本次试验中选用SBS改性沥青, 其基本技术参数见表1.矿粉填料选用石灰岩矿粉, 试验前采用标准筛对其进行筛分, 保证其宏观级配满足相关规范的要求.同时, 采用BT-1600颗粒图像分析系统对矿粉填料的细观级配进行了测试, 测试结果见图1.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 沥青基本性能参数 Table 1 Technical parameters of SBS-modified asphalt 针入度(0.1 mm) 15 ℃ 延度 /cm 软化点 /℃ 标准黏度/(pa· s) 5 ℃ 25 ℃ 60 ℃ 90 ℃ 7.5 97.2 178.7 44.7 6246 3820

表1 沥青基本性能参数 Table 1 Technical parameters of SBS-modified asphalt

图1

Fig.1

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	图1 矿粉细观级配Fig.1 Mesoscopic gradation of mineral power fillers

为充分分析粉胶比对低温条件下沥青胶浆黏结强度的影响效果, 制备沥青胶浆时采用粉胶比为0:1, 0.6:1, 0.8:1, 1:1, 1.2:1, 1.5:1, 2:1.试验温度选取-5, -15, -25和-35 ℃ .为了提高测试结果的精确度, 在测试过程中采用增大平行试验数量的方式, 平行试验次数为10次, 剔除离散性较大的数据后进行均值化处理.

该测试技术基于沥青油膜低温破坏测试沥青结合料的低温黏结强度, 测试原理见图2.根据沥青胶浆油膜发生破坏时的拉伸破坏荷载及沥青胶浆油膜的面积求解沥青胶浆相应低温条件下的低温黏结强度.

图2

Fig.2

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	图2 沥青胶浆低温黏结强度测试原理Fig.2 Testing principle for the low-temperature cohesive strength of asphalt mortar

经过先期大量探索试验可知, 当沥青油膜相对较厚(0.45 mm左右), 低温状态下油膜发生破坏时, 仅发生沥青结合料自身的黏结失效破坏.所以, 本项试验为避免黏附失效破坏对测试结果的影响, 试验前确定沥青胶浆油膜的厚度为0.5 mm, 保证沥青胶浆油膜发生破坏时仅为沥青胶浆自身的黏结失效破坏.

由图3(a)可以看出:在-5 ℃ 下, 添加矿粉会对沥青低温黏结强度有较大改善, 其中粉胶比在0.6~1.5之间, 沥青低温黏结强度增强了60%~140%.粉胶比超过1.5时, 强度降低明显.其中粉胶比为1.2时, 沥青胶浆低温黏结强度最大.由图3(b)可知, 当温度下降到-15 ℃ , 粉胶在0.6~1.2时, 随着粉胶比的增大, 沥青胶浆黏结强度增大, 增幅较为明显, 约为45%~60%.当粉胶比大于1.2时, 强度明显降低.其中粉胶比为1.2时, 强度最大.温度为-25 ℃ 时(见图3(c)), 粉胶比在0.6~0.8之间沥青胶浆黏结强度增大, 增幅在23%~26%.其中粉胶比在0.8时为峰值点, 而粉胶比超过0.8时, 强度开始衰减.由图3(d)可知, 当温度继续降低到-35 ℃ 时, 粉胶比在0.6~0.8之间沥青胶浆黏结强度增大幅度很小, 增幅在4%~26%之间.当粉胶比超过0.8时, 强度迅速衰减.其中, 粉胶比在0.8时为沥青胶浆黏结强度峰值点.

图3

Fig.3

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	图3 粉胶比对胶浆低温黏结强度的影响规律Fig.3 Change rules of the asphalt mortar low-temperature cohesive strength

图4所显示的沥青胶浆低温黏结强度的变化规律清晰表明:在-5, -15 ℃ 两个低温环境下, 粉胶比对沥青胶浆低温黏结强度的影响规律基本一致; 粉胶比为0.6时, 沥青胶浆的低温黏结强度出现显著提升, 此后随着粉胶比的增加, 沥青胶浆低温黏结强度呈现持续增大的规律.但是当粉胶比超过1.2时, 沥青胶浆低温黏结强度显著衰减.所以, 若以沥青胶浆低温黏结强度作为粉胶比的控制指标时, 在-5, -15 ℃ 两个低温环境下最佳粉胶比应为1.2.在-25, -35 ℃ 两个低温环境下, 粉胶比对沥青胶浆低温黏结强度的影响规律与前述温度(-5, -15 ℃ )下的变化规律存在重要区别.当前温度条件下较小的粉胶比对沥青胶浆低温黏结强度的提高比例明显小于-5, -15℃ 两个温度条件下的提高比例, 如-15 ℃ 条件下, 粉胶比为0.6时沥青胶浆低温黏结强度提高45%, -25 ℃ 条件下沥青胶浆低温黏结强度提高24%, -35 ℃ 条件下沥青胶浆低温黏结强度提高4%.同时与前述温度(-5, -15℃ )相比, 此温度条件下沥青胶浆低温黏结强度发生显著衰减的粉胶比为0.8, 而非1.2.由于温度的降低, 使得在极寒环境条件下, 粉胶比的增强作用明显减弱, 增强区间变小, 峰值提前.因此, 若以沥青胶浆低温黏结强度控制粉胶比, 其最佳粉胶比应为0.8.

图4

Fig.4

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	图4 温度及粉胶比对沥青胶浆低温黏结强度耦合作用Fig.4 Effect of temperature and filler-to-bitumen ratios on the low-temperature cohesive strength of asphalt mortar

基于复合材料的相关研究成果可知, 复合材料的基体强度, 外掺填料的含量及基体与填料界面的特性等因素将影响复合材料的强度^{[16, 17, 18]}.针对沥青胶浆低温黏结强度而言, 沥青基体低温黏结强度, 矿粉填料的掺量及沥青与填料的细观界面效应也将对沥青胶浆低温黏结强度产生重要影响.

2.3.1 基体脆化影响机理

沥青基体为明显感温性材料, 其低温黏结强度与低温环境有显著关系, 不同温度条件下其低温黏结强度存在较大差异, 且温度低于沥青脆点后沥青会出现脆化现象.在-5 ℃ 条件下沥青处于未脆化状态, -15 ℃ 条件下沥青处于濒临脆化状态或者刚刚发生脆化, 此时两个温度条件下沥青基体都具有较高的低温黏结强度, 其中-5 ℃ 时沥青基体低温黏结强度为1.25 MPa, -15 ℃ 时沥青基体低温黏结强度为2.22 MPa, 随着温度的降低沥青由液相向固相转变, 分子间作用力增强, 低温黏结强度增大.因为本次试验过程中未对温度间隔进行细化, 且由于沥青脆化后沥青结合料低温黏结强度出现显著衰减, 所以从图5中所示的沥青低温黏结强度变化规律中可以初步确定试验中采用的沥青其脆化温度应为-15 ℃ 左右.当温度在-25, -35 ℃ 两个低温条件下, 沥青已经发生显著脆化, 使得沥青基体黏结强度显著降低, 其中-25 ℃ 时沥青基体黏结强度为0.97 MPa, -35 ℃ 时沥青基体黏结强度为0.69 MPa, 分别仅为-15 ℃ 时的43%和31%.由图4所示的沥青胶浆低温黏结强度变化规律可以发现, 此时矿粉填料对提高沥青胶浆低温黏结强度的作用较弱, 结合复合材料相关研究成果可知, 当沥青胶浆中沥青基体的低温黏结强度处于较低水平时, 合理地增大矿粉填料的掺量虽然能提高沥青胶浆的低温黏结强度, 但是效果有限.

图5

Fig.5

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	图5 沥青结合料低温黏结强度温变曲线Fig.5 Curve of the low-temperature cohesive strength of asphalt under different temperature conditions

2.3.2 附聚现象影响机理

由图4所示的沥青胶浆低温黏结强度变化规律可知, 在-5, -15 ℃ 两个低温条件下沥青胶浆低温黏结强度随着粉胶比的增加持续增大, 但是粉胶比在增大的过程中若超过一定限值后沥青胶浆低温黏结强度开始衰减, 同时矿粉填料本身也会发生附聚现象, 而该种现象在沥青胶浆破坏界面中可以被清晰发现, 见图6(c).由此可以推断, 当沥青基体具备较高的低温黏结强度且沥青基体未发生显著脆化时, 矿粉填料附聚现象是造成沥青胶浆低温黏结强度显著衰减的主要原因, 此种状态下应以矿粉填料发生附聚现象的掺量作为粉胶比的控制参数.

图6

Fig.6

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	图6 沥青及沥青胶浆拉伸破坏界面Fig.6 Tensile failure surfaces of asphalt and asphalt mortar

2.3.3 附加破坏点影响机理

当沥青结合料处于完全脆化状态时, 分析矿粉填料掺量对沥青胶浆低温黏结强度的影响机理应充分考虑沥青基体与矿粉填料的界面强度特性.在作者已经发表的科研成果^[19]中, 已经对文中使用的沥青与矿料的低温黏附强度进行过定量测试, 测试结果为:当温度为-5 ℃ 时, 沥青矿料间黏附强度约为0.71 MPa; 当温度为-15 ℃ 时, 沥青矿料间黏附强度约为1.65 MPa; 当温度低于-25 ℃ 时, 沥青矿料间黏附强度仅约为0.32 MPa.基于上述试验结果进一步分析可知, 沥青矿料间黏附强度急剧下降后, 沥青胶浆中沥青矿料界面容易率先发生细观破坏, 形成附加破坏点.矿粉填料掺量较少时, 附加破坏点为孤立分布, 对沥青胶浆低温黏结强度影响较弱, 但是当矿粉填料掺量增加, 附加破坏点极易相互连接, 在沥青胶浆内部形成薄弱面, 结合试验结果推断可知, 该种薄弱面往往是沥青胶浆最终的破坏界面.