高溫高濕環境下不同填料瀝青膠漿高溫性能影響因素的優劣性研究

0 引言

我國湖北地區，夏季高溫多雨，雨水頻發，使得該地區處于高溫高濕環境下，嚴重影響瀝青路面的服役循環和使用壽命[1]。在瀝青混合料中，粗集料主要是被細集料與瀝青所形成的瀝青膠漿所包裹，從而相互粘結形成強度，所以瀝青膠漿的性能優劣直接與瀝青混凝土的路用性能相關[2-3]。瀝青路面高溫穩定性不足會導致車轍病害的產生，而水分引起的損傷通常會導致瀝青混合料的剝離，減短瀝青路面的服役壽命[4-6]。在路面實際施工中常根據當地氣候環境要求，選擇不同種類填料與瀝青粘合劑結合，達到增強路用性能的效用，比如常見的礦粉、水泥以及消石灰都在一定程度上增加瀝青混合料的抗水損性能[7-8]。因此，研究高溫高濕環境對不同填料瀝青膠漿的影響是急需解決的一個重要問題。

目前，徐波[9]等人通過動態剪切流變儀，研究了空氣濕度對瀝青膠結料的高溫流變性能的影響，驗證了濕度對瀝青膠結料性能產生了一定程度的不利影響。張勤玲[10]等人基于鹽蝕干濕循環試驗，研究了試驗環境和干濕循環耦合作用對瀝青膠漿流變性能的影響，結果表明，隨著鹽蝕干濕循環次數的增加，膠漿的復數切變模量、車轍因子均呈增大趨勢。徐沛垚[11]通過拉拔試驗及3d結構光掃描技術，探究了水分對不同填料瀝青膠漿力學性能的影響。

綜上所述，目前已有研究成果主要集中在不同濕度對瀝青膠結料或瀝青膠漿的性能影響，但針對高溫高濕環境下瀝青膠漿高溫流變特性影響因素的優劣性研究較少。因此，采用動態剪切流變儀對不同養護條件瀝青膠漿的高溫流變性能進行測試，利用灰色關聯分析方法共同分析各種因素對瀝青膠漿高溫流變性能的影響，為高溫高濕條件下瀝青混合料填料的選擇及優化提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青

瀝青選用湖北國創生產的A級70號道路石油瀝青，其檢測結果如表1所示。

表1 瀝青檢測指標

1.1.2 填料

試驗主要采用石灰巖礦粉、廢舊剎車片粉末和P·O42.5水泥三種填料，均購于市場，其檢測結果如表2所示。

表2 填料檢測結果

1.2 瀝青膠漿的制備

將基質瀝青加熱至140℃，處于流動狀態，隨后將不同填料放置于105℃的烘箱烘至2小時以上，直至填料中水分消散為止，隨后按照粉膠比為1.0的比例將礦粉緩緩倒入瀝青中，使用具有兩個葉片的攪拌機在2000±200r/min的速度下進行熔融混合。制備其他填料膠漿，按照等體積替換礦粉的方法進行制備。上述瀝青和不同填料進行混合得到3種不同填料瀝青膠漿。制備完成后，將瀝青膠漿放置于一定的養護條件下養護。養護條件如表3所示。

表3 養護條件

1.3 試驗方法

1.3.1 動態剪切流變試驗

本研究中DSR試驗采用美國BOHLIN公司生產的C-VOR150型動態剪切流變儀。將制備好的瀝青膠漿試樣放置在兩塊平板中；其中一塊固定，另一塊繞中心軸以角速度ω試驗來回擺動，得到不同溫度下試樣的復合剪切模量G*和相位角δ。試驗采用應變控制模式，試驗頻率為10rad/s，試驗溫度采用30-80℃，試樣直徑為8mm，厚度為1mm，應變為0.1%。

1.3.2 X射線衍射（XRD）

為分析填料的化學元素對瀝青與填料的高溫流變性能的影響，本研究采用XRD光譜技術對3種填料進行測試，試驗采用Rigaku Ultima IVX射線衍射儀。將試驗得到的填料X射線衍射圖利用Origin軟件進行積分處理，將每種化合物所對應峰面積之和除以所有峰的總面積，通過衍射圖中的總面積和單個峰的面積，得到每個化合物的相對含量。

1.3.3 灰色關聯分析

灰色關聯分析是根據因素之間發展態勢的相異狀況來衡量因素之間的關聯程度，可以用灰色關聯度來描述各因素統計分析方法。系統發展過程中，若兩個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關聯程度較高；反之，則較低。

2 結果分析

2.1 不同填料瀝青膠漿的DSR

利用動態剪切流變儀研究不同填料以及不同飽水條件對瀝青膠漿粘彈性能、高溫流變性能的影響。

2.1.1 瀝青膠漿的復合剪切模量與相位角

結合圖1選擇礦粉、水泥、廢舊剎車片粉末進行比較。可以看出瀝青膠漿的流變性能和粘彈性能對溫度有顯著的依賴性，隨著溫度的升高，復合剪切模量G*減小，而相位角δ增加。在相同溫度下，水泥和礦粉瀝青膠漿的復合剪切模量G*最低，而剎車片粉末瀝青膠漿最高。這表明相比于水泥和礦粉，廢舊剎車片粉末的摻入提高了瀝青膠漿的剛度。從相位角來看，水泥和礦粉瀝青膠漿曲線處于上方，而廢舊剎車片粉末瀝青膠漿的相位角δ最低，表明相比于水泥和礦粉填料，廢舊剎車片粉末的摻入有利于瀝青基材料高溫下的彈性恢復。

圖1 25℃下不同填料膠漿的復合剪切模量與相位角

由圖2、圖3和圖4可知，在同一溫度下，隨著不同飽水作用時間的增加，3種填料瀝青膠漿的復合剪切模量G*均增大，這是由于經過水和高溫的共同作用下，瀝青膠漿中輕質組分揮發、溶解、老化，瀝青膠漿的流動性在一定程度上降低。對于60℃無水的養護條件下，其復合剪切模量略微增大。相對于剎車片粉末，礦粉和水泥瀝青膠漿在60℃飽水養護后，相位角變化更加明顯，表明礦粉和水泥膠漿在高溫高濕環境下的粘彈性成分變化明顯高于剎車片。

圖2 不同溫度下礦粉膠漿的復合剪切模量與相位角

圖3 不同溫度下水泥膠漿的復合剪切模量與相位角

圖4 不同溫度下剎車片膠漿的復合剪切模量與相位角

2.1.2 瀝青膠漿的車轍因子

由圖5可知，瀝青膠漿對于車轍因子由大到小的變化順序依次為剎車片膠漿、水泥膠漿和礦粉膠漿。水泥膠漿的車轍因子要略大于礦粉膠漿，但增幅不明顯，剎車片膠漿增幅顯著，表明剎車片的摻入顯著提升了高溫抗永久變形的能力。

圖5 25℃下不同填料膠漿的車轍因子

由圖6、圖7和圖8可知，在相同試驗溫度下，相較于常溫無水條件，3種填料瀝青膠漿經過60℃飽水3天后條件之后，車轍因子都有一定的提升，經過60℃無水3天后，車轍因子基本沒有變化。說明瀝青膠漿經過一定時間的飽水條件后，彈性恢復能力更強，提高了高溫抗變形能力。這是由于瀝青膠漿在高溫高濕環境下，膠漿內部的水溶性物質、親水基團被水溶解、抽提或吸收，破壞瀝青膠漿的穩定結構，增加了膠漿的彈性成分，提高高溫抗車轍性能。比較不同溫度下不同填料膠漿的車轍因子，表明相比于剎車片粉末，高溫飽水養護條件對于礦粉和水泥的影響更明顯。

圖6 不同溫度下礦粉膠漿的車轍因子

圖7 不同溫度下水泥膠漿的車轍因子

圖8 不同溫度下剎車片膠漿的車轍因子

2.2 填料化學元素

本研究采用XRD光譜技術對3種填料進行測試，得到不同填料的化學元素，如表4所示，主要化學元素含量由高到低分別為：SiO2＞CaO＞Fe2O3＞MgO＞Al2O3＞SO3。

表4 填料化學元素

2.3 各指標灰色關聯分析

為了探究瀝青膠漿60℃下的高溫流變性能指標G*/Sinδ與養護條件及填料主要化學元素含量之間的關聯程度，以車轍因子為參考序列X0*，以溫度X1*、飽水條件X2*、養護時間X3*、SiO2含量X4*、CaO含量X5*、MgO含量X5*、Al2O3含量X6*、Fe2O3含量X7*、SO3含量X8*為比較序列，設未飽水條件為1，經飽水條件為2，探究指標評價瀝青膠漿高溫流變性能的可靠性，確定最不利的外部環境因素。經過均值處理后得到的灰色關聯系數如表5。

表5 瀝青膠漿高溫流變性能影響因素灰色關聯系數

由于影響瀝青膠漿高溫流變性能因素不止一個，在參考特征數列與各相關因素數列之間可構成灰關聯矩陣，通過灰關聯矩陣各影響因素之間的關系，可以分析出哪些因素是優勢影響因素，哪些因素是非優勢影響因素，而灰色關聯度的大小可用來判斷相關因素序列和參考特征數列之間的作用關系，分析主要影響和次要影響，起主要作用的因素即為優勢影響因素。

如表6所示，各相關影響因素對瀝青膠漿高溫流變性能的影響強度由大到小的排列為：Al2O3含量、MgO含量、Fe2O3含量、養護時間、SiO3含量、CaO含量、溫度。其中Al2O3、MgO、Fe2O3的含量都位居前列，可以推斷，對瀝青膠漿60℃下的高溫流變性能指標G*/Sinδ的影響指標：填料化學元素＞養護條件。為了使處于高溫多雨環境下的瀝青路面具有更好的高溫流變性能，建議采用Al2O3含量高的填料，減輕水分對材料的侵蝕，延長瀝青路面的服役壽命。

表6 瀝青膠漿高溫流變性能影響因素關聯度

3 結論

①溫度的升高和飽水作用時間的增加均會影響不同填料瀝青膠漿的黏彈性。相對于剎車片粉末，礦粉和水泥膠漿在經過高溫高濕環境作用后的黏彈性變化更加明顯。②溫度的升高和水分侵蝕時間會顯著影響不同填料瀝青膠漿的高溫流變性能。相比于剎車片粉末，礦粉和水泥瀝青膠漿在60℃飽水后的高溫性能和變化更加顯著。以剎車片粉末為填料的瀝青膠漿在飽水前后，在高溫性能方面表現更好。③灰色關聯分析的結果顯示，經過高溫飽水條件作用后，填料的化學元素對瀝青膠漿的影響大于環境條件，根據填料化學元素分析，Al2O3含量高的填料可以延長瀝青路面的服役壽命。