填料活性对沥青胶浆黏附性能的影响

龙元武, 周 锋,张文涛

(1.湖北省团风县公路管理局,黄冈 438800; 2.湖北省高速公路实业开发有限公司,武汉 430050;3.河南万里交通科技集团股份有限公司,许昌 461000)

沥青混合料中沥青胶浆起着粘结粗细集料,形成完整稳定结构的作用,沥青胶浆的粘结性能直接影响其沥青混凝土的长期使用性能与服役性能。填料作为沥青胶浆的重要组成部分,掺入量虽然相对较少,但其种类与活性对沥青胶浆的黏附性能有显著影响[1,2]。工程中常用碱性石料磨制而成的矿粉、水泥以及石灰等作为活性填料以提高沥青胶浆和沥青混合料的抗水损剥离能力。田耀刚等[3]研究发现采用水泥取代矿粉能降低剥落率,提高沥青胶浆的黏附等级和黏附功,提升沥青混合料的冻融劈裂强度比。赵汗军[4]对比分析了水泥、矿粉、消石灰以及粉煤灰4种不同活性填料对沥青胶浆和沥青混合料性能的影响,发现消石灰填料对提升沥青胶浆的性能和改善沥青混合料的路用性能均优于其余3种填料,其次是粉煤灰和矿粉填料,水泥填料的效果相对较差。王泽洲等[5]检测了石灰岩等9种填料的8个物理化学指标,分别用这9种填料制备了沥青胶浆,并基于BBS(Binder Bond Strength)拉拔试验分析了沥青胶浆的粘结性能,发现在0.38最佳粉胶体积比下,石灰岩与玄武岩沥青胶浆具有较高的粘结强度数值。张傲齐[6]对水泥、大理岩石粉以及花岗岩石粉3种填料制备而成的沥青胶浆进行了微观结构分析,发现水泥填料与沥青具有良好的裹附效果,构成的沥青胶浆空间更为密实,制备的沥青混凝土的拉伸性能与水稳定性能均更为优秀。符浩等[7]采用0.6、0.8、1.0、1.2以及1.4五种粉胶比进行了钢渣粉沥青胶浆性能研究,结果表明钢渣粉沥青胶浆的黏度与高温性能较传统石灰石填料有所提升,并且当粉胶比为1.0时,钢渣粉沥青胶浆的综合性能最佳。上述研究中均未考虑填料自身的活性,且对其沥青胶浆黏附性能的关注较少。基于此,论文选用了CaCO3、CaO、Ca(OH)2、水泥以及钢渣粉五种不同活性的填料分别制备粉胶体积比为1∶2.7的沥青胶浆,并采用沥青胶浆延长水煮试验和沥青胶浆60 ℃长期浸水试验分析不同活性填料的沥青胶浆在玻璃界面与铝片界面上的黏附性能。

1 试 验

1.1 原材料

沥青采用AH-70基质沥青,由山东京博海韵沥青有限公司提供,其针入度72 dmm,软化点48.5 ℃,延度大于150 cm。采用了五种不同活性的填料,分别为CaCO3、CaO、Ca(OH)2水泥以及钢渣粉。为保证不同填料与沥青的粉胶体积比为1∶2.7,依据填料和沥青密度,采用粉胶质量比如表1所示。

表1 不同填料密度及粉胶质量比

1.2 沥青胶浆样品及其试件的制备

将基质沥青加热至熔融状态,加入填料后,人工搅拌5 min左右,然后用烘箱加热到145 ℃,并用高速剪切机以2 500 r/min的转速剪切沥青胶浆5 min,最后得到热沥青胶浆样品。将耐热显微镜载玻片和铝片置于165 ℃烘箱中加热不少于4 h取出,分别将加热好的热沥青胶浆涂在载玻片和铝片表面,最后将沥青胶浆试件置于干燥箱中冷却,静置24 h后进行试验。

1.3 方法

采用延长水煮时间来评定不同活性填料沥青胶浆的黏附性能,将《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中水煮法的水煮时间延长至30 min。

分别将玻璃界面、铝片界面的五种不同活性填料沥青胶浆试件以及基质沥青试件浸泡于60 ℃恒温水浴箱中,每天观察记录沥青胶浆在界面上的残留情况,然后利用数字图像处理软件计算沥青胶浆在界面上的残留面积并计算其残留率(残留沥青胶浆面积与界面面积之比),以此参数来表征沥青胶浆的黏附性能。

2 结果与分析

2.1 玻璃界面沥青胶浆延长水煮试验分析

沥青胶浆水煮后玻璃界面的典型残留情况如图1所示,不同沥青胶浆水煮后玻璃界面的残留率如表2所示。从表2中可以看出,在基质沥青中掺入氧化钙、水泥与钢渣粉这三种填料均能有效提高沥青胶浆在玻璃界面上的黏附性能。由于水泥与钢渣粉中含有一定量的氧化钙成分,因此氧化钙能在一定程度上提高沥青胶浆的黏附性能,且沥青胶浆的黏附性能与氧化钙的含量呈正相关,而水泥与钢渣粉的其他组分对沥青胶浆黏附性能的影响尚待进一步探究。碳酸钙与氢氧化钙两种填料严重削减了沥青胶浆在玻璃界面上的黏附性能,残留率约为基质沥青胶浆黏附性能的1/4。碳酸钙本身没有活性,其沥青胶浆黏附性能不佳,而氢氧化钙具有弱碱性,能够与沥青中酸性成份发生化学反应,理论上有利于提高粘附性,但实际沥青胶浆在玻璃界面上的黏附等级不佳。

表2 不同填料沥青胶浆水煮后玻璃界面残留率

2.2 玻璃界面与铝片界面沥青胶浆60 ℃浸水试验分析

不同沥青胶浆60 ℃浸水不同时间后玻璃界面与铝片界面的典型残留率见表3和表4。经60 ℃水浴浸泡发现,玻璃界面与铝片界面的沥青胶浆浸泡1 d后,两者沥青胶浆残留率基本达到稳定,后续浸泡仅有轻微变化。在整个浸泡过程中,不同填料的沥青胶浆在铝片界面的残留率均保持在100%左右,基本没有产生剥落,可见铝片界面无法区分出沥青胶浆的种类。而玻璃界面却能很好地区分出不同活性填料的沥青胶浆。对于玻璃界面,基质沥青长期浸水后,界面残留率较大,但其沥青黏附力基本为0;水泥沥青胶浆长期浸水后,界面残留率较大,其沥青胶浆黏附力较大;钢渣粉沥青胶浆长期浸水后,界面残留率较水泥沥青胶浆小,其沥青胶浆黏附力较大;碳酸钙沥青胶浆和氢氧化钙沥青胶浆长期浸水后,界面残留率和沥青胶浆黏附力均较小;氧化钙沥青胶浆长期浸水后,虽界面残留率较大,但其沥青胶浆黏附力基本为0,沥青胶浆很容易从玻璃界面上剥离开来。综合分析可知,水泥和钢渣粉提升沥青胶浆在玻璃界面上的残留率和黏附力的效果最为显著。此外玻璃界面的沥青胶浆60 ℃浸水试验结果与延长水煮试验结果具有较好的一致性。沥青胶浆与不同界面的粘附性从沥青胶浆残留率判定具有局限性,如残留率为100%,没有剥落现象,但实际浸水后界面粘结力下降很大,容易剥离,表现为黏附力衰减严重。

表3 不同填料沥青胶浆60 ℃浸水不同时间后玻璃界面残留情况

表4 不同填料沥青胶浆60 ℃浸水不同时间后铝片界面残留情况

3 结 论

a.填料的活性对沥青胶浆的粘附性有很大的影响,水泥与钢渣粉填料能提升沥青胶浆的界面残留率与黏附力,而氧化钙填料仅能提升沥青胶浆的界面残留率,其粘附力小。碳酸钙和氢氧化钙填料严重削减了沥青胶浆的界面黏附性能。

b.通过沥青胶浆界面残留率和粘结力分析,玻璃界面能较好地区分出不同活性填料的沥青胶浆对粘附性能的影响,而铝片界面却无法区分出不同种类沥青胶浆的粘附性。

c.沥青胶浆与不同界面的粘附性从沥青胶浆残留率判定具有局限性,应检验浸水后界面粘结力大小更为合理。