加先降低后升高，其中粉胶比为1.0的沥青胶浆感温性能最好。这主要是因为：当粉胶比较小时，矿粉颗粒均匀分散在沥青浆体中，吸收部分轻质组分而溶胀，增强了胶浆体系内部分子间的作用力；当粉胶比逐渐增大后，随着沥青含量的降低，矿粉颗粒间的间距逐渐减小，降低了沥青分子的活动空间，矿粉颗粒间的相互作用力在不断增强的同时，破坏了沥青分子间的交互作用，从而使沥青胶浆的温度敏感性又逐渐增强[15]。

2.360 ℃流变性能

分析不同目数电气石沥青胶浆的车辙因子（图5）可以得出：随着电气石掺量的增加，3种目数的电气石沥青胶浆的60 ℃车辙因子均逐渐增大，且相比基质沥青胶浆，电气石改性沥青胶浆的车辙因子更大；在同种掺量下，电气石目数越大，对应的沥青胶浆车辙因子越大。这表明粒径越小的电气石对沥青胶浆的抗高温变形能力越有利，其原因为：随着目数的增加，电气石比表面积增大，内部空隙增大，吸收沥青软质组分更多，沥青的稠度增大，高温性能随之改善；另一方面，电气石粒径的减小增大了颗粒间的接触角，削弱了体系内部的黏附功能，但是这种削弱速度远小于比表面积增大的速度，故而比表面积黏附功显著增大，胶浆体系内聚力增强，内部颗粒间的结合更加牢固[16]，赋予了其较好的抵抗高温变形能力。

60 ℃相位角随着粉胶比的增加而不断上下波动，其中基质沥青胶浆的相位角波动幅度较小；整体来说，同一粉胶比下，电气石掺量对相位角起着消极作用，这表明电气石的加入实现了对基质沥青的良好改性，沥青黏稠度增大，沥青胶浆中黏性组分减少，进而使其高温稳定性提高。

图7显示了粉胶比对电气石沥青胶浆60 ℃车辙因子的影响。分析图7可以看出，粉胶比增加，车辙因子逐渐增大，说明填料对沥青胶浆的高温稳定性改善效果显著。这是因为：矿粉表面具有很多细孔及缝隙，有利于矿粉吸收沥青中的轻质组分而在两者界面形成结构沥青，结构沥青的黏结性比界面层以外的自由沥青更强；随着粉胶比的增加，上述结构沥青占整个沥青胶浆体系的比重越来越大，胶浆体系内部的黏聚力更强，从而使其抵抗高温变形的能力得到显著改善。

3结语

（1）电气石内部具有丰富的微孔，随着其掺量与目数的增大，更多的沥青轻质油分被吸收，形成更多的结构沥青，显著提高胶浆体系的内部黏聚力，使沥青胶浆高温抗变形能力显著改善。

（2）粉胶比增大，沥青胶浆体系的黏稠度随之增加，黏滞力增强，电气石沥青胶浆高温稳定性能显著增大。当粉胶比大于1.0时，过多的填料破坏了沥青分子间的交互作用，沥青胶浆的温度敏感性增强。

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