不同粉膠比下橡膠高粘瀝青膠漿體系性能研究

謝樹志 羅博文 陳波

摘要：為研究不同粉膠比下橡膠高粘瀝青膠漿體系性能，探索瀝青膠漿體系與混合料性能關系，文章開展了不同粉膠比下針入度、軟化點、延度試驗，以及不同粉膠比下混合料的穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度試驗，分析了粉膠比對瀝青膠漿針入度、針入度指數(shù)、軟化點、延度等指標及混合料性能影響規(guī)律。結果表明：粉膠比對橡膠高粘瀝青膠漿性能有顯著影響，瀝青膠漿針入度和軟化點均隨著粉膠比增大先減小后增大，在1.2～1.4時達到最低;隨著粉膠比的增加，瀝青膠漿軟化點、混合料穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度指標均隨之增大，瀝青膠漿的高溫性能與混合料的高溫性能呈正相關性。

關鍵詞：道路工程;橡膠高粘瀝青膠漿;粉膠比;高溫性能

0 引言

瀝青混合料是一種粘彈塑性材料，在高溫、重載環(huán)境條件下易出現(xiàn)推移、車轍、開裂等早期病害，進而影響路面使用壽命及行車安全性。瀝青混合料材料組成是決定混合料性能的關鍵因素，而在瀝青混合料體系中，瀝青膠漿最為重要，對混合料路用性能起到?jīng)Q定性作用。礦粉特性、瀝青特性及礦粉與瀝青比例是影響瀝青膠漿性能的重要因素。尤其是大孔隙瀝青混合料，粗骨料占混合料總質量的85%以上，混合料中細集料、礦粉及瀝青含量較少，瀝青膠漿的性能對大孔隙瀝青混合料性能影響更為顯著。邢明亮[1-3]、呂魏[4]、張曉燕[5]、凌天清[6]等人分別開展了對高粘瀝青膠漿、70#普通瀝青膠漿、SBS改性瀝青膠漿、橡膠瀝青膠漿性能的研究。根據(jù)不同瀝青膠漿體系相關研究可以看出，隨著粉膠比增大瀝青膠漿高溫性能均逐漸提升，但不同粉膠比下瀝青膠漿高溫性能對粉膠比變化的敏感程度不同，瀝青膠漿性能最優(yōu)時的粉膠比也不盡相同。且目前關于膠漿體系的研究主要集中于不同粉膠比下的瀝青膠漿性能，對不同粉膠比下瀝青膠漿性能與混合料性能相關性方面的研究較少，不足以為混合料材料組成設計提供科學依據(jù)。鑒于此，本文針對大孔隙瀝青混合料中膠漿體系，研究了橡膠高粘瀝青膠漿性能，以及瀝青膠漿性能與大孔隙橡膠高粘瀝青混合料性能相關性，可為大孔隙瀝青混合料性能設計提供參考。

1 原材料

試驗用橡膠高粘瀝青性能指標如表1所示，填料采用石灰?guī)r礦粉。

2 試驗方法

2.1 試驗方案

選擇0.8、1.0、1.2、1.4、1.6五種不同粉膠比，分別開展針入度、延度、軟化點試驗，同時測試五種粉膠比在15 ℃、25 ℃、30 ℃三個溫度下的針入度指標，用以計算針入度指數(shù)、當量軟化點、當量脆點，分析評價不同粉膠比下瀝青膠漿的溫度敏感性。

成型五種粉膠比下馬歇爾試件和車轍試件，測試不同粉膠比下混合料的穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度指標，進而分析瀝青膠漿性能與混合料性能相關性。

2.2 瀝青膠漿制備

橡膠高粘瀝青膠漿是由橡膠高粘瀝青與0.075 mm以下的填料混合而成。瀝青膠漿試件制備的均勻性直接影響著瀝青膠漿性能測試結果，因此必須規(guī)范瀝青膠漿制備工藝。具體步驟如下：

（1）按設計粉膠比稱量相應質量的填料，將填料放入105 ℃±5 ℃的烘箱中烘干至恒重，同時確保填料內外溫度一致，有利于填料在瀝青中均勻分散。

（2）將按相應粉膠比稱量的橡膠高粘瀝青裝入搪瓷杯中，在墊有石棉網(wǎng)的電熱爐上加熱至170 ℃，邊加熱邊攪拌。

（3）將填料分次加入170 ℃的橡膠高粘瀝青中，邊添加邊攪拌，直至混合均勻為止。為有效降低高溫條件下長期加熱造成的瀝青老化，建議加熱攪拌時間不宜超過20 min。

3 性能試驗

3.1 針入度

對15 ℃、25 ℃、30 ℃下制備的試件進行針入度試驗，試驗結果如表2所示。

從圖1可以看出在相同的粉膠比下膠粉復合改性高粘瀝青的針入度隨溫度的增加而逐漸增加，說明瀝青膠漿同樣具有與瀝青相似的溫度敏感性，溫度是影響瀝青膠漿性能的主要因素;三種溫度下，瀝青膠漿針入度均隨著粉膠比增大先增加后減小，在粉膠比<1.4時針入度達到最小，粉膠比為0.8時25 ℃膠漿的針入度為20.4（0.1 mm），當粉膠比增加到1.4時25 ℃膠漿的針入度為11.7（0.1 mm），針入度下降了約40%。說明由于礦粉的吸附作用，使得部分瀝青組分被吸附在了礦粉的表面，礦粉與瀝青組成的膠體體系中，分散相的數(shù)量隨礦粉數(shù)量的增多而增加，而自由瀝青數(shù)量相對減少，導致瀝青膠漿明顯變稠變硬，針入度數(shù)值降低。根據(jù)三種溫度下針入度隨粉膠比變化速率可以看出，溫度越高，針入度對粉膠比變化越敏感。

3.2 感溫性指標分析

在不同溫度條件下，瀝青膠漿黏度隨溫度的變化而改變，其性能也呈現(xiàn)出明顯變化。根據(jù)表2中試驗結果分別計算得到針入度指數(shù)PI、當量軟化點T800和當量脆點T1.2這三個反映瀝青膠漿感溫性能的指標，結果如表3所示。不同粉膠比下三個指標變化趨勢見圖2～4。

從圖2～4可以看出，隨著粉膠比增大，針入度指數(shù)和當量軟化點先減小后增大，在粉膠比為1.2時出現(xiàn)最小值;當量脆點的規(guī)律正好相反，隨著粉膠比的增加先增大后減小，在粉膠比為1.4時出現(xiàn)最大值。從針入度指數(shù)、當量軟化點和當量脆點隨粉膠比增加的變化規(guī)律可以看出粉膠比在1.2～1.4時，膠漿的結構發(fā)生了明顯的轉變。

3.3 軟化點

軟化點是表征瀝青感溫性能的指標之一，其試驗結果如表4和圖5所示。

從圖5可以看出，隨著粉膠比增大，膠粉復合改性高粘瀝青膠漿的軟化點總體呈現(xiàn)遞增的趨勢，且變化速率逐漸增大。在粉膠比為0.8～1.2時軟化點增長比較緩慢，由粉膠比為0.8時的99.8 ℃增加到粉膠比為1.2時的106.8 ℃，軟化點增加7%;粉膠比在1.2～1.6時軟化點增長比較快，由粉膠比為1.2時的106.8 ℃增加到粉膠比為1.6時的119.2 ℃，軟化點增加11.6%。可見，礦粉的加入顯著增加了瀝青膠漿的粘稠度，對瀝青起到了硬化作用，從而使軟化點升高，且粉膠比的增加對于提升瀝青膠漿高溫性能具有顯著作用。

3.4 延度

瀝青膠漿測試中的延度反映了膠漿的塑性變形能力，5 ℃和15 ℃溫度下瀝青膠漿試驗結果如表5和圖6所示。

從圖6可以看出，相同粉膠比下橡膠高粘瀝青膠漿的延度隨著溫度的增加也相應增大，相同溫度下橡膠高粘瀝青膠漿延度隨粉膠比增加先減小后增大。從表5可以看出，粉膠比為0.8時15 ℃的延度比5 ℃的延度增加了約2.7倍，而在高粉膠比時溫度對延度的影響幅度相對比較小，粉膠比為1.4時15 ℃的延度比5 ℃的延度增加了0.3倍。這表明溫度越高，粉膠比越小，延度隨粉膠比變化越敏感。

3.5 瀝青膠漿與混合料性能相關性

為了進一步研究瀝青膠漿性能與混合料性能相關性，開展了不同粉膠比下混合料的穩(wěn)定度及車轍試驗，試驗結果如表6所示。不同粉膠比下混合料穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度變化趨勢如圖7和圖8所示。

由圖7～8可以看出，隨著粉膠比的增大，混合料的穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均呈增大趨勢，這主要是因為粉膠比越大，對溫度敏感性越小，細集料與瀝青形成的膠漿體系越硬，高溫性能越好。隨著粉膠比的增加，穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度增長速率逐漸減小。這表明當粉膠比達到一定值后繼續(xù)增加粉膠比對混合料性能提升作用不明顯。結合圖5高粘瀝青膠漿體系軟化點隨粉膠比變化規(guī)律可知，雖然瀝青膠漿和大孔隙瀝青混合料高溫性能均隨粉膠比增加而提高，但在瀝青膠漿體系中，粉膠比越高高溫性能提升幅度越大，而在混合料體系中，當粉膠比超過1.2～1.4時，繼續(xù)增大粉膠比對高溫性能提升幅度不大。因此在一定范圍內適當提高粉膠比有利于改善混合料的高溫抗變形能力。

4 結語

（1）橡膠高粘瀝青膠漿針入度隨粉膠比增加而增大，相同粉膠比下針入度隨溫度增加而增大，溫度越高針入度對粉膠比變化越敏感。延度隨粉膠比增加先減小后增大，溫度越高，粉膠比越小，延度隨粉膠比變化越敏感。

（2）針入度指數(shù)、當量軟化點和當量脆點隨粉膠比變化均出現(xiàn)極值點，極值點區(qū)間為1.2～1.4，表面粉膠比在1.2～1.4時瀝青膠漿的結構發(fā)生了明顯變化。

（3）橡膠高粘瀝青膠漿的軟化點與大孔隙瀝青混合料高溫性能呈正相關，隨著瀝青膠漿軟化點增加混合料的高溫性能逐漸增大，但提升幅度逐漸減小。在一定范圍內適當提高粉膠比有利于改善混合料的高溫抗變形能力，建議最佳粉膠比為1.2～1.4。

參考文獻：

[1]邢明亮，李祖仲，何 銳，等.高粘瀝青膠漿動態(tài)剪切流變特性[J].材料科學與工程學報，2016，34（4）：556-559，580.

[2]邢明亮，陳拴發(fā)，關博文，等.高粘瀝青膠漿抗剪性能評價與分析[J].武漢理工大學學報，2013，35（6）：60-64.

[3]邢明亮，陳拴發(fā)，關博文，等.高粘瀝青膠漿低溫性能評價與分析[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2013，45（3）：416-421.

[4]呂 巍.膠漿流變特性對瀝青混合料性能影響研究[J].現(xiàn)代交通技術，2019，16（2）：16-18，30.

[5]張曉燕.粉膠比對SBS改性瀝青膠漿性能的影響[J].山東交通科技，2016（2）：109-112.

[6]凌天清，肖 川，夏 瑋，等.高溫下橡膠瀝青膠漿特性及礦料級配優(yōu)化分析[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（5）：47-52.