礦粉瀝青膠漿交互作用的參數(shù)研究

梁遠(yuǎn)祿

（廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引 言

瀝青混合料是由瀝青、集料和填料相互堆積而成，填料分散在瀝青中形成瀝青膠漿，在混合料中起到黏結(jié)集料、填充空隙、傳遞荷載的作用，對(duì)瀝青混合料的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度有顯著影響。

早期采用宏觀試驗(yàn)（針入度、軟化點(diǎn)和延度）來研究瀝青膠漿的性能，然而這些試驗(yàn)方法都不能從機(jī)理上進(jìn)行解釋。陳亞莉應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法建立填料指標(biāo)與瀝青膠漿和瀝青混合料高低溫性能、疲勞性能的預(yù)測關(guān)系，方便混合料路用性能預(yù)測［1］。周亮研究了水泥和消石灰作為填料時(shí)瀝青膠漿的路用性能，發(fā)現(xiàn)消石灰可改善膠漿的高溫性能，水泥能夠改善瀝青的和易性［2］。吳慶發(fā)應(yīng)用DSR分析電化石改性瀝青膠漿的高溫性能［3］。李智慧等應(yīng)用重復(fù)蠕變勁度的黏性部分和勁度模量研究瀝青膠漿最佳粉膠比的確定方法［4］。丁亞碧等應(yīng)用延度、軟化點(diǎn)及四組分研究礦粉填量對(duì)紫外老化瀝青物理化學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，強(qiáng)紫外光地區(qū)基質(zhì)瀝青最佳粉膠比為1.0～1.2，改性瀝青最佳粉膠比為0.8～1.0［5］。熊銳等研究了煤矸石粉／水鎂石纖維改性瀝青混合料的路用性能，同時(shí)采用掃描電鏡（SEM）分析其改性機(jī)理，研究結(jié)果表明，水鎂石纖維在瀝青膠漿中形成三維網(wǎng)絡(luò)增加結(jié)構(gòu)，而煤矸石粉改善了瀝青膠漿的溫度敏感性［6］。馬煜纓采用黏度、復(fù)數(shù)模量、相位角和抗車轍因子研究纖維瀝青膠漿的高溫性能，結(jié)果表明，纖維摻量達(dá)到瀝青質(zhì)量的0.04%時(shí)，效果最佳［7］。石越峰采用DSR和BBR研究TLA改性瀝青膠漿的高低溫性能，結(jié)果表明，TLA的最佳摻量和最佳粉膠比分別為10%和1.0［8］。張春杰等應(yīng)用動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究水泥瀝青膠漿的流變性能，結(jié)果表明，水泥的加入增加了瀝青膠漿的高溫抗車轍性能，且隨著粉膠比的增大，其抗車轍能力提高［9］。上述研究多集中于瀝青膠漿的宏觀性能，并沒有從瀝青與填料的相互作用來評(píng)價(jià)瀝青膠漿的性能。

相關(guān)研究表明，瀝青與填料間的交互作用越強(qiáng)，混合料的物理力學(xué)性能越好［10－11］。在瀝青與填料界面研究方面，封基良等采用纖維拉拔試驗(yàn)研究纖維、瀝青及瀝青膠漿界面的黏結(jié)強(qiáng)度，確定長為6mm的聚合物纖維并不能充分發(fā)揮纖維優(yōu)越的抗拉性能，應(yīng)適當(dāng)增加纖維長度［12］。L Kong應(yīng)用表面能原理分析高溫狀態(tài)下礦粉瀝青膠漿的界面能［13］。I.Hossain應(yīng)用ABAQUS有限元分析了水分對(duì)瀝青與石料界面的影響［14］。譚憶秋研究了不同巖性填料對(duì)瀝青膠漿交互參數(shù)的影響，提出將瀝青膠漿交互作用參數(shù)與基體瀝青動(dòng)態(tài)模量相結(jié)合，預(yù)測瀝青膠漿的動(dòng)態(tài)性能，并取得了良好的效果［15］。詹小麗研究了溫度和頻率對(duì)瀝青膠漿界面交互參數(shù)的影響，但她采用的是界面參數(shù)值［16］。Guo采用原子力顯微鏡方法研究瀝青膠漿中瀝青與填料間的相互作用關(guān)系，測試結(jié)果表明，填料與瀝青間的界面厚度為1μm，該種方法的測試費(fèi)用比較昂貴［17－19］。

為研究不同溫度及頻率對(duì)瀝青膠漿界面性能的影響，本課題采用70＃瀝青及不同體積分?jǐn)?shù)的填料制備瀝青膠漿，測試不同溫度和頻率下基體瀝青及瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量的變化情況，同時(shí)參照簡化的Palierne模型，研究不同溫度及不同荷載頻率對(duì)瀝青膠漿界面交互作用的影響。

1 原材料性質(zhì)

礦粉采用的是遼寧小陽屯礦粉，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 礦粉性質(zhì)

瀝青采用的是克拉瑪依70＃道路石油瀝青，性能測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 瀝青性質(zhì)

采用高速剪切機(jī)將礦粉分3次倒入瀝青中，剪切生成瀝青膠漿，礦粉的體積分?jǐn)?shù)分別取0.25、0.3、0.35、0.4、0.45。

2 交互作用參數(shù)理論

多相高分子混合料的性能并不是每個(gè)單相高分子聚合物流變性能的疊加，而是受多種因素的影響。目前，對(duì)多相多組分高聚物流變性能的研究成果很多，其中應(yīng)用最為廣泛的是Palierne模型，該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

對(duì)于瀝青膠漿來說，礦粉與瀝青存在交互作用，因此上述公式可修正成

所以依據(jù)瀝青膠漿及基體瀝青的復(fù)數(shù)模量和填料的體積分?jǐn)?shù)可反算瀝青與填料間的交互作用參數(shù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

動(dòng)態(tài)剪切流變儀（圖1）是美國SHRP計(jì)劃提出研究黏彈材料的有效試驗(yàn)儀器?；贒SR試驗(yàn)儀，測得基體瀝青及瀝青膠漿在不同溫度、不同頻率的黏彈參數(shù)，然后根據(jù)式（4）反算瀝青膠漿在不同溫度、不同頻率下的交互作用參數(shù)。本研究測試頻率為0.1～60Hz，測試溫度選取5℃、15℃、25℃、35℃、40℃，DSR儀器控制參數(shù)如表3所示。分析70＃瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度和頻率的變化，如圖2、3所示。

圖1 動(dòng)態(tài)剪切流變儀

表3 DSR控制參數(shù)

圖2 70＃瀝青復(fù)數(shù)模量

從圖2可以看出：瀝青復(fù)數(shù)模量隨著荷載作用頻率的增加而增加，在頻率大于一定值時(shí)，復(fù)數(shù)模量趨于定值；同一荷載頻率下，瀝青復(fù)數(shù)模量隨著溫度的升高而逐漸降低。從圖3可以看出，瀝青膠漿復(fù)數(shù)模量隨溫度和荷載頻率的變化規(guī)律與普通瀝青相同，且填料的加入增大了瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量值。

圖3 體積分?jǐn)?shù)為0.4時(shí)膠漿的復(fù)數(shù)模量

4 交互參數(shù)分析

按照上述試驗(yàn)方法完成礦粉和粉煤灰瀝青膠漿不同溫度、不同頻率下復(fù)數(shù)模量的試驗(yàn)，并計(jì)算填料與基質(zhì)瀝青間的交互作用值。

如圖4、5所示，礦粉與瀝青的交互參數(shù)隨溫度及頻率的變化規(guī)律基本相同。隨著溫度升高，交互參數(shù)逐漸增大，說明隨著溫度的升高膠漿界面的作用不斷增強(qiáng)；當(dāng)溫度小于15℃時(shí)，礦粉與瀝青之間的交互參數(shù)隨著荷載頻率的增加而不斷減小，而當(dāng)溫度大于15℃時(shí)，礦粉與瀝青之間的交互參數(shù)隨著荷載頻率的增加而不斷增大。

圖4 體積分?jǐn)?shù)為0.25時(shí)瀝青膠漿的交互參數(shù)

為分析填料的體積分?jǐn)?shù)對(duì)瀝青膠漿交互參數(shù)的影響，選取溫度為5℃、25℃和40℃，頻率為0.1、12、60Hz下不同填料體積分?jǐn)?shù)的瀝青膠漿的交互參數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 體積分?jǐn)?shù)為0.4時(shí)瀝青膠漿的交互參數(shù)

圖6為不同溫度下瀝青膠漿界面交互參數(shù)隨粉膠比的變化情況，從總體上看，粉膠比為0.25時(shí)，瀝青與填料間的交互作用最強(qiáng)。從圖6（a）可以看出，低溫狀態(tài)下，交互參數(shù)受粉膠比的影響較?。粡膱D6（b）、（c）可以看出，隨著溫度的升高，瀝青與填料間的交互參數(shù)受粉膠比的影響逐漸增大，并且高溫狀態(tài)下瀝青膠漿界面參數(shù)受荷載頻率影響顯著。

5 結(jié) 語

基于瀝青及不同體積分?jǐn)?shù)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量值，分析不同溫度、頻率下瀝青與填料間的交互參數(shù)，得到如下的結(jié)論。

（1）已知基體瀝青及瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量及填料的體積分?jǐn)?shù)，可反算瀝青膠漿界面交互參數(shù)，評(píng)價(jià)瀝青與填料的交互作用。

（2）低溫狀態(tài)下，瀝青膠漿界面交互參數(shù)受荷載頻率及粉膠比的影響較小；而在高溫狀態(tài)下，瀝青膠漿界面的交互參數(shù)受荷載頻率及填料體積分?jǐn)?shù)影響較顯著。

（3）填料體積分?jǐn)?shù)為0.25時(shí)，瀝青膠漿界面交互作用最強(qiáng)，說明此時(shí)瀝青與填料間的相互作用能力最強(qiáng)，此時(shí)的填料體積分?jǐn)?shù)換算成粉膠比為0.8左右，這與實(shí)際工程中礦粉填料的摻量相似，本研究也從側(cè)面驗(yàn)證了工程中所用礦粉摻量的合理性。

圖6 不同粉膠比下瀝青膠漿的交互參數(shù)