（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

目前國內(nèi)使用最多的填料是石灰石礦粉，但在工程實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)因填料種類的不同而導(dǎo)致瀝青混合料路用性能產(chǎn)生很大的差異[1]。硅藻土、赤泥等固體建筑廢棄物在我國含量豐富，將其作為填料加入到瀝青當(dāng)中已有一定先例。

程永春[2]等人研究摻量為7%的礦粉和硅藻土的瀝青膠漿的性能，發(fā)現(xiàn)礦粉將原樣瀝青的軟化點(diǎn)提高了1.9 ℃，硅藻土提高了4.7 ℃，因此認(rèn)為硅藻土能更有效的改善膠漿的高溫性能。鮑燕妮[3]等通過軟化點(diǎn)試驗(yàn)，張賢康[4]等通過車轍因子發(fā)現(xiàn)經(jīng)硅藻土改性后瀝青高溫性能得到改善。此外，關(guān)于硅藻土膠漿的低溫性能、疲勞性能、老化性能等也有過一定的研究[3-5]。

國內(nèi)外關(guān)于赤泥對(duì)基質(zhì)瀝青性能的影響的研究有限。包惠明[6]等學(xué)者曾提出利用赤泥作為硅酸鹽礦物的特點(diǎn)，將赤泥應(yīng)用于溫拌改性瀝青當(dāng)中。Hengji Zhang[7]等學(xué)者研究了礦粉和赤泥與SBS 改性瀝青所形成的膠漿的流變性能，通過車轍因子的比較發(fā)現(xiàn)赤泥可以更好的改善SBS 改性瀝青的高溫性能。

但是硅藻土、赤泥在瀝青路面中的應(yīng)用研究仍有所欠缺：比如關(guān)于硅藻土、赤泥對(duì)瀝青粘結(jié)和自愈合性能的影響鮮有研究，這些填料對(duì)瀝青高溫性能的影響也存在爭議（因?yàn)檐浕c(diǎn)和車轍因子等指標(biāo)無法準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能）?；诖爽F(xiàn)狀，本試驗(yàn)采用體積設(shè)計(jì)方法，研究不同的粉膠比摻量下，礦粉、赤泥、硅藻土制備的瀝青膠漿/ 混合料的高溫性能、粘結(jié)性能、自愈合性能和水穩(wěn)定性能。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及其性質(zhì)

本研究以礦粉、赤泥、硅藻土為填料， ESSO 70?；|(zhì)瀝青為原樣瀝青，在145 ℃的溫度下，用高速剪切機(jī)以4 000 r/min 的速率剪切15 min，制備瀝青膠漿。填料的物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 填料的物理化學(xué)性質(zhì)

填料的干壓孔隙率是參考?xì)W盟EN1097-4 規(guī)范中的Rigden 法[8]測(cè)定的，細(xì)度模數(shù)是在激光粒度分析儀確定填料大小和粒級(jí)分布狀況后，借鑒混凝土中評(píng)價(jià)砂粗細(xì)程度的計(jì)算方法，得到填料粗細(xì)程度的指標(biāo)——細(xì)度模數(shù)（MX），細(xì)度模數(shù)越小表征填料的粒度總體越細(xì)。

ESSO 70#基質(zhì)瀝青性質(zhì)如表2所示。

行業(yè)專家認(rèn)為，智能建造正逢其時(shí)，從純手工制造到智慧建筑，是一項(xiàng)復(fù)雜而又艱巨的科技攻關(guān)項(xiàng)目，更是實(shí)踐性要求極強(qiáng)的復(fù)雜工程實(shí)踐探索。但面對(duì)建筑用工成本的攀升、難度增強(qiáng)，以及市場需求等現(xiàn)實(shí)問題，建筑業(yè)的“云端”轉(zhuǎn)型刻不容緩。

表2 ESSO 70#基質(zhì)瀝青的性質(zhì)

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[9]中規(guī)定瀝青混合料的粉膠比（礦粉質(zhì)量：瀝青質(zhì)量）為0.6 ～1.6，但粉膠比超過1.2 后，采用濕法攪拌時(shí)，礦粉難以與瀝青拌和均勻。因此本研究將礦粉膠漿的粉膠比控制在0.6 ～1.2范圍內(nèi)。礦粉密度為2.71 g/cm3左右，ESSO 70?；|(zhì)瀝青密度為1.0 g/cm3左右，因此0.6、0.9、1.2 的質(zhì)量比所對(duì)應(yīng)的礦粉：瀝青體積比分別為0.22、0.33、0.44。

為了對(duì)比礦粉、硅藻土、赤泥膠漿性能，本研究將礦粉、硅藻土和赤泥均按照0.22、0.33、0.44粉膠比（體積比）分別摻入到瀝青當(dāng)中，以探究在相同的粉膠比（體積比）下，三種膠漿/瀝青混合料的性能差異。

1.2 試驗(yàn)方法

瀝青層次：本研究采用DSR 時(shí)間掃描得到不同膠漿的復(fù)數(shù)模量，通過多應(yīng)力蠕變回復(fù)試驗(yàn)（MSCR）評(píng)價(jià)膠漿的高溫抗車轍性能，通過BBS拉拔試驗(yàn)評(píng)價(jià)膠漿的粘結(jié)性能和自愈合性能。

混合料層次：選用AC-13 級(jí)配，5%油石比制備瀝青混合料，并進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。

2 不同填料的性能

2.1 高溫抗車轍性能

MSCR 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐笜?biāo)Jnr3.2已經(jīng)被多項(xiàng)研究證實(shí)與混合料車轍相關(guān)性好[10-11]。Jnr3.2指標(biāo)表現(xiàn)了瀝青的高溫抗變形能力，Jnr3.2數(shù)值越小，瀝青高溫抗變形能力越強(qiáng)。如圖1所示，加入填料后，瀝青的Jnr3.2明顯降低，尤其是硅藻土的加入使得瀝青的Jnr3.2從7.60 降低到1.22，減小幅度達(dá)到了84%，表明瀝青的高溫性能顯著提高。這可能是因?yàn)闉r青與填料相互作用后，在填料表面產(chǎn)生了化學(xué)組分的重新排列，填料表面形成了一層結(jié)構(gòu)瀝青，從而提高了膠漿的性能。

圖1 瀝青及膠漿Jnr3.2（MSCR 試驗(yàn)溫度64 ℃）

粉膠比從0.22 →0.33，膠漿的Jnr3.2下降斜率明顯陡于從0.33 →0.44 的下降斜率。以礦粉為例，粉膠比從0.22 增加到0.33，礦粉膠漿的Jnr3.2數(shù)值下降了1.11，而從0.33 到0.44，Jnr3.2僅下降了0.35。這說明粉膠比達(dá)到0.33 后，粉膠比繼續(xù)增長對(duì)瀝青的高溫性能提升的效果降低。這是因?yàn)殡S著填料的增加，填料在瀝青中難以拌和均勻，部分填料未被瀝青裹附，膠漿的黏附性、流動(dòng)性都有所損傷，從而影響了膠漿的高溫性能。

根據(jù)Jnr3.2的大小，評(píng)定膠漿高溫性能從優(yōu)到劣為：硅藻土膠漿＞赤泥膠漿＞礦粉膠漿＞原樣瀝青。

2.2 粘結(jié)性能及自愈合性能

BBS 拉拔試驗(yàn)是收錄在AASHTO TP-91 中作為評(píng)價(jià)瀝青與集料黏附性的方法，具有物理意義明確，設(shè)備便于攜帶，試驗(yàn)方法簡單且直觀的特點(diǎn)[12]，故本研究采用BBS 拉拔試驗(yàn)來評(píng)價(jià)膠漿的粘結(jié)性能和自愈合性能。

試驗(yàn)進(jìn)程如圖2所顯示。原樣瀝青和三種膠漿的拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖2 BBS 拉拔試驗(yàn)進(jìn)程

圖3 原樣瀝青和膠漿的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由圖3知，赤泥膠漿和硅藻土膠漿隨著粉膠比的增大，初次拉拔強(qiáng)度也增大，但是從粉膠比0.33 →0.44 過度時(shí)，其自愈合率下降。說明拉拔強(qiáng)度最好的膠漿不一定具有最好的抗水損壞的能力，因?yàn)檫@些膠漿的自愈合性能可能較差。在低溫環(huán)境時(shí)下，當(dāng)膠漿自愈合性能較差時(shí)，由水和交通荷載引起的損壞將難以愈合，并且會(huì)很快的反射到路面上。

考慮到很多時(shí)候，材料的強(qiáng)度和模量正相關(guān)，所以本研究嘗試建立起膠漿初次拉拔強(qiáng)度與膠漿復(fù)數(shù)剪切模量的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 膠漿初次拉拔強(qiáng)度和膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量關(guān)系

從圖4可知，隨著復(fù)數(shù)剪切模量的增大，膠漿的初次拉拔強(qiáng)度增大。復(fù)數(shù)剪切模量G*=G＇+iG＂，其中G＇是彈性響應(yīng)的系數(shù)，G＂是黏性響應(yīng)的系數(shù)，故G*在一定程度上表征瀝青的黏彈性質(zhì)。拉拔強(qiáng)度是克服了瀝青的黏滯特性而將材料拉斷的應(yīng)力，所以模量和拉拔強(qiáng)度之間會(huì)存在著緊密的關(guān)系。

在三種不同填料的膠漿中，硅藻土膠漿的拉拔強(qiáng)度和自愈合率均是最大。一來是因?yàn)楣柙逋聊z漿具有最大的復(fù)數(shù)剪切模量；二來是因?yàn)楣柙逋辆哂锌紫堵矢?、比表面積大、吸附性強(qiáng)、活性好等特點(diǎn)，導(dǎo)致硅藻土能與瀝青更好的粘結(jié)。

一般來說，瀝青的的初次拉拔強(qiáng)度和自愈合率越大，所對(duì)應(yīng)的瀝青混合料的抗水損害性能越好。然而0.33 粉膠比和0.44 粉膠比的膠漿初次拉拔強(qiáng)度和自愈合率所呈現(xiàn)的增長規(guī)律不一致，因此本研究進(jìn)一步采用凍融劈裂試驗(yàn)來確認(rèn)0.33和0.44 粉膠比膠漿所拌和的瀝青混合料的抗水損害性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5知，0.33 粉膠比拌和的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比更高。當(dāng)粉膠比為0.33 時(shí)，硅藻土瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比達(dá)到了91.6%，水穩(wěn)定性能明顯好于加入礦粉、赤泥膠漿的瀝青混合料。

圖5 不同填料的劈裂強(qiáng)度比比較

3 填料指標(biāo)與膠漿性能關(guān)聯(lián)性分析

本研究采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，針對(duì)膠漿的高溫性能，粘結(jié)能力和自愈合性能和水穩(wěn)性能與填料的幾種不同的指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，確定這幾種不同指標(biāo)對(duì)瀝青膠漿影響程度的大小。

取0.33 粉膠比的瀝青膠漿的Jnr3.2表征其高溫性能，初次拉拔強(qiáng)度表征其粘結(jié)能力，自愈合率表征其自愈合能力，劈裂強(qiáng)度比表征對(duì)應(yīng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

填料指標(biāo)為Al2O3含量，SiO2含量，CaO 含量，干壓空隙率，細(xì)度模數(shù)。

表3為填料指標(biāo)與膠漿性能的關(guān)聯(lián)度。

表3 填料指標(biāo)與膠漿性能的關(guān)聯(lián)度

由表3可知，干壓孔隙率和細(xì)度模數(shù)對(duì)膠漿性能的影響顯著，填料的化學(xué)成分對(duì)膠漿性能無明顯的影響。原因是填料與瀝青拌和時(shí)間有限，瀝青與填料以物理共混為主，因此填料的物理性質(zhì)會(huì)對(duì)膠漿性能影響更為明顯。

填料的干壓孔隙率和膠漿性能緊密相關(guān)的原因是：

①填料的微孔結(jié)構(gòu)影響了瀝青的吸附和濕潤作用和填料及瀝青粘結(jié)面積，從而影響膠漿的粘結(jié)性能；

②在高溫狀態(tài)下，瀝青會(huì)以液態(tài)滲入填料空隙當(dāng)中，溫度下降后，瀝青會(huì)在空隙中發(fā)生膠凝硬化，這種嵌入和錨固作用會(huì)像小爪子一樣深入到填料內(nèi)部，從而增強(qiáng)了瀝青與填料之間的機(jī)械結(jié)合力。

填料的細(xì)度模數(shù)對(duì)瀝青的性能影響顯著的原因是：在膠漿體系中，一般極細(xì)填料的表面能較高，此時(shí)填料會(huì)吸附瀝青中結(jié)構(gòu)相近的組分來自發(fā)降低體系的表面能以保持體系的穩(wěn)定性[13]。因此瀝青的組分會(huì)發(fā)生改變，性能可能將發(fā)生改變。

硅藻土由于孔隙率高，比表面積大，因此瀝青之間形成了良好的粘結(jié)力和機(jī)械咬合力，從而提高了瀝青的粘結(jié)性能、自愈合性能及混合料的水穩(wěn)定性；同時(shí)硅藻土顆粒細(xì)小，為了降低體系的表面能，會(huì)選擇性的吸收瀝青中入芳香烴、蠟等組分，從而顯著提高了瀝青的高溫抗車轍性能。

4 結(jié)論

通過對(duì)高溫抗車轍性能、粘結(jié)性能、自愈合性能、水穩(wěn)定性能對(duì)不同填料的瀝青膠漿/瀝青混合料進(jìn)行的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）填料的添加，可以提高瀝青的高溫性能，粉膠比大于0.33 時(shí)，增大粉膠比對(duì)瀝青抗車轍高溫性能的改善降低。

（2）膠漿的初始拉拔強(qiáng)度隨著粉膠比增大而增大，并且初始拉拔強(qiáng)度和膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量呈正相關(guān)。

（3）通過對(duì)比0.33 和0.44 粉膠比膠漿拌和的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比，發(fā)現(xiàn)粉膠比為0.33時(shí)，瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性。

（4）相比于礦粉和赤泥，硅藻土可以更好的改善瀝青/瀝青混合料的高溫性能、粘結(jié)性能、自愈合性能和水穩(wěn)定性能。

（5）在填料的不同性質(zhì)指標(biāo)中，干壓孔隙率和細(xì)度模數(shù)對(duì)膠漿的路用性能有較大的影響。