吳 星, 康愛(ài)紅，2, 吳幫偉，2, 寇長(zhǎng)江，2, 潘曉慧, 單桂軍

(1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127； 2.江蘇省玄武巖纖維復(fù)合建筑材料工程研究中心， 江蘇 揚(yáng)州 225127； 3.江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司， 江蘇 儀征 211400)

0 引言

在我國(guó)道路交通行業(yè)的飛速發(fā)展的同時(shí)，瀝青路面的高溫車(chē)轍現(xiàn)象愈演愈烈[2-4]，在許多研究中，學(xué)者們對(duì)摻加外加劑的瀝青混合料進(jìn)行研究[5-6]，從而達(dá)到減小高溫車(chē)轍的效果。但目前關(guān)于粉膠比對(duì)瀝青膠漿和瀝青混合料的高溫性能的影響的研究卻不多。有學(xué)者在對(duì)瀝青膠漿的研究中采用了膠漿理論的概念[7]，在瀝青混合料中，粗集料主要是被細(xì)集料與瀝青所形成的瀝青膠漿所包裹，從而相互嵌擠粘結(jié)形成強(qiáng)度，所以瀝青膠漿的性能可以從側(cè)面研究瀝青混合料的性能[8]。因此有必要就粉膠比對(duì)瀝青膠漿的性能的影響進(jìn)行研究，從而從側(cè)面反映粉膠比對(duì)瀝青混合料性能的影響。

目前已有一些學(xué)者就粉膠比對(duì)瀝青膠漿性能的影響進(jìn)行了研究，叢濤[9]研究了粉膠比和溫度對(duì)瀝青膠漿的低溫性能的影響；李培榮[10]等對(duì)橡膠瀝青膠漿流變特性進(jìn)行了研究；楊曉凱[11]等對(duì)活化煤矸石改性瀝青膠漿流變性能進(jìn)行研究。但是目前對(duì)于很少有人綜合瀝青膠漿高低溫性能，及其與纖維的黏附性指標(biāo)，以及粉膠比對(duì)瀝青膠漿性能的量化關(guān)聯(lián)度進(jìn)行研究，并給出綜合性能最佳粉膠比。

因此本文依據(jù)前人確定瀝青膠漿粉膠比的經(jīng)驗(yàn)[12]，在幾種不同溫度下測(cè)試了不同粉膠比的SBS瀝青膠漿的高低溫流變性能，以及纖維與其粘附性的大小，得出了一定的結(jié)論。此研究對(duì)明晰粉膠比對(duì)瀝青膠漿的高低溫性能的影響、粉膠比對(duì)纖維與瀝青膠漿的黏附性的影響，以及瀝青混合料的設(shè)計(jì)具有一定的理論意義與研究?jī)r(jià)值。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用瀝青為SBS改性瀝青，礦粉為石灰?guī)r礦粉，纖維為江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維，其規(guī)格為400根/束，單根16 μm。按照規(guī)范對(duì)試驗(yàn)所用的SBS改性瀝青、礦粉和玄武巖纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表1、表2所示，各項(xiàng)性能均滿(mǎn)足規(guī)范要求。纖維性能檢測(cè)結(jié)果如下：?jiǎn)卫w直徑16 μm，孔數(shù)400個(gè)，線密度0.211 g/m，單幅寬度1.589 mm，斷裂強(qiáng)度≥200 MPa。

表1 SBS改性瀝青性能檢測(cè)Table 1 Testing results of the properties of SBS modified asphalt檢測(cè)項(xiàng)目針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm運(yùn)動(dòng)粘度(235 ℃)/(Pa·s)軟化點(diǎn)差/℃檢測(cè)的結(jié)果7164491.81.4規(guī)范的要求60～80≮55≮30≯3≯2.5檢測(cè)方法T0604T0606T0605T0625T0661

表2 礦粉性能檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Testing results of the property of mineral powder類(lèi)別相對(duì)密度/(g/cm3)含水量/%粒徑范圍<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm親水系數(shù)檢測(cè)結(jié)果2.6710.310094.281.40.62規(guī)范要求≥2.5≤110090～10075～100<1檢測(cè)方法T0352T0103T0351T0351T0351T0353

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文依據(jù)前人確定粉膠比的研究經(jīng)驗(yàn)[12]，選取粉膠比(FB)為0.8、1.0、1.2和1.4。采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀、彎曲梁流變儀，在幾種不同溫度下，對(duì)不同粉膠比SBS瀝青膠漿高溫和低溫流變性能進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)使用新型纖維瀝青拉拔儀[1]，對(duì)纖維與不同粉膠比下的瀝青膠漿進(jìn)行拉拔測(cè)試，記錄拔出過(guò)程中的最大拉拔力，并計(jì)算失穩(wěn)拉拔功。最終對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出瀝青膠漿中的最佳粉膠比(礦粉含量/瀝青含量)，并依據(jù)礦料篩分結(jié)果，結(jié)合瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)中關(guān)于粉膠比的規(guī)定，給出了瀝青混凝土設(shè)計(jì)中規(guī)范計(jì)算粉膠比(0.075 mm通過(guò)率/有效瀝青含量)的建議值。

1.3 試樣的制備

在制作試驗(yàn)所用瀝青膠漿試樣時(shí)，首先將SBS改性瀝青和所用礦粉加熱至165 ℃，然后將稱(chēng)量好的礦粉分多次加入瀝青之中，使用攪拌機(jī)攪拌20～30 min，以保證瀝青膠漿的均勻性，最后用攪拌好的瀝青膠漿來(lái)制作不同試驗(yàn)所需的瀝青膠漿試樣。

1.4 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

本文采用美國(guó)SHRP提出的動(dòng)態(tài)剪切流變儀(具體型號(hào)為Bohlin ADS流變儀)，對(duì)不同粉膠比的瀝青膠漿進(jìn)行高溫流變性能的測(cè)試。

趙國(guó)軍[13]在研究中采用了美國(guó)提出的反映緯度、氣溫和路表溫度之間關(guān)系的經(jīng)典回歸模型，計(jì)算了緯度為32.03°地區(qū)的路面各層最高溫度。由于本文所作研究位處江蘇省的省會(huì)南京緯度為32.03°，與趙國(guó)軍研究緯度一致，其研究發(fā)現(xiàn)，全年上中下面層的最高氣溫在7月，平均溫度為59.73 ℃。所以本文在進(jìn)行瀝青膠漿流變性能測(cè)試時(shí)，采用更加貼合實(shí)際的溫度，最終選擇測(cè)試溫度為46 ℃、52 ℃、58 ℃。

1.5 瀝青膠漿低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)

本文采用彎曲梁流變儀(TE-BBR-F型)，在不同低溫溫度下對(duì)不同粉膠比的SBS瀝青膠漿進(jìn)行低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)(BBR)，在此試驗(yàn)中，蠕變勁度S單位為MPa，在低溫下，其值越大瀝青膠漿越脆；m代表蠕變速率，反映這瀝青膠漿的應(yīng)力松弛水平，m過(guò)小則說(shuō)明瀝青較硬。本文測(cè)試瀝青膠漿在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃，及60 s處的蠕變勁度S值和蠕變速率m值。

1.6 拉拔試驗(yàn)測(cè)試流程概述

本文使用課題組研制的新型纖維瀝青拉拔儀，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的試驗(yàn)溫度40 ℃[1]下，選取20 mm為纖維埋置長(zhǎng)度，并在設(shè)定的10 mm/min拉拔速度下，對(duì)不同粉膠比的SBS瀝青膠漿進(jìn)行拉拔測(cè)試，電腦記錄最大拉拔力和此時(shí)的纖維拔出長(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出失穩(wěn)拉拔功。每種粉膠比下進(jìn)行3次拉拔測(cè)試，若拉拔測(cè)試與平均值的誤差超過(guò)10%，則重新進(jìn)行測(cè)試。

圖1是某次拉拔測(cè)試中位移與拉拔力的關(guān)系曲線，在拉拔力達(dá)到峰值之后，拉拔力顯著減小，這就說(shuō)明了此時(shí)纖維與瀝青膠漿之間的粘結(jié)以及所達(dá)到的破壞狀態(tài)，圖中峰值左邊曲線與位移坐標(biāo)軸的面積近似為三角形，稱(chēng)此三角形面積為“失穩(wěn)拉拔功”，失穩(wěn)拉拔功單位為J，可以表示纖維與瀝青膠漿的黏附性能，并可以從側(cè)面直接反映瀝青膠漿的黏性。

圖1 拉拔試驗(yàn)曲線

測(cè)試的主要流程為： ①在模具中澆筑一半瀝青膠漿試樣(見(jiàn)圖2)，按照相同埋置長(zhǎng)度放入纖維，然后澆筑另一半的瀝青膠漿；②在圖3箭頭所示的總控臺(tái)中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；③待試樣溫度降為常溫，將其放入拉拔儀內(nèi)部，在40 ℃下控溫1 h；④點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，進(jìn)行拉拔力的測(cè)試。

圖2 試樣澆筑

圖3 纖維拉拔儀

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉膠比對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響

瀝青膠漿的性能主要受粉膠比的影響，3種不同的溫度下，不同粉膠比瀝青膠漿在不同試驗(yàn)溫度下的車(chē)轍因子、相位角、復(fù)數(shù)黏度等指標(biāo)如圖4～圖6所示。

由圖4可知，在試驗(yàn)溫度固定的情況下，瀝青膠漿的車(chē)轍因子隨著粉膠比的增大而增大。溫度越低，粉膠比對(duì)瀝青膠漿車(chē)轍因子的變化幅度與速率越大。由此說(shuō)明溫度較低時(shí)，粉膠比對(duì)瀝青膠漿車(chē)轍因子的影響比溫度較高時(shí)粉膠比對(duì)瀝青膠漿車(chē)轍因子的影響更大。這主要是由于礦粉的增加使得瀝青與更多的礦粉在其表面結(jié)合形成了結(jié)構(gòu)結(jié)合成了結(jié)構(gòu)瀝青膜，結(jié)構(gòu)瀝青膜的增加使得整個(gè)瀝青膠漿更加具有彈性性質(zhì)。

圖4 不同粉膠比下的車(chē)轍因子

由圖5可知，從總體上看，其規(guī)律與車(chē)轍因子規(guī)律一致，在試驗(yàn)溫度固定的情況下，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)黏度隨著粉膠比的增大而增大。在溫度達(dá)到52 ℃和往上時(shí)，粉膠比對(duì)瀝青膠漿復(fù)數(shù)黏度的影響速率與變化幅度相差無(wú)幾，幾乎呈平行變化趨勢(shì)。

圖5 不同粉膠比下的復(fù)數(shù)黏度

由圖6可知，從總體變化幅度來(lái)看，溫度越低，相位角的變化幅度越小。其原理主要還是礦粉的增加會(huì)使得瀝青與礦粉形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，從而使得瀝青膠漿的彈性性能越來(lái)越好。在粉膠比為最小值0.8時(shí)，3種溫度下的瀝青膠漿的相位角幾乎相同，可見(jiàn)粉膠比較小時(shí)，溫度對(duì)相位角的影響不大，而粉膠比對(duì)瀝青膠漿的相位角的影響始終較大。

圖6 不同粉膠比下的相位角

2.2 高溫流變性能、溫度和粉膠比灰色關(guān)聯(lián)分析

我國(guó)科學(xué)家鄧聚龍?jiān)?1世紀(jì)80年代提出了灰色理論的概念，運(yùn)用此理論可以在一定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到既定的某些影響因素對(duì)目標(biāo)的影響大小排序。經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，最終可以得到關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度的大小則反映了各個(gè)影響因素對(duì)目標(biāo)的影響大小排序。關(guān)聯(lián)度越大，則表明該影響因素對(duì)目標(biāo)的影響越大。為了得到關(guān)聯(lián)度，首先應(yīng)該將目標(biāo)與各個(gè)影響因素在某條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，并按照歸一法對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以消除單位對(duì)其的影響；接著設(shè)置目標(biāo)數(shù)列，即參考數(shù)列，記為X0；其次將各個(gè)影響因素?cái)?shù)列記為Xi，并計(jì)算X0-Xi；接著再去確定式(1)和式(2)的值，其中n是對(duì)目標(biāo)的影響因素的個(gè)數(shù)，而m是目標(biāo)和各個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。然后按照式(3)來(lái)計(jì)算各個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后將各個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行列表，最后再按照式(4)來(lái)計(jì)算各個(gè)影響因素的關(guān)聯(lián)度，最終將所得到的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，得到各個(gè)影響因素對(duì)目標(biāo)的影響的大小的排序。

(1)

(2)

ξ(|x0(k)-xi(k)|)=

(3)

(4)

在本文中，目標(biāo)數(shù)列為各流變性能數(shù)據(jù)列，ρ取值為常用的0.5。在使用以上公式和步驟對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)后，結(jié)果如表3所示。

表3 流變性能的關(guān)聯(lián)度表Table 3 Relevance degree table of the rheological properties流變性能影響因素關(guān)聯(lián)度車(chē)轍因子粉膠比0.590 3溫度0.574 6復(fù)數(shù)粘度粉膠比0.720 3溫度0.846 6相位角粉膠比0.739 9溫度0.625 8

由于瀝青和瀝青膠漿是一種感溫性材料，其各項(xiàng)性能受溫度的影響較大，而從表3可見(jiàn)，車(chē)轍因子、相位角與粉膠比、溫度的關(guān)聯(lián)度差值很小，復(fù)數(shù)粘度與粉膠比的關(guān)聯(lián)度甚至大于其與溫度的關(guān)聯(lián)度，因此可以看出，粉膠比對(duì)流變性能的影響和溫度對(duì)流變性能的影響相當(dāng)，在某些參數(shù)上甚至大于溫度對(duì)流變性能的影響，所以粉膠比對(duì)SBS瀝青膠漿的流變性能的影響是較大的。

2.3 粉膠比對(duì)瀝青膠漿低溫性能的影響

由圖7可知，在3種較低溫度下，瀝青膠漿的蠕變勁度與粉膠比呈正相關(guān)關(guān)系，且溫度越低，變化速率越大，這說(shuō)明粉膠比的增加會(huì)使得瀝青膠漿變脆。當(dāng)粉膠比為0.8～1.2時(shí)，其變化速率較緩，但當(dāng)粉膠比超過(guò)1.2時(shí)，蠕變勁度變化速率突然變快，此時(shí)很容易造成瀝青膠漿開(kāi)裂等現(xiàn)象，這主要是由于粉膠比的過(guò)度增加會(huì)導(dǎo)致更多的礦粉凝聚在一起，因此宜控制粉膠比小于1.2。

圖7 粉膠比對(duì)蠕變勁度的影響

由圖8可知，在3種低溫下，瀝青膠漿的蠕變速率與粉膠比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度越低其變化速率越大，說(shuō)明在溫度較低時(shí)，瀝青膠漿的蠕變速率更易受粉膠比的影響。與蠕變勁度變化規(guī)律一致，當(dāng)粉膠比為0.8～1.2時(shí)，其變化速率較緩;當(dāng)粉膠比超過(guò)1.2時(shí)，變化速率加快，與上面結(jié)論一致，粉膠比的大小不宜超過(guò)1.2，此結(jié)論也與鄭傳峰[14]等對(duì)瀝青膠漿低溫粘結(jié)性的研究結(jié)果一致。

圖8 粉膠比對(duì)蠕變速率的影響

2.4 粉膠比對(duì)最大拉拔力的影響

采用新型纖維拉拔試驗(yàn)機(jī)，在設(shè)定的40 ℃、20 mm埋置長(zhǎng)度和10 mm/min的參數(shù)下，對(duì)粉膠比為0.8、1.0、1.2、1.4的SBS瀝青膠漿與江蘇天龍玄武巖纖維進(jìn)行拉拔測(cè)試，最大拉拔力的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同粉膠比下天龍玄武巖纖維最大拉拔力

由圖9可知，纖維的最大拉拔力隨著瀝青膠漿粉膠比的增大而增大，這主要是由于礦粉的增加會(huì)導(dǎo)致更多的瀝青與礦粉結(jié)合成為結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，結(jié)構(gòu)瀝青薄膜和其內(nèi)部的礦粉與玄武巖纖維之間有著很好的咬合力，瀝青膠漿的粘性得以增加，因此粉膠比越大則最大拉拔力也越大，即粉膠比的增加會(huì)使得瀝青膠漿的黏性增加，從而表現(xiàn)為與纖維的黏附性的增大。這和復(fù)數(shù)黏度的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果一致，粉膠比對(duì)復(fù)數(shù)黏度的影響甚至大于溫度對(duì)其的影響，由此可見(jiàn)粉膠比對(duì)瀝青膠漿的影響較大，需要引起我們的重視。4種粉膠比(FB)下，每組試驗(yàn)做3次，失穩(wěn)拉拔功的結(jié)果如表4所示。

表4 失穩(wěn)拉拔功Table 4 Pull out energy when the pulling is unstable不同粉膠比下的失穩(wěn)拉拔功/JFB=0.8FB=1.0FB=1.2FB=1.41#2#3#1#2#3#1#2#3#1#2#3#0.020 20.022 10.021 40.022 70.025 20.026 00.026 70.029 60.028 50.040 50.035 90.039 6平均值0.021 2平均值0.024 7平均值0.028 3平均值0.038 7

由表4進(jìn)一步驗(yàn)證了粉膠比對(duì)瀝青膠漿與玄武巖纖維之間的黏附性能之間的關(guān)系，顯然不論是最大拉拔力指標(biāo)還是失穩(wěn)拉拔功指標(biāo)，他們都隨著粉膠比的增大而增大，由此可以說(shuō)明粉膠比的增大可以增加纖維與瀝青膠漿之間的黏附性能。結(jié)合之前對(duì)粉膠比對(duì)瀝青膠漿高溫和低溫流變性能的研究，從瀝青膠漿的綜合性能來(lái)看，SBS瀝青膠漿的最佳粉膠比為1.2。

2.5 粉膠比在瀝青混合料設(shè)計(jì)中的思考

目前許多關(guān)于瀝青混合料的研究都強(qiáng)調(diào)瀝青膠漿對(duì)瀝青混合料性能的影響[15]，同時(shí)粉膠比又是影響瀝青膠漿性能的重要因素。我國(guó)規(guī)范規(guī)定，在瀝青混合料的設(shè)計(jì)中，粉膠比指的是瀝青混合料中0.075 mm的礦料通過(guò)率與有效瀝青的含量的比值。

由礦粉的篩分結(jié)果看，本文所用礦粉中0.075 mm的通過(guò)率為81.4%，0.075～0.15 mm的含量為12.8%，0.15～0.6 mm的含量為5.8%?？梢?jiàn)礦粉中大部分粒徑都是小于0.075 mm的，但不可忽略的是0.075～0.6 mm的細(xì)粒礦料的含量雖然較少，但也會(huì)對(duì)瀝青膠漿的性能造成一定的影響。

本文做了一系列試驗(yàn)后，提出粉膠比(礦粉含量/瀝青含量)為1.2時(shí)，SBS瀝青膠漿的綜合性能最佳。因此依據(jù)礦粉篩分結(jié)果計(jì)算可知，本文實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的0.075 mm通過(guò)率與瀝青含量的最佳比值應(yīng)該為1.2×81.4%=0.976 8。同時(shí)，考慮到0.075～0.6 mm的細(xì)料也會(huì)對(duì)瀝青膠漿的性能造成一定的影響，因此根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果，建議在瀝青混凝土設(shè)計(jì)中，確定瀝青用量和混合料的級(jí)配曲線時(shí)，嚴(yán)格控制0.6 mm礦料通過(guò)率與有效瀝青含量的比值不得超過(guò)1.2，并且從瀝青膠漿的綜合性能角度來(lái)看，建議最佳規(guī)范計(jì)算粉膠比(0.075 mm通過(guò)率/有效瀝青含量)為0.976 8。此結(jié)論也在其他學(xué)者給出的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的粉膠比范圍之內(nèi)[16-17]，進(jìn)一步驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)的可靠性。

3 結(jié)論

a.在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，不同溫度下，粉膠比與SBS瀝青膠漿的車(chē)轍因子和復(fù)數(shù)黏度呈正相關(guān)關(guān)系、與相位角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，可見(jiàn)粉膠比適當(dāng)?shù)脑黾涌梢允筍BS瀝青膠漿的高溫性能表現(xiàn)更好，也會(huì)使其彈性性能更佳。

b.粉膠比對(duì)瀝青膠漿流變性能的影響和溫度相當(dāng)，其對(duì)復(fù)數(shù)黏度的影響甚至超過(guò)溫度對(duì)其的影響，因此粉膠比對(duì)瀝青膠漿性能有著較大的影響。

c.在對(duì)不同粉膠比下的SBS瀝青膠漿與江蘇天龍玄武巖纖維進(jìn)行拉拔測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，粉膠比的增加會(huì)使得最大拉拔力和失穩(wěn)拉拔功增大，因此粉膠比增大也會(huì)使得瀝青膠漿的黏性增強(qiáng)。

d.通過(guò)研究粉膠比與瀝青膠漿低溫性能的影響，結(jié)合瀝青膠漿高溫性能和拉拔測(cè)試結(jié)果來(lái)看，SBS瀝青膠漿綜合性能最好時(shí)的粉膠比為1.2。

e.建議在瀝青混凝土設(shè)計(jì)中，控制0.6 mm礦料通過(guò)率與有效瀝青含量的比值，使其不得超過(guò)1.2，并且建議最佳規(guī)范計(jì)算粉膠比(0.075 mm通過(guò)率/有效瀝青含量)為0.9768。