高温高湿环境下不同填料沥青胶浆高温性能影响因素的优劣性研究

0 引言

我国湖北地区，夏季高温多雨，雨水频发，使得该地区处于高温高湿环境下，严重影响沥青路面的服役循环和使用寿命[1]。在沥青混合料中，粗集料主要是被细集料与沥青所形成的沥青胶浆所包裹，从而相互粘结形成强度，所以沥青胶浆的性能优劣直接与沥青混凝土的路用性能相关[2-3]。沥青路面高温稳定性不足会导致车辙病害的产生，而水分引起的损伤通常会导致沥青混合料的剥离，减短沥青路面的服役寿命[4-6]。在路面实际施工中常根据当地气候环境要求，选择不同种类填料与沥青粘合剂结合，达到增强路用性能的效用，比如常见的矿粉、水泥以及消石灰都在一定程度上增加沥青混合料的抗水损性能[7-8]。因此，研究高温高湿环境对不同填料沥青胶浆的影响是急需解决的一个重要问题。

目前，徐波[9]等人通过动态剪切流变仪，研究了空气湿度对沥青胶结料的高温流变性能的影响，验证了湿度对沥青胶结料性能产生了一定程度的不利影响。张勤玲[10]等人基于盐蚀干湿循环试验，研究了试验环境和干湿循环耦合作用对沥青胶浆流变性能的影响，结果表明，随着盐蚀干湿循环次数的增加，胶浆的复数切变模量、车辙因子均呈增大趋势。徐沛垚[11]通过拉拔试验及3d结构光扫描技术，探究了水分对不同填料沥青胶浆力学性能的影响。

综上所述，目前已有研究成果主要集中在不同湿度对沥青胶结料或沥青胶浆的性能影响，但针对高温高湿环境下沥青胶浆高温流变特性影响因素的优劣性研究较少。因此，采用动态剪切流变仪对不同养护条件沥青胶浆的高温流变性能进行测试，利用灰色关联分析方法共同分析各种因素对沥青胶浆高温流变性能的影响，为高温高湿条件下沥青混合料填料的选择及优化提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 试验材料

1.1.1 沥青

沥青选用湖北国创生产的A级70号道路石油沥青，其检测结果如表1所示。

表1 沥青检测指标

1.1.2 填料

试验主要采用石灰岩矿粉、废旧刹车片粉末和P·O42.5水泥三种填料，均购于市场，其检测结果如表2所示。

表2 填料检测结果

1.2 沥青胶浆的制备

将基质沥青加热至140℃，处于流动状态，随后将不同填料放置于105℃的烘箱烘至2小时以上，直至填料中水分消散为止，随后按照粉胶比为1.0的比例将矿粉缓缓倒入沥青中，使用具有两个叶片的搅拌机在2000±200r/min的速度下进行熔融混合。制备其他填料胶浆，按照等体积替换矿粉的方法进行制备。上述沥青和不同填料进行混合得到3种不同填料沥青胶浆。制备完成后，将沥青胶浆放置于一定的养护条件下养护。养护条件如表3所示。

表3 养护条件

1.3 试验方法

1.3.1 动态剪切流变试验

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。将制备好的沥青胶浆试样放置在两块平板中；其中一块固定，另一块绕中心轴以角速度ω试验来回摆动，得到不同温度下试样的复合剪切模量G*和相位角δ。试验采用应变控制模式，试验频率为10rad/s，试验温度采用30-80℃，试样直径为8mm，厚度为1mm，应变为0.1%。

1.3.2 X射线衍射（XRD）

为分析填料的化学元素对沥青与填料的高温流变性能的影响，本研究采用XRD光谱技术对3种填料进行测试，试验采用Rigaku Ultima IVX射线衍射仪。将试验得到的填料X射线衍射图利用Origin软件进行积分处理，将每种化合物所对应峰面积之和除以所有峰的总面积，通过衍射图中的总面积和单个峰的面积，得到每个化合物的相对含量。

1.3.3 灰色关联分析

灰色关联分析是根据因素之间发展态势的相异状况来衡量因素之间的关联程度，可以用灰色关联度来描述各因素统计分析方法。系统发展过程中，若两个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，即可谓二者关联程度较高；反之，则较低。

2 结果分析

2.1 不同填料沥青胶浆的DSR

利用动态剪切流变仪研究不同填料以及不同饱水条件对沥青胶浆粘弹性能、高温流变性能的影响。

2.1.1 沥青胶浆的复合剪切模量与相位角

结合图1选择矿粉、水泥、废旧刹车片粉末进行比较。可以看出沥青胶浆的流变性能和粘弹性能对温度有显著的依赖性，随着温度的升高，复合剪切模量G*减小，而相位角δ增加。在相同温度下，水泥和矿粉沥青胶浆的复合剪切模量G*最低，而刹车片粉末沥青胶浆最高。这表明相比于水泥和矿粉，废旧刹车片粉末的掺入提高了沥青胶浆的刚度。从相位角来看，水泥和矿粉沥青胶浆曲线处于上方，而废旧刹车片粉末沥青胶浆的相位角δ最低，表明相比于水泥和矿粉填料，废旧刹车片粉末的掺入有利于沥青基材料高温下的弹性恢复。

图1 25℃下不同填料胶浆的复合剪切模量与相位角

由图2、图3和图4可知，在同一温度下，随着不同饱水作用时间的增加，3种填料沥青胶浆的复合剪切模量G*均增大，这是由于经过水和高温的共同作用下，沥青胶浆中轻质组分挥发、溶解、老化，沥青胶浆的流动性在一定程度上降低。对于60℃无水的养护条件下，其复合剪切模量略微增大。相对于刹车片粉末，矿粉和水泥沥青胶浆在60℃饱水养护后，相位角变化更加明显，表明矿粉和水泥胶浆在高温高湿环境下的粘弹性成分变化明显高于刹车片。

图2 不同温度下矿粉胶浆的复合剪切模量与相位角

图3 不同温度下水泥胶浆的复合剪切模量与相位角

图4 不同温度下刹车片胶浆的复合剪切模量与相位角

2.1.2 沥青胶浆的车辙因子

由图5可知，沥青胶浆对于车辙因子由大到小的变化顺序依次为刹车片胶浆、水泥胶浆和矿粉胶浆。水泥胶浆的车辙因子要略大于矿粉胶浆，但增幅不明显，刹车片胶浆增幅显著，表明刹车片的掺入显著提升了高温抗永久变形的能力。

图5 25℃下不同填料胶浆的车辙因子

由图6、图7和图8可知，在相同试验温度下，相较于常温无水条件，3种填料沥青胶浆经过60℃饱水3天后条件之后，车辙因子都有一定的提升，经过60℃无水3天后，车辙因子基本没有变化。说明沥青胶浆经过一定时间的饱水条件后，弹性恢复能力更强，提高了高温抗变形能力。这是由于沥青胶浆在高温高湿环境下，胶浆内部的水溶性物质、亲水基团被水溶解、抽提或吸收，破坏沥青胶浆的稳定结构，增加了胶浆的弹性成分，提高高温抗车辙性能。比较不同温度下不同填料胶浆的车辙因子，表明相比于刹车片粉末，高温饱水养护条件对于矿粉和水泥的影响更明显。

图6 不同温度下矿粉胶浆的车辙因子

图7 不同温度下水泥胶浆的车辙因子

图8 不同温度下刹车片胶浆的车辙因子

2.2 填料化学元素

本研究采用XRD光谱技术对3种填料进行测试，得到不同填料的化学元素，如表4所示，主要化学元素含量由高到低分别为：SiO2＞CaO＞Fe2O3＞MgO＞Al2O3＞SO3。

表4 填料化学元素

2.3 各指标灰色关联分析

为了探究沥青胶浆60℃下的高温流变性能指标G*/Sinδ与养护条件及填料主要化学元素含量之间的关联程度，以车辙因子为参考序列X0*，以温度X1*、饱水条件X2*、养护时间X3*、SiO2含量X4*、CaO含量X5*、MgO含量X5*、Al2O3含量X6*、Fe2O3含量X7*、SO3含量X8*为比较序列，设未饱水条件为1，经饱水条件为2，探究指标评价沥青胶浆高温流变性能的可靠性，确定最不利的外部环境因素。经过均值处理后得到的灰色关联系数如表5。

表5 沥青胶浆高温流变性能影响因素灰色关联系数

由于影响沥青胶浆高温流变性能因素不止一个，在参考特征数列与各相关因素数列之间可构成灰关联矩阵，通过灰关联矩阵各影响因素之间的关系，可以分析出哪些因素是优势影响因素，哪些因素是非优势影响因素，而灰色关联度的大小可用来判断相关因素序列和参考特征数列之间的作用关系，分析主要影响和次要影响，起主要作用的因素即为优势影响因素。

如表6所示，各相关影响因素对沥青胶浆高温流变性能的影响强度由大到小的排列为：Al2O3含量、MgO含量、Fe2O3含量、养护时间、SiO3含量、CaO含量、温度。其中Al2O3、MgO、Fe2O3的含量都位居前列，可以推断，对沥青胶浆60℃下的高温流变性能指标G*/Sinδ的影响指标：填料化学元素＞养护条件。为了使处于高温多雨环境下的沥青路面具有更好的高温流变性能，建议采用Al2O3含量高的填料，减轻水分对材料的侵蚀，延长沥青路面的服役寿命。

表6 沥青胶浆高温流变性能影响因素关联度

3 结论

①温度的升高和饱水作用时间的增加均会影响不同填料沥青胶浆的黏弹性。相对于刹车片粉末，矿粉和水泥胶浆在经过高温高湿环境作用后的黏弹性变化更加明显。②温度的升高和水分侵蚀时间会显著影响不同填料沥青胶浆的高温流变性能。相比于刹车片粉末，矿粉和水泥沥青胶浆在60℃饱水后的高温性能和变化更加显著。以刹车片粉末为填料的沥青胶浆在饱水前后，在高温性能方面表现更好。③灰色关联分析的结果显示，经过高温饱水条件作用后，填料的化学元素对沥青胶浆的影响大于环境条件，根据填料化学元素分析，Al2O3含量高的填料可以延长沥青路面的服役寿命。