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1、粉胶比对沥青胶浆高低温性能影响研究 J 6 7 粉胶比对沥青胶浆高低温性能影响研究 孙福申周钟钧 ( 吉林省交通科学研究所长春 1 3 0 0 2 1 ) 关键词：粉胶比沥青胶浆高温性能低温性能 近代的胶浆理论认为沥青混合料是一种3 级空间网状结构的分散系：以粗集料为分散相分散在沥青砂 浆中，沥青砂浆则以细集料为分散相分散在沥青胶浆中，沥青胶浆又以填料为分散相分散在沥青介质中。这 3 级分散相以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决定了沥青混合料的高低温性能。沥青胶浆的粘附性和粘 弹性随着粉胶比的变化而变化，随着粉胶比增大，填料量增加，沥青胶浆的粘稠度会增加，柔性降低，而沥青 胶浆的粘附性随着粉胶比
2、的变化有一个峰值，低于某一个数值，粘附性随着粉胶比增加而增加，但当超过一 定值后，粘附性会反而降低。沥青混合料作为路面材料，需要满足气温变化对路面材料的要求，高温具有足 够弹性，低温具有良好的柔性，所以作为影响沥青混合料粘弹性的根本因素，要求沥青胶浆具有合适的组成， 也就是具有合适的粉胶比。相比于对沥青混合料高温性能的影响，沥青胶浆对沥青混合料的低温性能和疲 劳特性影响更为显著。 沥青胶浆如此重要，但在我国的工程实践中，对粉胶比并不重视，规范中虽有粉胶比的提法，但在混合料 配合比设计技术要求表中，并没有列入粉胶比的要求，在沥青混合料马歇尔设计中，基本上不考虑粉胶比。 美国S u p e r p
3、 a v e 规范中，粉胶比沿用了原沥青混合料规范的0 6 1 2 的规定，美国经几年对S u p e r p a v e 技 术的应用，在新版规范中，提出粗级配的混合料粉胶比提高为0 8 1 6 。但该粉胶比合适与否还有待验证。 本文通过试验研究沥青胶浆的粘弹性影响因素及其变化规律，采用S H R P 成果对沥青胶浆的高温性能、低 温性能进行研究，提出合适的粉胶比值。根据有关资料结论。动态剪切流变仅( D S R ) 和弯曲粱流变仪( B B R ) 可用于胶浆试验。沥青采用大连西太平洋沥青，矿粉的筛分结果见表1 。 矿粉筛分结果表1 筛孔( m m ) 1 1 8o 6o 3 o1 5 o
4、 0 7 5 通过量( 蹦) 1 0 09 7 39 3 58 98 4 5 1 沥青胶浆高温性能分析 采用动态剪切流变试验评价沥青胶浆的高温性能，本方法是美国S H R P 计划中提出的评价沥青结合料 高温抗车辙性能和疲劳耐久性的一种试验方法。要求对原样沥青、R T F O T 残留沥青、R T F O T P A V 残留 沥青进行三次动态剪切试验，是S H R P 沥青新标准的精髓。在S u p e r p a v e 沥青结合料性能规范中，以最高 路面设计温度下沥青结合料D S R 试验指标G s i n s 作为沥青结合料的高温评价指标。以中等路面设计温 度下沥青结合料的D S R
5、试验指标G 。s i n s 为沥青结合料疲劳耐久性指标。通过试验设计现选取粉胶比为 0 6 、0 8 、l 、1 4 、1 6 、1 8 的六个点进行动态剪切流变试验，结果见表2 。 抗车辙因子一监裹表2 编 号 G s i n d ( k P a ) 粉油比 6 4 7 0 7 6 13 72 0 60 9 6 70 6 25 22 7 91 3 70 8 j 6 8第三届全国公路科技创新高层论坛论文集( 上册) 续上表 G s i n a ( k P a ) 编号粉油比 6 4 7 0 7 6 75 Z3 3 21 6 7 49 84 3 127 41 4 59 8 443 4 2 8
6、4 1 6 1 0 647 42 91 8 从沥青胶浆的抗车辙因子G s i n # 与粉油比的关系曲线( 图1 ) 看，随粉油比的增加，G 。s i n # 显著增大， 说明加入矿粉对提高沥青混合料的高温性能有益。原苏联y i A 列宾捷尔研究认为，沥青与矿料相互作用 后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿料表面形成层厚度为a 的扩散结构膜，在此膜以内的 沥青称为结构沥青，结构沥青不同于自由镢青，具有较高的粘结力和稳定性。矿粉有大的比表面积，增加粉 油比，即增加矿粉含量，矿粉与沥青的物理化学作用( 吸附) 提高了结构沥青的比例，增强了粘结力，增加了沥 青的粘度和强度，从而改善了胶浆的
7、高温稳定性。同时可以发现，在相同的粉油比情况下，抗车辙因子G + s i n s 的增长幅度随温度的升高而有降低的趋势，原因可能是随温度的升高，沥青的粘性性质越加明显，由于 沥青粘性成分的增长削弱了掺加矿粉对弹性成分的影响，从而呈现出增长幅度的降低。经分析，在三种试验 温度下，抗车辙因子G s i 与粉油比之间有良好的相关关系，回归方程如下： 图1 粉袖比变化对抗车辙因子G + s i n a 影响曲线 6 4 时： G s i n c e = 一4 4 2 6 X P + 1 6 3 8 3 F 一4 6 8 3 5 R 2 = 0 9 8 9 1 7 0 时：G 。s i n d = 一1
8、 2 5 F 2 + 5 1 6 X F 一0 5 7 R 2 0 9 9 2 8 7 6 时：G s i n d = 一O 8 5 F 2 + 3 7 9 F 1 0 1 R 2 0 9 7 6 4 现以回归方程为准，计算粉油比为0 8 1 _ 7 ( 间隔0 1 ) 的抗车辙因子，并以粉油比为0 8 时的抗车辙因 子为基准，从而求出随粉油比的递增，G s i n # 的增长速率，结果如表3 所示： G + s i n 6 增长速率裹表3 6 4 7 0 7 6 粉油比 G s i n #增长倍数G s l n d增长倍数G + s i n a t增长倍数 0 85 5 92 7 614 8
9、 0 9 64 811 6 3 0 61 1 117 l1 1 6 l072 7 1 3 0 3 3 41 2 11 9 3 1 3 1 粉胶比对沥青胶浆高低温性能影响研究 j 6 9 续上表 6 4 7 0 7 6 粉油比 G 。s i n #增长倍数G s i n 8增长倍数G 1 s i n a 增长倍数 1 17 9 81 4 33 5 9 1 3 2 2 1 3 1 4 4 1 - 28 6 01 5 4 3 8 2L3 92 3 l1 5 7 1 391 3l6 34 0 31 4 62 4 816 8 1 49 5 81 7 14 2 01 5 22 。6 31 7 8 1 59
10、 9 31 _ 7 843 61 5 82 7 6 1 8 7 161 02 01 8 24 4 9 16 328 8 1 9 5 1 7l O 3 818 64 5 916 629 82 0 1 从图1 和表3 可以看出，在三种不同温度下，G 。s i n a 曲线表现出相似的变化规律。当粉油比大于1 4 时，G 。s i 的增长幅度逐渐降低，即增加矿粉含量对沥青胶浆高温性能的提高开始减弱。当掺加矿粉时， 随着矿粉数量的增大，结构沥青的比例不断加大，表现为高温稳定性的逐步增强，但当矿粉含量超过一定范 围后，增加幅度明显减弱，这是由于矿分较多时，不易分散，难以均匀分散于沥青中，胶结成团，从丽导
11、致稳定 性增长速度的降低，另外由于粉胶比增加，矿粉数量相对占优，沥青用量相对降低，部分矿粉颗粒未被裹覆， 相反隔开了沥青粒子间的粘结，使粘聚力降低。由此可见，过量增加粉胶比并没有好处，还增加了造价。所 以就高温性质而言，粉油比不宜大于1 4 。 2 沥青胶浆低温性能分析 采用弯曲梁流变试验( B B R ) 评价沥青胶浆低温性能。本方法是美国S H R P 计划中提出的评价沥青结 合料低温抗裂性能的试验方法。S H R P 的研究认为弯曲蠕变试验的极限劲度及蠕变应变速率m 值与反映 沥青低温抗裂性能的湿度应力试验( T S R S T ) 的被断温度具有良好的相关关系。S H R P 采用B
12、B R 试验的两 个指标一弯曲蠕变劲度模量s 和蠕变曲线的斜率m ( 劲度模量对荷载作用时闻的曲线斜率) 来测评沥青结 合料的低温抗裂性能。 B B R 试验的试验温度与路面所在地区的使用温度有关，从理论上讲，它必须在当地的最低设计温度下 进行，按照许多学者的建议，沥青结合料低温劲度的荷载作用时间宜选用7 2 0 0 s ，这样的实验条件不仅温度 低，而且时间长，相对来说比较困难。但是根据沥青材料流变学的基本原理，按照时间温度换算法则，可以将 荷载作用时间缩短为6 0 s ，设计温度较设计最低温度高1 0 ，因此，B B R 试验得到的6 0 s 劲度模量实际上等 于得到的是最低设计温度下2
13、h 的劲度模量。 在S H R P 的沥青结合料规范中规定使用在压力老化容器中老化后的沥青进行B B R 试验，以评价沥青 的低温性能。本文为简便直接使用了原样沥青，由于本文主要分析粉油比对于沥青胶浆性能的影响，采用的 沥青样品也是相同的，可以认为这样的简化对于本文的研究结果无重要影响。对以上六个粉胶比的沥青胶 浆进行弯曲梁流变试验，结果见表4 。 B B R 试验结果汇总裹表4 试验温度一1 8 一1 2 粉油比 编号S ( M P a )S ( M P a ) 5 0 00 3 4 61 8 004 6 6O 6 5 8 50 3 3 40 4 6 30 8 3 6 9 0 0 3 3 8
14、 2 7 2 O 4 5 4 l 41 0 0 2O 33 9 504 2 61 4 1 1 0 602 9 64 5 7 04 3 6 1 6 6 0 2 8 80 4 2 2 1 8 】7 0 第三届全国公路科技创新高层论坛论文集( 上册) 沥青结合料劲度模量S 越大，表明弹性成分大，粘性成分小，低温柔性和变形能力越差。另外不同沥青 的劲度模量可能相同，但其流变特性对时间和温度的依赖性不同，温度应力累积能力也就不同( 见表5 所 示) 。所以劲度模量主曲线形状反映了降温过程中低温收缩应力的大小，在S u p e r p a v e 结合料规范中，对劲 度模量主曲线的坡度m 的绝对值作出规定
15、，m 是6 0 s 加载时间的切线斜率( 如图2 所示) 。 粉油比对低沮流变特性的影响( 一1 2 )表5 试样编号245 柑油比o 8 14 1 61 8 s 值增加( 倍)1 3 11 5 1 2 1 92 5 4 3 0 1 m 值增加( 倍)0 9 90 9 70 9 10 9 4O9 1 荷载作用时间 图2 弯曲蠕变曲线 以粉油比为0 6 的1 号试样数据为基准分析粉油比对低温流变特性的影响： m 值小，弹性大而粘性小，m 值大则粘性大，所以该值的大小反映了沥青结合料应力累积的能力。 从试验结果可知，随着粉油比的增加，低温蠕变模量s 有较大的增加，如图3 所示，这是因为加人矿粉 后
16、，由于填料的吸附作用，结构沥青数量增加，沥青的流动性降低，胶浆的柔性降低，表现为模量的增太。 同样随着粉油比增大，斜率m 减小，如图4 所示。这表明加入矿粉填料，使沥青的应力累加速度增加。 另外试验结果表明，增加粉油比对蠕变模量的影响在低温时的影响要大于较高温度时的影响，而粉油比对蠕 变速率的影响在不同温度时变化不大。 图3 粉油比变化对蠕变模量S 影响曲线图4 粉油比变化对蠕变速率m 影响瞌线 以上结果表明，增加粉油比对沥青的低温性能有不利的影响。经回归分析，粉油比与蠕变模量s 问存 在良好的正相关关系： 一1 8 5 2 1 2 5 F 2 + 17 1 0 7 F + 3 1 6 2 1
