矿粉沥青胶浆交互作用的参数研究

梁远禄

（广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530028）

0 引 言

沥青混合料是由沥青、集料和填料相互堆积而成，填料分散在沥青中形成沥青胶浆，在混合料中起到黏结集料、填充空隙、传递荷载的作用，对沥青混合料的结构和强度有显著影响。

早期采用宏观试验（针入度、软化点和延度）来研究沥青胶浆的性能，然而这些试验方法都不能从机理上进行解释。陈亚莉应用灰色关联法建立填料指标与沥青胶浆和沥青混合料高低温性能、疲劳性能的预测关系，方便混合料路用性能预测［1］。周亮研究了水泥和消石灰作为填料时沥青胶浆的路用性能，发现消石灰可改善胶浆的高温性能，水泥能够改善沥青的和易性［2］。吴庆发应用DSR分析电化石改性沥青胶浆的高温性能［3］。李智慧等应用重复蠕变劲度的黏性部分和劲度模量研究沥青胶浆最佳粉胶比的确定方法［4］。丁亚碧等应用延度、软化点及四组分研究矿粉填量对紫外老化沥青物理化学性能的影响，结果表明，强紫外光地区基质沥青最佳粉胶比为1.0～1.2，改性沥青最佳粉胶比为0.8～1.0［5］。熊锐等研究了煤矸石粉／水镁石纤维改性沥青混合料的路用性能，同时采用扫描电镜（SEM）分析其改性机理，研究结果表明，水镁石纤维在沥青胶浆中形成三维网络增加结构，而煤矸石粉改善了沥青胶浆的温度敏感性［6］。马煜缨采用黏度、复数模量、相位角和抗车辙因子研究纤维沥青胶浆的高温性能，结果表明，纤维掺量达到沥青质量的0.04%时，效果最佳［7］。石越峰采用DSR和BBR研究TLA改性沥青胶浆的高低温性能，结果表明，TLA的最佳掺量和最佳粉胶比分别为10%和1.0［8］。张春杰等应用动态剪切流变仪研究水泥沥青胶浆的流变性能，结果表明，水泥的加入增加了沥青胶浆的高温抗车辙性能，且随着粉胶比的增大，其抗车辙能力提高［9］。上述研究多集中于沥青胶浆的宏观性能，并没有从沥青与填料的相互作用来评价沥青胶浆的性能。

相关研究表明，沥青与填料间的交互作用越强，混合料的物理力学性能越好［10－11］。在沥青与填料界面研究方面，封基良等采用纤维拉拔试验研究纤维、沥青及沥青胶浆界面的黏结强度，确定长为6mm的聚合物纤维并不能充分发挥纤维优越的抗拉性能，应适当增加纤维长度［12］。L Kong应用表面能原理分析高温状态下矿粉沥青胶浆的界面能［13］。I.Hossain应用ABAQUS有限元分析了水分对沥青与石料界面的影响［14］。谭忆秋研究了不同岩性填料对沥青胶浆交互参数的影响，提出将沥青胶浆交互作用参数与基体沥青动态模量相结合，预测沥青胶浆的动态性能，并取得了良好的效果［15］。詹小丽研究了温度和频率对沥青胶浆界面交互参数的影响，但她采用的是界面参数值［16］。Guo采用原子力显微镜方法研究沥青胶浆中沥青与填料间的相互作用关系，测试结果表明，填料与沥青间的界面厚度为1μm，该种方法的测试费用比较昂贵［17－19］。

为研究不同温度及频率对沥青胶浆界面性能的影响，本课题采用70＃沥青及不同体积分数的填料制备沥青胶浆，测试不同温度和频率下基体沥青及沥青胶浆复数模量的变化情况，同时参照简化的Palierne模型，研究不同温度及不同荷载频率对沥青胶浆界面交互作用的影响。

1 原材料性质

矿粉采用的是辽宁小阳屯矿粉，其物理指标如表1所示。

表1 矿粉性质

沥青采用的是克拉玛依70＃道路石油沥青，性能测试数据如表2所示。

表2 沥青性质

采用高速剪切机将矿粉分3次倒入沥青中，剪切生成沥青胶浆，矿粉的体积分数分别取0.25、0.3、0.35、0.4、0.45。

2 交互作用参数理论

多相高分子混合料的性能并不是每个单相高分子聚合物流变性能的叠加，而是受多种因素的影响。目前，对多相多组分高聚物流变性能的研究成果很多，其中应用最为广泛的是Palierne模型，该模型的数学表达式为

对于沥青胶浆来说，矿粉与沥青存在交互作用，因此上述公式可修正成

所以依据沥青胶浆及基体沥青的复数模量和填料的体积分数可反算沥青与填料间的交互作用参数。

3 试验数据

动态剪切流变仪（图1）是美国SHRP计划提出研究黏弹材料的有效试验仪器。基于DSR试验仪，测得基体沥青及沥青胶浆在不同温度、不同频率的黏弹参数，然后根据式（4）反算沥青胶浆在不同温度、不同频率下的交互作用参数。本研究测试频率为0.1～60Hz，测试温度选取5℃、15℃、25℃、35℃、40℃，DSR仪器控制参数如表3所示。分析70＃沥青复数模量随温度和频率的变化，如图2、3所示。

图1 动态剪切流变仪

表3 DSR控制参数

图2 70＃沥青复数模量

从图2可以看出：沥青复数模量随着荷载作用频率的增加而增加，在频率大于一定值时，复数模量趋于定值；同一荷载频率下，沥青复数模量随着温度的升高而逐渐降低。从图3可以看出，沥青胶浆复数模量随温度和荷载频率的变化规律与普通沥青相同，且填料的加入增大了沥青胶浆的复数模量值。

图3 体积分数为0.4时胶浆的复数模量

4 交互参数分析

按照上述试验方法完成矿粉和粉煤灰沥青胶浆不同温度、不同频率下复数模量的试验，并计算填料与基质沥青间的交互作用值。

如图4、5所示，矿粉与沥青的交互参数随温度及频率的变化规律基本相同。随着温度升高，交互参数逐渐增大，说明随着温度的升高胶浆界面的作用不断增强；当温度小于15℃时，矿粉与沥青之间的交互参数随着荷载频率的增加而不断减小，而当温度大于15℃时，矿粉与沥青之间的交互参数随着荷载频率的增加而不断增大。

图4 体积分数为0.25时沥青胶浆的交互参数

为分析填料的体积分数对沥青胶浆交互参数的影响，选取温度为5℃、25℃和40℃，频率为0.1、12、60Hz下不同填料体积分数的沥青胶浆的交互参数，结果如图5所示。

图5 体积分数为0.4时沥青胶浆的交互参数

图6为不同温度下沥青胶浆界面交互参数随粉胶比的变化情况，从总体上看，粉胶比为0.25时，沥青与填料间的交互作用最强。从图6（a）可以看出，低温状态下，交互参数受粉胶比的影响较小；从图6（b）、（c）可以看出，随着温度的升高，沥青与填料间的交互参数受粉胶比的影响逐渐增大，并且高温状态下沥青胶浆界面参数受荷载频率影响显著。

5 结 语

基于沥青及不同体积分数沥青胶浆的复数模量值，分析不同温度、频率下沥青与填料间的交互参数，得到如下的结论。

（1）已知基体沥青及沥青胶浆的复数模量及填料的体积分数，可反算沥青胶浆界面交互参数，评价沥青与填料的交互作用。

（2）低温状态下，沥青胶浆界面交互参数受荷载频率及粉胶比的影响较小；而在高温状态下，沥青胶浆界面的交互参数受荷载频率及填料体积分数影响较显著。

（3）填料体积分数为0.25时，沥青胶浆界面交互作用最强，说明此时沥青与填料间的相互作用能力最强，此时的填料体积分数换算成粉胶比为0.8左右，这与实际工程中矿粉填料的掺量相似，本研究也从侧面验证了工程中所用矿粉掺量的合理性。

图6 不同粉胶比下沥青胶浆的交互参数