布敦巖瀝青灰分膠漿動(dòng)態(tài)流變性能和微細(xì)觀特性

王　明， 林發(fā)金， 劉黎萍

(1．同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2．福建省泉州市公路局， 福建 泉州 362000)

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布敦巖瀝青灰分膠漿動(dòng)態(tài)流變性能和微細(xì)觀特性

王明1， 林發(fā)金2， 劉黎萍1

(1．同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2．福建省泉州市公路局， 福建 泉州 362000)

摘要：將布敦巖瀝青(BRA)中的礦物質(zhì)(灰分)提取出來，與基質(zhì)瀝青拌合制備灰分膠漿(粉膠質(zhì)量比=0.8∶1).采用動(dòng)態(tài)剪切流變性能試驗(yàn)、X衍射分析以及掃描電子顯微分析技術(shù)，研究膠漿的動(dòng)態(tài)流變特性以及灰分、礦粉物質(zhì)的微細(xì)觀特性.結(jié)果表明：灰分膠漿的高溫流變性能比礦粉膠漿要好，抗變形能力更強(qiáng)，性能高溫等級為76 ℃；灰分膠漿和礦粉膠漿的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜、頻率譜具有一定的相似性；灰分物質(zhì)表面存在較多的凸起和凹陷結(jié)構(gòu)，外表呈蓬松的鱗片狀，縱向起伏較大，微尺度振幅達(dá)到0.35 μm，比表面積遠(yuǎn)大于礦粉.其發(fā)達(dá)的孔隙和溝紋結(jié)構(gòu)，可以增加結(jié)構(gòu)瀝青的膜厚度，使得水分子難以破壞瀝青—集料界面，增強(qiáng)填料對瀝青的吸附作用，提高瀝青與集料的黏結(jié)強(qiáng)度.

關(guān)鍵詞：道路工程；灰分膠漿；礦粉膠漿；動(dòng)態(tài)流變性能；微細(xì)觀特性；黏附性

布敦巖瀝青(BRA)是在熱、壓力、氧化、融媒、細(xì)菌的綜合作用下生成的瀝青類物質(zhì)，由一定比例的礦物質(zhì)和純的巖瀝青兩種組分組成.巖瀝青不含蠟、耐久性好，與基質(zhì)瀝青的相容性非常好，可以形成一種以天然瀝青大膠束分子為中心，普通瀝青小分子填充、包圍的新的膠體結(jié)構(gòu)，性能較為穩(wěn)定.因此，近年來巖瀝青作為瀝青或混合料添加劑的研究逐漸增多.

文龍等人的研究[1]證實(shí)了BRA巖礦微觀孔隙發(fā)達(dá), 具有極強(qiáng)的吸附自由瀝青的能力；劉樹堂、郭中印等人[2]的研究通過電子探針檢測,測得了布敦巖瀝青的礦物組成元素主要為碳、氧、硫、硅、鎂、鋁、鈣、鉀及鐵等；長安大學(xué)王恒斌等人[3]研究表明，BRA膠漿具有與SBS改性瀝青相同的流變性能；周國強(qiáng)、杜少文[4]的研究證明了巖瀝青改性瀝青混合料具有很好的抗車轍能力、高溫抗變形能力，同時(shí)利用X射線衍射分析，證實(shí)了BRA中礦物的主要成分為方解石[5-6].但是，這些研究都是將BRA看作單組分材料整體評價(jià)改性效果.為了進(jìn)一步探究BRA性能，將BRA中的礦物質(zhì)和巖瀝青組分分離開來，逐一進(jìn)行評價(jià)是很有必要的.

本文主要針對BRA中灰分物質(zhì)的性能進(jìn)行探究，并且將灰分物質(zhì)和石灰?guī)r礦粉物質(zhì)進(jìn)行比對，為進(jìn)一步分析評價(jià)BRA的性能以及研究改性其改性瀝青或混合料的性能[7]奠定基礎(chǔ).

1實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用殼牌70#基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求；石灰石礦粉及BRA是不同廠家提供的成品，其技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示.

表1　礦粉性能指標(biāo)

表2　BRA性能指標(biāo)

1.2礦物成分分析

為鑒別BRA中灰分物質(zhì)與石灰?guī)r礦粉物質(zhì)礦物組成成分的差異，利用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司的X衍射儀，額度功率4 kW，角度重現(xiàn)性≤0.000 5°，最小步寬0.000 1°，測量精度≤0.001°，對灰分物質(zhì)和礦粉物質(zhì)進(jìn)行組分分析.其中，X衍射分析結(jié)果如圖1所示.

圖1　X射線衍射分析結(jié)果

由圖1中X衍射曲線可知，兩種物質(zhì)出現(xiàn)衍射峰的位置基本相似，衍射強(qiáng)度稍有不同，灰分物質(zhì)的衍射強(qiáng)度稍大于礦粉，尤其是在衍射角為30°左右時(shí)，灰分物質(zhì)的衍射強(qiáng)度是礦粉物質(zhì)的3倍左右，同時(shí)這也是這兩種物質(zhì)衍射強(qiáng)度最大的位置.由于X衍射強(qiáng)度正比于物相的含量，衍射強(qiáng)度的差異暗示了組分含量的差異.由圖譜解析依據(jù)衍射峰位和衍射強(qiáng)度可以推斷，這兩種物質(zhì)的主要化學(xué)組成成分是CaCO3，含量在81%～85%之間；其次是SiO2成分，含量在7%～9%之間.因此，X衍射分析表明，這兩種物質(zhì)的成分基本相同，只是礦物成分的含量有所區(qū)別.

1.3研究方法

灰分獲取：采用德國的瀝青混合料分析儀將布敦巖瀝青中的灰分和純?yōu)r青組分進(jìn)行分離，試驗(yàn)中采用足量的三氯乙烯溶劑，將BRA中的瀝青組分全部溶解掉，得到較為純凈的灰分物質(zhì)，用于后續(xù)瀝青膠漿的制備；

膠漿的制備：將基質(zhì)瀝青升溫至120 ℃，加入定量灰分物質(zhì)(0.8∶1=灰分質(zhì)量：基質(zhì)瀝青質(zhì)量，此配比參照混合料常用膠漿配比，采用控制變量法研究灰分膠漿和礦粉膠漿的性能)并攪拌，攪拌時(shí)間為90 min，使灰分物質(zhì)均勻分散在基質(zhì)瀝青中，制成灰分膠漿；礦粉膠漿的制備與灰分膠漿工藝相同；

研究方法：首先，采用動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)進(jìn)行灰分膠漿和礦粉膠漿高溫性能分級，然后采用溫度掃描和頻率掃描試驗(yàn)進(jìn)行膠漿動(dòng)態(tài)流變性能的研究，最后采用掃描電子顯微技術(shù)研究了礦粉和灰分等顆粒物質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)形貌，力求達(dá)到微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的有效統(tǒng)一.

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1高溫性能

動(dòng)態(tài)剪切流變儀[8]是用來測試瀝青膠結(jié)料粘性和彈性特征的儀器，試驗(yàn)中G*為復(fù)數(shù)剪切模量；&為相位角；G*/sin & 為高溫勁度系數(shù)，該系數(shù)越大，代表瀝青變形越小，越有利于抵抗車轍產(chǎn)生[9].圖2是原樣灰分膠漿和礦粉膠漿的車轍因子試驗(yàn)結(jié)果.表3是灰分膠漿和礦粉膠漿原樣、短期老化后的動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果.

圖2　灰分膠漿和礦粉膠漿車轍因子

表3　動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，在52～82 ℃(除64 ℃)高溫范圍內(nèi)，灰分膠漿車轍因子幾乎都是礦粉膠漿車轍因子的2倍.因此，灰分膠漿高溫抗變形能力優(yōu)于礦粉膠漿，抵抗高溫車轍能力更強(qiáng).

由表3可知，灰分膠漿的PG高溫等級為76 ℃，礦粉膠漿是70 ℃，灰分膠漿比礦粉膠漿高一個(gè)等級，而且老化前灰分膠漿的車轍因子是礦粉膠漿的2倍，老化后是礦粉膠漿的3倍左右.因此，無論對于老化前還是老化后膠漿，灰分膠漿的抗變形能力遠(yuǎn)大于礦粉膠漿.這不但與灰分物質(zhì)質(zhì)地較硬、模量較高有關(guān)，經(jīng)過短期老化的“熱效應(yīng)”之后，灰分與礦粉相比，與瀝青的粘附性更好，融合的更好，大大增加了其高溫抗變形能力.

2.2動(dòng)態(tài)流變性能

2.2.1溫度掃描試驗(yàn)

瀝青是典型的黏彈性材料，勁度模量、相位角等性質(zhì)對溫度和頻率都具有很強(qiáng)的依賴性.尤其是大溫差地區(qū)，通過溫度掃描試驗(yàn)來研究瀝青膠漿連續(xù)的流變行為.設(shè)定溫度范圍30～60 ℃，頻率為10 Hz，得到的灰分膠漿和礦粉膠漿的溫度掃描曲線，如圖3所示.

圖3　灰分膠漿和礦粉膠漿的溫度掃描曲線

Fig.3Temperature scanning curves of ash mastics and mineral filler mastics

由圖3可知，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量隨著溫度的升高而下降，相位角隨溫度的升高而增大，這是因?yàn)闇囟鹊纳呤沟牟牧蟽?nèi)部的自由體積增大，材料性能由低溫的高彈態(tài)向高溫的粘流態(tài)轉(zhuǎn)化，彈性成分的比例減小，粘性成分的比例增大[3，10-11].同時(shí)，對比灰分、礦粉膠漿掃描曲線可知，灰分膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量大于礦粉膠漿，相位角小于礦粉膠漿，因此，可以推斷灰分物質(zhì)自身的模量應(yīng)該大于礦粉物質(zhì)，但是從掃描線的變化趨勢來看，兩種膠漿屬于同一性質(zhì)的材料，流變性能變化趨勢極為相似，復(fù)數(shù)模量隨溫度的變化遵循指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，擬合優(yōu)度R2均達(dá)到0.99，相位角遵循一次函數(shù)變化規(guī)律，擬合優(yōu)度R2達(dá)到0.98，擬合效果非常好.因此，通常的研究將BRA中的灰分物質(zhì)看做礦粉物質(zhì)的混合料配比是可行的.

2.2.2頻率掃描試驗(yàn)

瀝青路面結(jié)構(gòu)在行車荷載下主要表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)加載效應(yīng)，不同的荷載頻率下，瀝青膠漿材料會呈現(xiàn)出不同的黏彈特性[10].在溫度25 ℃，頻率范0.1～100 rad-1s條件下，進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，如圖4所示.

a 復(fù)數(shù)剪切模量頻率掃描曲線

b 相位角頻率掃描曲線

Fig.4Frequency sweep curve of ash mastics and mineral filler mastic

由圖4可知，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量隨頻率升高而增大，相位角隨隨頻率升高而降低，這是因?yàn)楹奢d頻率大時(shí)，荷載和材料的作用時(shí)間較短，瀝青膠漿的變形小所致.同時(shí)，對比灰分膠漿和礦粉膠漿的頻率掃描曲線可知，灰分膠漿在任一頻率下的模量都比礦粉膠漿高，而相位角較低，但是兩者模量、相位角的擬合曲線都遵循了冪函數(shù)模型，擬合優(yōu)度均大于0.95，再次證明了這兩種膠漿本身屬性的一致性.因此，這也驗(yàn)證了對于瀝青膠漿材料，降低溫度和增加頻率的效果是等效的，這就是時(shí)溫等效的原理[10].

2.3微細(xì)觀特性

2.3.1表面細(xì)觀構(gòu)造

為進(jìn)一步研究灰分和礦粉的本質(zhì)特性，采用美國FEI公司的型號為Quanta 200的掃描電子顯微鏡在1 000倍的放大倍數(shù)下，分別觀測灰分和礦粉的顯微結(jié)構(gòu)形貌如圖5所示，對灰分和礦粉物質(zhì)的表面細(xì)觀構(gòu)造進(jìn)行研究.同時(shí)，為了進(jìn)一步量化分析灰分和礦粉物質(zhì)的表面紋理形貌特征，采用電子顯微鏡三維立體形貌分析的專業(yè)軟件Gwyddion 2.15，對形貌圖像的局部縱向起伏特性進(jìn)行量化表征，如圖6是描述形貌圖沿黃色線條部分縱向起伏特性(表面粗糙度Roughness)的示意圖；在粗糙度的研究分析中，Ra為平均粗糙度，Rms為均方根粗糙度，Median為中值粗糙度，圖像三個(gè)粗糙度指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示(即整個(gè)圖像的平均粗糙度).

a 灰分

b 礦粉

a 灰分

b 礦粉

由圖5結(jié)合圖6微尺度縱向起伏特征可知，圖5a灰分物質(zhì)表面呈現(xiàn)很多麻面似的凸起，外表呈蓬松的鱗片狀，看起來像是更小的顆粒聚集在一起形成，表面相對較為粗糙，縱向起伏波動(dòng)較大，圖6a中最大的縱向波動(dòng)振幅A達(dá)到了0.35 μm，而圖5b礦粉表面較為平滑、致密、無孔隙或是較大的褶皺，縱向起伏很小，圖6b縱向起伏的振幅大部分均在0.05 μm之內(nèi).此外，圖7中三個(gè)粗糙度Ra，Rms，Rm統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，無論采用哪個(gè)指標(biāo)，灰分的粗糙度均大于礦粉物質(zhì).

圖7　粗糙度量化分析

顯然，盡管灰分與礦粉物質(zhì)組成成分差別不大，灰分物質(zhì)的比表面積遠(yuǎn)大于礦粉物質(zhì)，兩種物質(zhì)的微細(xì)觀構(gòu)造存在很大的差異，必然暗示了不同的本質(zhì)屬性.這是因?yàn)榛曳治镔|(zhì)特殊的表面細(xì)觀構(gòu)造，較大的比表面積，發(fā)達(dá)的孔隙和溝紋結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)填料對瀝青的吸附作用.同時(shí)，由于微孔隙的毛細(xì)作用，填料顆粒首先吸附分子量較低的油分，填料表面越粗糙、孔隙越發(fā)達(dá)，吸收的油分就越多，那么填料表面上所聚集的強(qiáng)極性瀝青質(zhì)層就越厚，瀝青膜表面達(dá)到動(dòng)力平衡狀態(tài)時(shí)距離界面距離就越大，即“結(jié)構(gòu)瀝青”膜的厚度越大，吸附效果越好，最后的宏觀表現(xiàn)就是對瀝青膠漿的性能產(chǎn)生明顯的影響，可以增加瀝青與灰分的黏結(jié)面積，提升了黏結(jié)強(qiáng)度.因此，可以推測灰分物質(zhì)加入到瀝青混合料中可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性.

2.3.2灰分對混合料性能的改善

為了驗(yàn)證灰分可以增加瀝青膠漿的黏附特性，改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的特性，以AC-13級配為例，對普通瀝青混合料、BRA(灰分含量高達(dá)80%)改性瀝青混合料、SBS改性混合料的水穩(wěn)定性能進(jìn)行測試，以表征瀝青混合料水穩(wěn)定性的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)為評判指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.

由圖8可知，幾種改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)相差較大，BRA改性>SBS改性>普通瀝青混合料.其中，BRA改性凍融劈裂強(qiáng)度比為96.5%，遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料的67.7%，甚至比SBS改性的TSR 85.6%還要高，灰分物質(zhì)的存在大幅度提升了混合料的TSR,改善了瀝青混合料的抗水損害性能.因此，灰分特殊的表面細(xì)觀構(gòu)造，確實(shí)提高了瀝青和集料之間的黏附特性，增加了結(jié)構(gòu)瀝青的膜厚度，水分子難以破壞瀝青—集料界面，改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性.同時(shí)，本文的研究成果，和文獻(xiàn)[11] Sigit Pranowo的研究，BRA特殊的孔隙發(fā)達(dá)結(jié)構(gòu)，表面粗糙度較大，可以提升瀝青混合料的摩擦系數(shù)，提高混合料抗摩擦性能的研究結(jié)果是一致的，實(shí)際工程應(yīng)用中可以考慮將布敦巖瀝青改性混合料用于南方多雨地區(qū).

圖8　混合料水穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果

3研究結(jié)論

(1)在同一粉膠比(灰分/礦粉質(zhì)量：瀝青質(zhì)量)為0.8∶1的情況下，灰分膠漿PG高溫等級為PG76，比礦粉膠漿高一個(gè)等級，高溫抗變形能力優(yōu)于礦粉膠漿；

(2)由溫度、頻率掃描試驗(yàn)可知，灰分膠漿和礦粉膠漿隨溫度、頻率的變化特性是一致的；但是，相同溫度、頻率下灰分膠漿的模量大于礦粉膠漿，而相位角小于礦粉膠漿；

(3)顯微結(jié)構(gòu)分析表明：BRA灰分與礦粉物質(zhì)礦物組成成分相似，但是表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成存在較大差異.灰分物質(zhì)表面存在無數(shù)凸起及少量的大幅度凹陷，外表呈蓬松的鱗片狀，微尺度縱向起伏較大，而礦粉物質(zhì)表面相對光滑、致密，縱向起伏很小.灰分比表面積遠(yuǎn)大于礦粉物質(zhì)以及發(fā)達(dá)的孔隙和溝紋結(jié)構(gòu)，有利于提高瀝青膠漿的黏結(jié)強(qiáng)度.

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Dynamic Rheological Properties and Microscopic Characteristics of Ash Mastics

WANG Ming1， LIN Fajin2， LIU Liping1

(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University, Shanghai 201804, China；2.Highway Bureau of Quanzhou of Fujian Province, Quanzhou 362000，China)

Abstract：Ash components were extracted from button rock asphalt，which mixed with the pure asphalt with the mass proportion of ash and asphalt as 0.8∶1. The dynamic shear rheological tests，X-ray diffraction analysis techniques and the scanning electron microscopy were applied to the study of the rheological properties of ash and mineral filler mastics, and microscopic characteristics of ash and mineral filler. The results show that ash mastics has a better high temperature rheological properties than filler mastics, with the high temperature grade up to PG76 ℃. However, the two mastics have a similar trend for the changes of performance when the temperature and the frequency increase. There are some protrusions and depressions structure in ash material with a fluffy scale-like surface. The vertical micro scale amplitude reaches 0.35 μm and the specific surface area is much larger than that of the mineral filler. A well-developed porosity and ditch grain structure can enhance the adsorption of filler for asphalt, and the bond strength of asphalt and aggregate improves. The film thickness of the structure of asphalt increases, which prevents the water molecules from damaging the asphalt-aggregate interface.

Key words：road engineering； ash mastics; mineral filler mastics; dynamic rheological properties; microscopic characteristics； adhesion property

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TP15

通訊作者：劉黎萍(1968—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)與材料.E-mail：liu.liping@163.com

基金項(xiàng)目：福建省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目(201449 ).

收稿日期：2015—03—13

第一作者： 王明(1987—)，女，博士生，主要研究方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)與材料.E-mail：wmm156@sina.com