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摘要: 为研究矿粉对沥青胶浆粘度性能的影响, 利用布氏粘度计测试了不同填料类型和粉胶比的胶浆粘度, 分析了胶浆粘度的影响因素。分析结果表明: 不同类型矿粉配制的胶浆粘度有4.7倍的差距, 并随着粉胶比的增大差距更加明显; 掺加矿粉能够降低沥青胶浆的感温性, 但是变化幅度受到矿粉类型及剂量的综合作用; 矿粉类型的变化导致混合料施工温度有近30℃的差别。可见, 有必要根据矿粉性质指标筛选矿粉类型, 减小其对沥青混合料性能的不良影响; 同时需修正现行混合料施工温度确定方法, 以考虑矿粉的作用。Abstract: In order to analyze the influence of mineral power on asphalt mortar viscosity, Brookfield viscometer was used to test the viscosities of asphalt mortars with different filler types and filler bitumen ratios, and the influencing factors were studied.Test result shows that there is 4.7 times gap among the viscosities of different mortars, and the gap is bigger with the increase of filler bitumen ratio; adding mineral power can reduce the temperature sensitivity of the mortar, but which is affected by mineral power type and dosage; the difference of construction temperatures among different asphalt mortars can reach about 30 ℃.So it is necessary to filtrate the mineral power type according to mineral power character for reducing the bad effect on asphalt mixture performance, and modify the determination method of active mixture construction temperature for considering the function of mineral power.
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Key words:
- pavement engineering /
- asphalt mortar /
- viscosity /
- construction temperature
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0. 引言
按照胶浆理论, 沥青混合料是一种具有多级空间网络结构的分散系统, 其中胶浆起着粘结集料并填充空隙的作用, 胶浆性能对沥青混合料粘弹性有重要影响[1-2], 因而深入研究胶浆性能具有重要意义。沥青胶结料粘度的测量一般用于施工温度的确定[3-4], 研究证实粘度与抗车辙因子等高温性能指标间具有良好的相关关系[5-7]。本文采用从实体工程中随机抽取的5种矿粉, 顺序编号为1~5, 以及克拉玛依70号沥青, 利用布氏粘度计对胶浆的粘度性能进行了试验分析。
1. 矿粉对胶浆粘度的影响
为分析矿粉类型及粉胶比对胶浆粘度的影响, 本文测试了5种矿粉在不同粉胶比下胶浆的粘度, 结果见表 1。
表 1 胶浆粘度Table 1. Mortar viscositiesPa·s 粉胶比 矿粉类型 1 2 3 4 5 0.0 0.422 0.422 0.422 0.422 0.422 0.4 0.730 0.659 0.660 0.852 0.655 0.8 1.207 1.056 1.045 1.935 1.018 1.2 2.780 1.855 2.060 8.750 2.280 1.6 9.940 4.340 5.225 27.700 5.520 2.0 24.500 9.050 12.850 103.000 11.900 通过对表 1中不同胶浆在145 ℃时粘度数据的分析, 可得结论如下。
(1) 矿粉类型对胶浆粘度具有重要影响。以工程中常用的1.2粉胶比为例, 145 ℃条件下, 4号矿粉配制胶浆粘度达到8.750 Pa·s, 远高于其余4种矿粉的胶浆, 而2号矿粉胶浆粘度最小, 仅为1.855 Pa·s, 最大相差近5倍。
由于矿粉在沥青中会发挥体积增强以及物化反应等作用, 导致沥青粘度增加, 而不同矿粉在粒度构成、表面积和表面特性等方面存在差别, 导致其对沥青增劲效果的区别。过大的胶浆粘度会造成集料裹附程度的不足以及混合料碾压的困难, 而过小的胶浆粘度则容易导致胶结料的析漏, 因而有必要对胶浆粘度进行分析, 并采取针对性的措施, 以保证施工质量。
(2) 粉胶比增大, 胶浆粘度显著增加, 不同矿粉制备胶浆的差别也变大。同样以工程中常见的粉胶比范围0.8~1.2为例, 0.8粉胶比时, 5种胶浆粘度差为1.8倍, 而粉胶比达到1.2时, 不同胶浆粘度差就增大到4.7倍。这是因为随着掺量的增加, 矿粉在胶浆中所起的作用增大, 胶浆就更能够表现出矿粉的区别。
(3) 粉胶比与胶浆粘度间存在良好的指数关系。
2. 测试温度对胶浆粘度的影响
随着测试温度的升高, 沥青材料的粘度降低, 而粘度对温度变化的敏感程度反应了沥青的感温性。优良的沥青材料在高温下较粘稠, 以抵抗荷载作用下的变形, 而在低温下又要有足够的柔性, 以增强抗开裂能力, 也就是说需要沥青具有较小的温度敏感性。下文将通过测试不同温度下(125 ℃、145 ℃、175 ℃)胶浆的粘度来分析矿粉类型及剂量对沥青感温性的影响。
图 1中列举了不同温度时基质沥青及粉胶比为1.2时5种胶浆粘度的变化, 可见粘度随着温度的升高而迅速降低, 同时测试温度与胶浆粘度间也存在良好的指数关系。
为分析胶浆的感温性, 可以采用多种感温性指标, 包括针入度指数(PI)、针入度粘度指数(PVN)、粘温指数(VTS)等。陈华鑫等人的研究认为针入度是一个经验性指标, 人为干扰大, 试验精度的微小差别将导致试验结果较大改变, 同时相关系数与样本容量N密切相关, N越大, 相关系数就越小, 因而采用VTS能更合理地表征沥青在路面服务温度内的感温性[8], 其计算公式为
VΤS=lg[lg(103η1)-lg(103η2)]lg(Τ1+273.13)-lg(Τ2+273.13)
式中: T1、T2分别为2个沥青粘度的测试温度, ℃; η1、η2分别为T1、T2温度下的粘度值, Pa·s。
VTS的绝对值越大, 胶结料粘度的温度敏感性也越强, 国外研究中测试了美国常用的50种沥青的粘温指数, 发现VTS都分布在-3.36~-3.98之间[9-10]。
表 2列出了克拉玛依基质沥青及5种胶浆的粘温指数, 可得结论如下。
表 2 沥青及胶浆粘温指数Table 2. VTS of asphalt and mortars指标 类型 基质沥青 1 2 3 4 5 VTS -3.226 -2.690 -2.842 -2.738 -2.392 -2.569 (1) 掺加矿粉后, 胶浆的粘温指数绝对值变小, 也就是说感温性减弱。此处, 沥青的感温性就是沥青粘度随温度的变化状况, 而矿粉加入后, 在温度升高而粘度减小时, 其发挥了体积增强以及物化反应的作用, 部分抵消了沥青粘度的降低, 因而表现为添加矿粉后感温性降低。
(2) 不同胶浆间的粘温指数区别很大, 5种胶浆感温性由弱到强的排序为4、5、1、3、2。由于不同类型矿粉间矿物组成、粒度构成、表面特性等因素的差别, 造成对沥青增劲效果的不同, 因而使得不同胶浆的感温性出现差别。本文同时还测试了2号矿粉在不同粉胶比下(0.8、1.2、1.6)胶浆的粘度, 以研究矿粉掺量对胶浆感温性的影响, 测试结果见图 2、表 3。
表 3 沥青胶浆粘温指数Table 3. VTS of asphalt mortars指标 粉胶比 0.8 1.2 1.6 VTS -3.007 -2.842 -2.666 分析表 3中不同粉胶比胶浆的粘温指数, 可以得出随着粉胶比的增加, 胶浆感温性逐渐降低, 这也是矿粉用量增大后, 矿粉对沥青作用增强的结果。
3. 测试时间对胶浆粘度的影响
使用布氏粘度计测试时, 沥青材料粘度随测试时间逐渐降低直至恒定, 也就是表现出触变性, 这是由于在剪切过程中流体内部结构发生了变化。材料的触变性受到外界因素, 例如测试温度、剪切速率等的影响, 同时试样本身的性能也是影响因素之一。本节通过测试不同胶浆粘度随时间的变化, 分析矿粉对胶浆触变性的影响。
图 3给出了145 ℃时, 5种矿粉配制的不同粉胶比胶浆在剪切5 min后的衰减比例, 由此可得结论如下。
(1) 基质沥青的粘度受剪切时间影响较小, 剪切后短时间内即达到稳定, 本次测试中剪切5 min后未发生明显衰变, 衰减比例为1.0。添加矿粉后, 胶浆存在明显的触变性, 随着剪切时间的延长, 粘度降低。这主要是由于剪切初期, 散布的矿粉颗粒起着抵抗剪切变形的作用, 然而随着剪切的持续, 矿粉颗粒逐渐定向分布而减弱了抵抗力, 宏观上就表现为胶浆粘度的逐渐降低。
(2) 胶浆的触变性受到矿粉类型及掺量的综合影响。不同粉胶比时, 5种矿粉胶浆的衰减比例排序并不相同, 同时发现粘度的衰减比例呈现凹曲线状, 一般粉胶比在1.2~1.6时衰减比例最大。这可以利用逾渗理论中的逾渗阀值进行分析, 逾渗阀值即一个关键含量, 在该处空间中物质的接触状态将发生突变。胶浆一般在粉胶比为1.2~1.6时达到逾渗阀值, 在此之前, 矿粉作为分散相分布于沥青分散质中, 而当粉胶比超过阀值时, 矿粉由于过多的含量而呈连续状, 沥青反而变为分散相, 分散在矿粉中了。在阀值附近, 由于两相处于临界状态, 在外力的剪切下, 性能容易发生较大变化。
图 4、5分析了2号与5号胶浆不同测试时间(5、10 min)的粘度衰减比例, 可以发现剪切稳定时间随着粉胶比的增加而延长, 当胶浆在粉胶比超过1.2时需要更长的时间才能达到剪切平衡。
4. 矿粉对沥青混合料施工温度的影响
普通沥青混合料的施工温度一般通过135 ℃和175 ℃条件下测定的粘温曲线来确定, 选择(0.17±0.02)Pa·s的粘度为拌和温度范围, 而(0.28±0.03)Pa·s的粘度为压实温度范围。由于混合料中是胶浆发挥实际的粘结作用, 所以混合料的施工温度理应根据胶浆的粘度来确定, 但是现行规范方法却没有考虑矿粉的影响, 而前面的研究也证实矿粉类型对胶浆粘度有重要影响, 为此, 有必要深入分析矿粉对混合料施工温度的影响程度。
本文测试了不同温度时沥青粘度(数据见表 4), 通过绘制粘温曲线可以得出: 混合料拌和温度范围为165.2 ℃~170.6 ℃, 压实温度范围是154.4 ℃~159.0 ℃, 以此为基础深入分析矿粉对混合料施工温度的影响。
表 4 沥青在不同温度时粘度Table 4. Viscosities of asphalt at different temperatures指标 温度/℃ 125 145 175 粘度/(Pa·s) 1.220 0.422 0.128 4.1 矿粉类型的影响
本文以常用的1.2粉胶比为例, 测试在基质沥青施工温度下不同胶浆的实际粘度, 结果见表 5。
表 5 不同胶浆实际粘度Table 5. Practical viscosities of different mortarsPa·s 胶浆类型 沥青施工温度/℃ 170.6 165.2 159.0 154.4 1 0.865 1.127 1.527 1.913 2 0.567 0.739 1.001 1.254 3 0.675 0.875 1.179 1.471 4 2.176 2.837 3.847 4.821 5 0.751 0.961 1.274 1.570 由表 5可知, 不同胶浆的粘度有显著差别, 如在压实温度为154.4 ℃时, 4号胶浆粘度为4.821 Pa·s, 而2号胶浆粘度最小, 仅为1.254 Pa·s, 两者差别达到了3.8倍。为了更直观地表现矿粉对施工温度的影响, 假设沥青施工温度确定时2号矿粉的粘度为最佳施工粘度, 并推算达到该粘度时, 其他4种矿粉的施工温度, 最终结果见表 6。
表 6 不同胶浆的施工温度Table 6. Construction temperatures of different mortars胶浆类型 施工温度 拌和温度范围/℃ 压实温度范围/℃ 2 165.2 170.2 154.4 159.0 1 173.8 179.2 163.0 167.6 3 168.7 174.2 157.7 162.4 4 192.6 198.0 181.8 186.4 5 171.0 176.8 159.3 164.3 由表 6可知, 不同胶浆的拌和温度差别最大有28.0 ℃, 而压实温度的差别也达到了27.4 ℃。这种情况的存在, 可能造成2种后果: 如果基准值偏高, 则造成混合料加热过度, 浪费能源, 沥青也容易发生老化, 同时沥青稠度过低, 容易析漏; 如果基准值偏低, 则造成胶浆过于粘稠, 从而增大压实难度。
4.2 粉胶比的影响
工程中粉胶比并不是固定的某个数值, 而是在一定范围内变动, 美国Superpave沥青混合料设计规范中规定粉胶比范围为0.8~1.6, 而国内粉胶比范围一般为0.8~1.4。
本文采用2号矿粉, 测试并绘制了不同粉胶比胶浆的粘温曲线。为了分析粉胶比变化对施工温度的影响, 仍然以基质沥青施工温度确定时1.2粉胶比胶浆粘度作为施工标准粘度, 计算不同粉胶比达到该粘度时的温度, 见表 7。
表 7 粉胶比对施工温度的影响Table 7. Influence of filler bitumen rations on construction temperatures粉胶比 拌和温度范围/℃ 压实温度范围/℃ 0.8 154.5 160.0 143.5 148.2 1.2 165.2 170.6 154.4 159.0 1.6 178.8 184.0 168.3 172.8 由表 7可知, 粉胶比对施工温度有显著影响, 粉胶比为0.8时, 压实温度范围为143.5 ℃~148.2 ℃, 而当粉胶比增大到1.6时, 压实温度范围变为168.3 ℃~172.8 ℃, 增大了24.8 ℃。这说明即使采用相同的沥青及矿粉, 如果粉胶比有较大差异, 将会严重影响混合料的施工温度, 这对于确保混合料的质量是非常不利的。
以上分析说明, 混合料中胶浆发挥粘结作用, 胶浆粘度受到沥青类型、矿粉类型及矿粉剂量的显著影响, 然而现行规范施工温度确定方法只考虑了沥青类型的影响, 却忽视了后两者的作用, 因而确定的施工温度是不合适的。
5. 结语
(1) 矿粉类型对胶浆粘度有重要影响, 随着粉胶比的增加, 不同类型矿粉间的差别逐渐加大。同时掺加矿粉后能够改善胶浆的感温性, 但是改善程度受到矿粉类型及粉胶比的影响。因而为避免混合料性能受到矿粉质量的过度影响, 应根据矿粉性质指标筛选矿粉类型。
(2) 随着剪切时间的延长, 胶浆粘度逐渐降低, 同时由于逾渗阀值的影响, 粉胶比在1.2~1.6时衰减幅度达到最大, 随着粉胶比的增大, 胶浆粘度达到稳定所需的时间也在增加。
(3) 由于胶浆在混合料中发挥粘结作用, 所以沥青混合料施工温度的确定应该基于胶浆粘度, 测试数据显示矿粉类型及粉胶比都显著影响着施工温度, 因而现行沥青混合料施工温度确定方法需要做出修正以纳入矿粉的影响。
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表 1 胶浆粘度
Table 1. Mortar viscosities
Pa·s 粉胶比 矿粉类型 1 2 3 4 5 0.0 0.422 0.422 0.422 0.422 0.422 0.4 0.730 0.659 0.660 0.852 0.655 0.8 1.207 1.056 1.045 1.935 1.018 1.2 2.780 1.855 2.060 8.750 2.280 1.6 9.940 4.340 5.225 27.700 5.520 2.0 24.500 9.050 12.850 103.000 11.900 
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表 2 沥青及胶浆粘温指数
Table 2. VTS of asphalt and mortars
指标 类型 基质沥青 1 2 3 4 5 VTS -3.226 -2.690 -2.842 -2.738 -2.392 -2.569
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表 4 沥青在不同温度时粘度
Table 4. Viscosities of asphalt at different temperatures
指标 温度/℃ 125 145 175 粘度/(Pa·s) 1.220 0.422 0.128
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表 5 不同胶浆实际粘度
Table 5. Practical viscosities of different mortars
Pa·s 胶浆类型 沥青施工温度/℃ 170.6 165.2 159.0 154.4 1 0.865 1.127 1.527 1.913 2 0.567 0.739 1.001 1.254 3 0.675 0.875 1.179 1.471 4 2.176 2.837 3.847 4.821 5 0.751 0.961 1.274 1.570
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表 6 不同胶浆的施工温度
Table 6. Construction temperatures of different mortars
胶浆类型 施工温度 拌和温度范围/℃ 压实温度范围/℃ 2 165.2 170.2 154.4 159.0 1 173.8 179.2 163.0 167.6 3 168.7 174.2 157.7 162.4 4 192.6 198.0 181.8 186.4 5 171.0 176.8 159.3 164.3
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表 7 粉胶比对施工温度的影响
Table 7. Influence of filler bitumen rations on construction temperatures
粉胶比 拌和温度范围/℃ 压实温度范围/℃ 0.8 154.5 160.0 143.5 148.2 1.2 165.2 170.6 154.4 159.0 1.6 178.8 184.0 168.3 172.8
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[1] 张争奇, 王永财. 沥青胶浆对沥青混合料高低温性能的影响[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2006, 26(2): 1-5.Zhang Zheng-qi, Wang Yong-cai. Influence of asphalt mortar onhot mix asphalt performance at high and low temperature[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2006, 26(2): 1-5. (in Chinese) [2] Szydlo A, Mackiewicz P. Asphalt mixes deformation sensitivity to change in rheological parameters[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2005, 17(1): 1-9. [3] 杜顺成, 戴经梁. 沥青混合料永久变形评价指标[J]. 中国公路学报, 2006, 19(5): 18-22.Du Shun-cheng, Dai Jing-liang. Permanent deformation evaluation index of asphalt mixture[J]. China Journal of Highway and Transport, 2006, 19(5): 18-22. (in Chinese) [4] 王鹏, 曾凡奇, 黄晓明. 沥青高温性能指标的灰色关联度分析[J]. 交通运输工程学报, 2006, 6(3): 32-36.Wang Peng, Zeng Fan-qi, Huang Xiao-ming. Grey relation degree analysis of high-temperature performance indexes of asphalt[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2006, 6(3): 32-36. (in Chinese) [5] Yildirim Y, Ideker J, Hazlett D. Evaluation of viscosity valuesfor mixing and compaction temperatures[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2006, 18(4): 545-553. [6] 姚爱玲, 徐德龙, 孙治军. 矿渣粉作为填料的沥青混合料性能试验[J]. 中国公路学报, 2006, 19(6): 25-29.Yao Ai-ling, Xu De-long, Sun Zhi-jun. Performance test on asphalt mixture of slag powder as filling[J]. China Journal of Highway and Transport, 2006, 19(6): 25-29. (in Chinese) [7] 曾凡奇, 黄晓明, 李海军. 沥青性能的DSC评价方法[J]. 交通运输工程学报, 2005, 5(4): 37-42.Zeng Fan-qi, Huang Xiao-ming, Li Hai-jun. Evaluation method of differential scanning calorimetry for asphalt performance[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2005, 5(4): 37-42. (in Chinese) [8] 陈华鑫, 李宁利, 张争奇, 等. 沥青材料的感温性分析[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2006, 26(1): 8-11.Chen Hua-xin, Li Ning-li, Zhang Zheng-qi, et al. Temperature susceptibility analysis of asphalt binders[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2006, 26(1): 8-11. (in Chinese) [9] 彭波, 丁智勇, 戴经梁. 不同类型沥青胶浆路用性能对比[J]. 交通运输工程学报, 2007, 7(3): 61-65.Peng Bo, Ding Zhi-yong, Dai Jing-liang. Road performance comparison of different asphalt mastics[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2007, 7(3): 61-65. (in Chinese) [10] Rasmussen R O, Lytton R L, Chang G K. Methodto predict temperature susceptibility of an asphalt binder[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2002, 14(3): 246-252. -
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