不同掺量下水泥与矿粉对沥青胶浆性能影响试验研究 ①

雷小磊, 崔玉龙

(安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

在高温及车辆荷载作用下，沥青混合料中沥青胶浆逐渐软化，粘聚力逐渐降低，极易造成混合料的骨架结构失稳破坏，最终导致混凝土路面面层开裂和永久变形的出现。近年来，以SBS、SBR等聚合物对沥青材料进行改性的研究和应用较为广泛，由此也显著增加了沥青混凝土铺面建设工程的实际成本。随着对无机填料的研究，将来源广泛、成本低廉的矿粉、水泥、石灰、粉煤灰、火山灰等常见的无机微粉作为填料应用到沥青混凝土中逐渐受到改性沥青领域的关注。如冯新军，熊锐，杨晓凯等围绕煤矸石粉沥青胶浆路用性能开展了一系列的研究[1-4]。

有研究证明[5-7]了添加水泥的剂量与沥青混合料的早期强度成正比，改善冷拌沥青混合料的早期强度的效果显著，对沥青混合料水稳定性的改善效果也比较显著。但研究还不够系统，如鲜有将沥青胶浆作为一个整体研究，通过不同掺量的水泥和矿粉改善沥青胶浆性能和粘弹性，以提高沥青混合料的路用性能。

选用水泥(C)和矿粉(MP)作为填料，分别以填料与沥青质量比mc/ma为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8等6种比例制备C-沥青胶浆和MP-沥青胶浆，对不同mc/ma条件下的水泥和矿粉填料改性沥青胶浆的路用性能进行对比，通过基本指标测定试验、动态剪切流变试验(DSR)、弯曲梁流变试验(BBR)、标准粘度测定试验和粒料分析等试验，综合评判水泥与矿粉对沥青胶浆性能影响效果，研究成果为水泥作为填料改善沥青混凝土路用性能的可行性提供了依据。

1 试 验

1.1 试验材料

1.1.1 沥 青

沥青选用A-10#基质石油沥青，主要技术指标如表1所示。

1.1.2 填 料

水泥选用安徽舜岳水泥有限责任公司所生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，矿粉选用S95粒化高炉矿粉，所用材料各项技术指标均满足规范[8-10]要求。

1.2 试样制备

选用水泥(C)和矿粉(MP)作为填料，分别以填料与沥青质量比mc/ma为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8等6种制备C-沥青胶浆和MP-沥青胶浆。具体制备施工技术工艺为：首先将2种填料置于100℃±5℃烘箱中烘干至恒重，确保填料中的水分被充分干燥蒸发，然后将一次选取的A-10#基质石油沥青置于160℃烘箱中加热至流质状态并过滤杂质后备用。按照设计的不同mc/ma比例，将2种填料分2～3次加到基质沥青中，为实现填料与基质沥青充分拌合的目的，使用小型磁力加热搅拌器在150℃±5℃的恒温下以1000r/min转速充分搅拌均匀成沥青胶浆。按照规范要求，浇筑制备设计沥青胶浆试验的模具中，并严格按照规范要求进行养护。

表1 A-10#基质石油沥青主要技术指标

2 试验结果分析

2.1 基本指标测定试验分析

根据试验规范，分别选用沥青针入度试验仪、沥青软化点试验仪和沥青延伸度试验仪，对2种不同填料沥青胶浆进行针入度(25℃)、软化点和延伸度(25℃)基本指标测定，以评判沥青胶浆的高温及低温的稳定性能。试验结果如图1，2，3所示。

图1 2种沥青胶浆针入度试验结果

由图1可知，2种不同填料沥青胶浆的针入度均随mc/ma的增大而降低，相同mc/ma条件下，针入度较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆。在mc/ma为0.4和0.5的条件下，MP-沥青胶浆的针入度比C-沥青胶浆分别下降了14.4和24.1(0.1mm)，下降幅度分别为44.2%和51.3%。

由图2可知，2种不同填料沥青胶浆的软化点均随mc/ma的增大而升高，相同mc/ma条件下，软化点较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆。在mc/ma为0.4、0.5、0.6和0.8的条件下，C-沥青胶浆的软化点比MP-沥青胶浆分别提高了2.2℃、3.9℃、3.5℃和6.8℃，提升幅度分别为31.4%、32%、22%和31.5%。

图2 2种沥青胶浆软化点试验结果

图3 2种沥青胶浆延伸度试验结果

由图3可知，2种不同填料沥青胶浆的延伸度均随mc/ma的增大而减小，相同mc/ma条件下，延伸度较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆。当mc/ma为0.6时，MP-沥青胶浆试件发生脆断，mc/ma为0.8时，C-沥青胶浆试件也发生脆断。在mc/ma为0.3、0.5和0.6的条件下，MP-沥青胶浆的延伸度比C-沥青胶浆分别下降了1.9cm、2.3cm和5.3cm，下降幅度分别为 50%、36.5%和44.2%。

2.2 动态剪切流变试验(DSR)分析

根据试验规范，选用SHRP的动态剪切流变试验仪，在50℃试验温度环境下，对2种不同填料沥青胶浆的相位角δ、复数模量G*进行测定，计算该沥青胶浆抗车辙因子G*/sinδ，来评价沥青胶浆材料的高温性能和抗车辙能力[11]。试验结果如图4所示。

图4 2种沥青胶浆50℃抗车辙因子

由图4可知，2种不同填料沥青胶浆的50℃抗车辙因子均随mc/ma的增大而增大，相同mc/ma条件下，抗车辙因子较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆。在mc/ma为0.4、0.5、0.6和0.8的条件下，C-沥青胶浆的抗车辙因子比MP-沥青胶浆分别提高了2.4、2.9、3.1和3.3(kPa)，提升幅度分别为85.7%、80.6%、79.5%和75%。

2.3 弯曲梁流变试验(BBR)分析

根据试验规范，选用弯曲梁流变仪(BBR)，在-10℃和-16℃试验温度环境条件下，对2种不同填料沥青胶浆的弯曲蠕变劲度模量S和蠕变速率m值进行测定，以评价沥青材料的粘弹性和低温抗裂性能[12]。试验结果如图5、6、7、8所示。

图5 2种沥青胶浆-10℃蠕变劲度模量

图6 2种沥青胶浆-16℃蠕变劲度模量

图7 2种沥青胶浆-10℃蠕变速率

图8 2种沥青胶浆-16℃蠕变速率

图9 2种沥青胶浆标准粘度试验结果

由图5、6可知，2种不同填料沥青胶浆的蠕变劲度模量S均随mc/ma的增大而增大，相同mc/ma条件下，蠕变劲度模量S较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆。在mc/ma为0.4、0.5和0.6的条件下，-10℃时，C-沥青胶浆的蠕变劲度模量S比MP-沥青胶浆分别提高了28.8、53.3和70.1(MPa)，提升幅度分别为44.3%、45.4%和40.4%；-16℃时，C-沥青胶浆的蠕变劲度模量S比MP-沥青胶浆分别提高了178.8、128.8和184.7(MPa)，提升幅度分别为51.9%、33.8%和35%。

由7、8可知，2种不同填料沥青胶浆的蠕变速率m均随mc/ma的增大而下降，相同mc/ma条件下，蠕变速率m较高的是MP-沥青胶浆，较低的是C-沥青胶浆。在mc/ma为0.3、0.4和0.5的条件下，-10℃时，C-沥青胶浆的蠕变速率m比MP-沥青胶浆的蠕变速率m分别下降了0.02、0.02和0.01，下降幅度分别为7.4%、6.1%和2.6%；-16℃时，C-沥青胶浆的蠕变速率m比MP-沥青胶浆分别下降了0.07、0.06和0.04，下降幅度分别为25.9%、16.2%和9.1%。

2.4 粘度测定试验分析

根据试验规范，选用自动恒温数显沥青粘度计，在175℃试验温度环境下，对2种不同填料沥青胶浆流动状态时的标准粘度进行测定，以此评定沥青胶浆的温度敏感性。试验结果如图9所示。

由图9可知，2种不同填料沥青胶浆的粘度均随mc/ma的增大而增大，相同mc/ma条件下，粘度较高的是C-沥青胶浆，较低的是MP-沥青胶浆。在mc/ma为0.4、0.5、0.6和0.8的条件下，C-沥青胶浆的粘度比MP-沥青胶浆分别提高了0.09、0.08、0.08和0.06(Pa·S)，提升幅度分别为42.9%、32%、26.7%和17.6%。

3 结 语

(1)随着2种不同填料mc/ma比例的不断增加，沥青胶浆性能基本指标改变较大，当mc/ma为0.4～0.6时，C-沥青胶浆的软化点提高明显大于MP-沥青胶浆，而针入度和延伸度下降的趋势缓于MP-沥青胶浆，说明C-沥青胶浆在高低温稳定性能方面优于MP-沥青胶浆。

(2)通过对2种沥青胶浆50℃抗车辙因子的试验分析，mc/ma为0.4～0.6时，C-沥青胶浆的弹性提升幅度和抗车辙能力显著优于MP-沥青胶浆，提升了79.5%～85.7%。

(3)在相同温度环境条件下，mc/ma为0.3～0.6时，C-沥青胶浆的蠕变劲度模量S明显优于MP-沥青胶浆，C-沥青胶浆的蠕变速率m比MP-沥青胶浆下降较快，幅度较大。说明C-沥青胶浆的粘弹性显著优于MP-沥青胶浆，而低温抗裂性能较MP-沥青胶浆有所降低。

(4)对两种填料不同mc/ma的掺量试验，研究得出合理的水泥改性沥青胶浆mc/ma范围在0.4～0.6之间，工程实际应用中需要充分考虑道路的等级、设计要求、经济社会效益等，适当调整mc/ma，利于发挥水泥对沥青混合料性能改善的目的。