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基于熟石灰活性填料的沥青玛蹄脂混合料低温开裂性能研究 郭漾 王嘉英 河南首招建设管理有限公司 河南 南阳 473000 摘要：本文选择一种以玄武岩（B）为惰性填料、以不同比例（5,10,15,20%）的熟石灰（HL）为活性填料，以改性沥青为粘结剂，使填料与粘结剂（F/B）之比为0.8，共制备五种沥青玛蹄脂混合料(AC-30+80%B+0%HL、AC-30+75%B+5%HL、AC-30+70%B+10%HL、AC-30+65%B+15%HL、AC-30+60%B+20%HL)。然后采用弯曲梁流变试验（BBR）评价低温开裂性能。试验结果表明：HL的加入使沥青玛蹄脂的S(t)和m(t)值随S(t)和E(t)主曲线的变化而提高，表明其抗裂性能增强。本文还研究了B和HL填料对S(t)、m(t)和E(t)参数的联合影响及沥青玛蹄脂按m(t)参数的排序问题。 关键词：熟石灰；蠕变劲度；松弛率;沥青玛蹄脂  1.引言 沥青混合料由沥青、集料和矿物填料组成。沥青和矿物填料的混合物通常称为沥青玛蹄脂，矿物填料通过减少空隙率和增加劲度来提高沥青混合料的稳定性。矿物填料的表面积、结构、类型和元素组成是影响沥青玛蹄脂性能的主要因素。通常采用惰性和活性填料制备沥青玛蹄脂。石粉、石灰石、花岗岩等为惰性填料，而熟石灰、水泥、粉煤灰、硅藻土等为活性填料。熟石灰、硅藻土等活性填料能够改善沥青混合料的抗剥离和抗老化性能。但在寒冷地区柔性沥青路面容易发生的低温裂。由于温度的急剧下降，柔性路面表层产生了热应力。本文采用弯曲梁流变试验（BBR），研究惰性填料和活性填料对沥青玛蹄脂低温开裂行为的影响。利用弯曲梁流变仪（BBR）测试基于劲度和松弛率的沥青粘结剂和胶泥的低温性能。此外，胶凝材料与矿物填料的物理化学作用可以影响沥青玛蹄脂的老化行为。老化通常是由于沥青粘结剂的挥发性和轻馏组分的氧化和蒸发而产生的，降低了沥青胶浆的弹性响应，使其容易开裂，特别是在中低温时。矿物填料颗粒在沥青中的随机分布对沥青玛蹄脂低温蠕变劲度也有影响。 2.材料与实验方案 2.1材料 粘结剂选用常用的改性沥青，表1给出了沥青的基本物理性质。分别选择玄武岩和熟石灰作为惰性填料和活性填料，两种填料均通过200#筛（75μ）。 表1 沥青的物理性质
2.2填料特性 利用激光粒度和形状分析仪、BET比表面积（SSA）、比重（SG）、亲水系数（HC）和扫描电镜（SEM）成像对玄武岩和熟石灰填料特性进行试验。发现两种填料的粒径分布（图1）几乎相似。表2给出了B和HL填料的基本特性。 HC是水中填料体积与煤油中填料体积的比值。HC的测定基于填料对水的亲和力。若HC超过1，则填料与水的亲和力大于与沥青的亲和力。结果表明，B填料对水的亲和力低于HL填料。由两种填料的扫描电镜图像可知，两种填料的形状都呈片状。 图1 B和HL填料的粒径分布曲线 表2 填料的基本特性
2.3沥青玛蹄脂混合料制备 选用填料（B和HL）配制沥青玛蹄脂，按重量计，20%的HL沥青粘合剂用于制备沥青混合料，采用F/B比为0.8的方法制备沥青玛蹄脂混合料（AC-30）。以AC-30粘结剂的重量计，HL在0、5、10、15和20%之间变化，并相应地调整B填料以保持F/B=0.8。因此，用B和HL填料制备了五种不同的沥青玛蹄脂混合料（AC-30+80%B+0%HL），（AC-30+75%B+5%HL），（AC-30+70%B+10%HL），（AC-30+65%B+15%HL）和（AC-30+60%B+20%HL）。为了保证表面无水分，填料在105℃下烘烤24小时。将500克改性沥青粘结剂在150℃下预热1小时，使其与填料充分混合，使其适合于胶泥样品的每一个组合。烘干的填料加入到热沥青中，并在150±5℃下用机械混合器混合。搅拌机以1500r/min.的搅拌速度保持1h，直到形成均匀的沥青玛蹄脂混合料。 2.4短期和长期老化 采用短时时效（STA）模拟沥青混合料拌和压实阶段的沥青挥发组分和沥青的氧化损失。长期老化（LTA）模拟沥青混合料在现场发生的渐进氧化。使用薄膜烘箱（TFO）在实验室完成沥青玛蹄脂与所有五种B和HL填料组合的STA，并在163℃下调节5小时。同样，所有沥青玛蹄脂样品的LTA在实验室中使用压力老化容器（PAV）在100℃下保持2.1MPa的空气压力进行20小时。PAV老化残渣在170℃下进一步处理30分钟脱气。 3.BBR低温抗裂试验 3.1 蠕变劲度和蠕变速率 采用弯曲梁流变试验（BBR）测定5种不同沥青玛蹄脂的蠕变劲度S(t)和蠕变速率m(t)。研究了在0、3、6、9、12c五种不同温度下，HL对沥青玛蹄脂裂电位的影响。在100g（980±50mn）恒载240s的条件下，对不同沥青玛蹄脂梁试件进行了低温性能试验。S(t)可用公式（6）计算。 式中，P为施加的恒定荷载，N；δ(t)为跨中梁的时变挠度；L为梁的长度，mm；b为梁的宽度；h为梁的厚度。对8、15、30、60、120和240s的S(t)值进行评估。S(t)的对数与时间的对数之间在60s处的斜率称为m(t)值。用式（6（a））计算m(t)值。 根据S(t)<300MPa和m(t)>0.3限值，分析HL对沥青玛蹄脂低温裂性能的影响。 3.2主曲线 通过试验数据分析，得到5种不同类型沥青玛蹄脂的S(t)和松弛模量E(t)的主曲线。根据达到玻璃态(3000MPa)的斜率增加或减少的速率，得到主曲线，研究S(t)和E(t)随时间的变化趋势。S(t)和E(t)主曲线是根据CAM模型公式（7）在-6℃温度下生成的。S(t)替换为E(t)主曲线。 式中，S(Tref，ζ)为减少时间的劲度，单位为MPa，’ζ’；Sglassy是假定为3 GPa的玻璃化模量；λ、β和k是形状参数。AC-30混合料的E(t)是根据测量的S(t)数据，使用Leaderman（1958）[6]提出的基于幂律的内部转换程序计算的。沥青的蠕变柔度D(t)可用式(8)由S(t)得出。 其中F(τ)是D(τ)或E(τ)的原函数，n是t的函数，E(t)是松弛模量，单位为MPa，D(t)是蠕变柔度，单位为MPa-1。 4.数据分析 4.1 HL对蠕变劲度和蠕变速率的影响 图2（a）表示在0、3、6、9和12℃下，0、5、10、15和20%HL时S(t)值（60s）的变化。对于沥青粘合剂而言，较低的S(t)值（<300 MPa）需要具有良好的耐低温抗裂性。结果表明，含0、5、10、15和20%HL的沥青玛蹄脂在6℃时的S(t)值分别为243、189、196、208和235MPa，添加HL的沥青玛蹄脂的S(t)值低于纯沥青玛蹄脂，表明其抗裂性能有所提高。图2（a）的曲线表明，沥青玛蹄脂的S(t)值在添加5%HL之前降低，在6℃时随着进一步添加HL而略微增加10%、15%、20%。这可能是由于添加HL后沥青玛蹄脂的低温硬化降低，从而导致劲度性能降低。在0℃、3℃、9℃和12℃时，也可以观察到类似的S(t)曲线行为。然而，含有0、5、10、15和20%HL的沥青玛蹄脂在12℃时的S(t)值分别为381、358362、368和372MPa。这些结果表明，S(t)值较高（>300mpa），表明抗裂性较差。这可能是由于S(t)值在9℃以上大幅度增加所致，因此，HL对提高9℃以下纯沥青玛蹄脂的低温性能具有一定的影响。 同样，在0、3、6、9和12℃时测量m(t)值，了解HL对沥青玛蹄脂应力松弛行为的影响。较高的m(t)值（>0.3）表示热应力发展较慢。在6℃时，HL为0、5、10、15和20%的沥青玛蹄脂的m(t)值分别为0.243、0.280、0.272、0.261和0.252(图2(b))。另外，在0℃时，含0、5、10、15和20%HL的沥青玛蹄脂的m(t)值分别为0.305、0.330、0.325、0.317和0.310。可以看出，添加5%HL增加了沥青玛蹄脂的m(t)值，表明应力松弛能力增加，进一步添加10-20%的HL表明(图2(b))m(t)值略有下降，但比纯沥青玛蹄脂高。沥青玛蹄脂的m(t)曲线在0℃、3℃、9c和12℃时也有类似的趋势。此外，含0%-20%HL的沥青玛蹄脂在6℃时m(t)值较低(﹤0.3)，表明其抗裂性较差。然而，在0℃时，含0%-20%HL的沥青玛蹄脂表现出较高的m(t)(>0.3)，这可被认为是增强了抗裂性。根据m(t)值，不同沥青玛蹄脂的抗裂性能可分为：（AC-30+75%F+5%HL）>（AC-30+70%F+10%HL）>（AC-30+65%F+15%HL）>（AC-30+60%F+20%HL）>（AC-30+80%F+0%HL）。 图2 （a） 不同HL含量AC-30的蠕变劲度值；（b）不同HL含量AC-30的蠕变劲度值 4.2蠕变劲度和松弛模量主曲线 图3所示为沥青玛蹄脂在6℃时的S(t)主曲线，其HL为0、5、10、15和20%。结果表明，与纯沥青玛蹄脂（0%HL）相比，HL沥青玛蹄脂的劲度值有所降低。含5%HL的沥青玛蹄脂的坡度下降速度相对较快，其次是含10%、15%、20%和0%HL的沥青玛蹄脂。 此外，可以观察到，在所有加载时间范围内，HL的添加显示出较小的S(t)值，表明达到玻璃态（S(t)=3000MPa）的斜率增加较慢。坡度的缓慢增加意味着热应力的缓慢发展，从而导致抗裂性的提高，因此可以得出结论，HL有改善低温性能的趋势，这可能是由于HL填料颗粒在沥青玛蹄脂中的夹杂所致。 图3 不同沥青玛蹄脂在6℃下的蠕变劲度主曲线 E(t)是计算热应力的重要参数，热应力的发展与松弛模量的发展直接相关。因此，S(t)和m(t)值必须在热应力的发展中发挥重要作用，图4表示使用式(9)估算的不同沥青玛蹄脂的E(t)与缩短时间的关系。可以观察到，S(t)和E(t)在性质上是相同的，它们的斜率在很短的时间内在双对数尺度上接近于零。随着时间的增加，E(t)的下降速率快于S(t)值，表明热应力发展速率降低。 由图4还可以注意到，随着加载时间的减少，E(t)的下降速度相对小于S(t)，并且对于所有沥青玛蹄脂与HL的组合，这种斜率的趋势是相似的（0%-20%）。此外，含5%HL的沥青玛蹄脂E (t)的下降速度更快，其次是含10%、15%、20%和0%HL的沥青玛蹄脂，这可视为抗热应力发展能力的相对提高。 图4 不同沥青玛蹄脂在6℃下的松弛模量主曲线 5.结论 本文研究了玄武岩沥青玛蹄脂和熟石灰作为惰性填料和活性填料的低温开裂性能。根据上述结果和讨论，可得出以下关键结论：HL的加入降低了沥青玛蹄脂的蠕变劲度，提高了其m(t)值。此外，在不同的加载时间范围内，HL沥青玛蹄脂的S(t)和E(t)的斜率均呈下降趋势。结果表明，5%HL（75%B+5%HL）沥青玛蹄脂具有较好的低温裂性能。 参考文献 [1]刘建勋,聂满意,王选仓,石福周.沥青玛蹄脂碎石混合料高温抗车辙性能试验研究[J].筑路机械与施工机械化,2014,31(02):45-47+52. [2] Y. Cheng, J. Tao,Y. Jiao, G. Tan, Q. Guo, S. Wang, P. Ni, Influence of the properties of filleron high and medium temperature performances of asphalt mastic, Constr. Build.Mater. 118 (2016) 268–275. [3]田华. 纤维沥青玛蹄脂性能与纤维加筋沥青混合料强度试验研究[D].湖南大学,2008. [4] H. Qiu, X. Tan,S. Shi, H. Zhang, Influence of filler–bitumen ratio on performanceof modified asphalt mortar by additive, J. Mod. Transp. 21 (1) (2013) 40–46. [5]冯师蓉. 沥青玛蹄脂粘弹性特性的DSR试验研究[D].郑州大学,2007. [6] S.W. Park, Y.R.Kim, Interconversion between relaxation modulus and creep compliance forviscoelastic solids, J. Mater. Civ. Eng. 11 (1) (1999) 76–82. [7]侯航舰,胡霞光.沥青玛蹄脂粘弹性特性静态蠕变试验研究[J].建筑材料学报,2008(03):292-298. [8]宫菲菲.寒冷地区沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)应用特点分析[J].黑龙江交通科技,2016,39(12):48-49. [9] V. Antunes, A.C.Freire, L.R. Quaresma, R. Micaelo, Influence of the geometrical and physicalproperties of filler in the filler–bitumen interaction,Constr. Build.Mater. 76 (2015) 322–329. [10]谭诗亮. 沥青玛蹄脂混合料高温性能研究[D].华南理工大学,2012. 郭漾（1989-），男，本科，助工，研究方向：市政公路；通信地址：河南省南阳市宛城区儒林星座；  |
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