当前国际工程经验证明, 沥青混合料中矿粉填料的添加是十分必要的。一方面, 矿粉提高了沥青胶浆的粘稠度, 避免了沥青混合料在搅拌、运输、摊铺及压实过程中出现离析现象; 另一方面, 矿粉的合理添加可以显著提高沥青胶浆的低温强度, 进而提高沥青混合料的低温路用性能^{[1, 2, 3, 4, 5]}。综合分析当前国际上关于矿粉掺量的研究成果可知, 由于矿粉填料对沥青胶浆低温强度的影响机理不统一、试验测试过程中控制指标不一致、分析过程中考虑的因素不同等客观问题的存在, 所以时至今日沥青混合料中矿粉填料的合理掺量的确定依旧是一个亟待解决的技术问题^{[6, 7, 8]}。国际上已有多位研究学者开始关注矿粉填料的细观粉体特征对沥青胶浆强度的影响效应^{[9, 10, 11, 12]}。作者的先期的研究结果表明^[13], 来源不同的矿粉样本尽管其均满足当前规范要求, 但是矿粉样本的细观粉体特征(细观级配、比表面积、粒径、长径比、圆形度等)却存在显著差异, 其对沥青胶浆强度的影响机理及影响效应也存在很大的差异。沥青胶浆中沥青以结构沥青和自由沥青两种状态存在, 对于一定质量的沥青胶浆而言, 结构沥青与自由沥青的比例将显著影响沥青胶浆的强度特性。现有研究成果已经表明, 矿粉填料宏观掺量和矿粉填料细观粉体特征都会各自影响沥青胶浆中结构沥青和自由沥青的比例, 所以有必要进行上述两因素的耦合分析, 研究成果将为今后矿粉填料更加合理的应用提供理论和实验依据。

实验采用盘锦90#沥青和SBS聚合物改性沥青。两种沥青的基本性能参数见表1。

如图1所示, 选取同岩性的石灰岩矿粉, 借助于BT-1600颗粒图像分析系统的初步筛查, 选用了4种矿粉, 分别定义为矿粉A、矿粉B、矿粉C和矿粉D。4种矿粉的细观粉体特征参数, 如细观级配、平均比表面积、粒径、长径比、圆形度等存在显著差别。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 盘锦90#沥青与SBS聚合物改性沥青基本性能参数 Table 1 Basic performance parameters of Panjin 90# asphalt and SBS polymer-modified asphalt 沥青种类 针入度/0.1 mm 15 ℃延度/cm 软化点/℃ 标准黏度/(Pa· s) 5 ℃ 25 ℃ 60 ℃ 90 ℃ 盘锦90#沥青 7.1 93.8 98 43.1 4120 2658 SBS改性沥青 7.5 97.2 115 51.4 6246 3820

表1 盘锦90#沥青与SBS聚合物改性沥青基本性能参数 Table 1 Basic performance parameters of Panjin 90# asphalt and SBS polymer-modified asphalt

图1

Fig.1

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	图1 四种矿粉填料的细观级配、填料长径比、圆形度和平均比表面积差异Fig.1 Difference in meso gradation, length to diameter ratio, roundness and specific surface area of four kinds of mineral powder

本文按照如图2所示的技术路线进行研究。

图2

Fig.2

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	图2 本项研究的技术路线图Fig.2 Technical roadmap of this study

Rigden空隙表征矿粉填料干燥密实状态下内部残存的细观空隙, 而该细观空隙将被沥青填充形成结构沥青, 测定该部分细观空隙将会实现沥青胶浆中结构沥青的定量测试。通过综合分析NAPA(National asphalt pavement association)及欧洲标准的设计方法(EN 1097-4(24)), 本文采用如下控制参数制作Rigden空隙率测试装置:冲击质量为350 g, 冲击锤头直径为25 mm, 锤头连续冲击次数为100次。单位质量的矿粉填料所含有的细观空隙可按照下述关系求解:

RV=Vfb-WfsGfs（1）

Vg=RVWfs(2)

式中:RV为矿粉样本冲击压实后内部残余的细观空隙; V_fb为矿粉样本冲击压实后矿粉实体和内部残余空隙的总体积; W_fs为矿粉样本的质量; G_fs为经过查阅资料获得的用于制备矿粉的石灰岩石料的密度; V_g为每克矿粉样本所含有的细观空隙。

基于式(1)(2), 在预先确定沥青密度的前提下可以得出单位质量矿粉所形成的结构沥青的质量, 并进一步得出沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的比例。

本文以沥青胶浆自身的粘结强度分析胶浆的常规破坏, 采用小型测力装置对试模施加拉伸或者剪切荷载(本文中为拉伸荷载), 根据破坏荷载的大小和沥青油膜的面积来计算沥青结合料的粘结强度,

图3

Fig.3

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	图3 沥青结合料粘结强度定量测试原理Fig.3 Principle of quantitative test of cohesive strength of asphalt binder

测试原理见图3。由于矿粉填料对沥青胶浆的低温粘结强度影响更为直接且影响效应显著, 同时先期的试验成果充分证明, 当矿料界面中沥青结合料的厚度超过0.4 mm时, 在拉伸破坏过程中只存在沥青胶浆体自身的粘结失效破坏, 所以在试件制备过程中通过预埋垫片的方式将沥青胶浆的厚度统一为0.8 mm, 从而确保试件破坏时只发生胶浆体自身的粘结失效破坏。

沥青胶浆自身粘结强度与破坏荷载满足如下关系:

Rc×Sc=F3

式中:R_c为沥青胶浆体自身粘结强度; S_c为胶浆体粘结失效区面积, 此时即为沥青胶浆体试模的面积。

为了更加准确地分析矿粉填料宏观掺量与细观粉体特征的耦合效应、合理确定矿粉填料的应用策略, 本文除了采用沥青胶浆低温粘结强度作为控制指标外, 还通过沥青胶浆弯曲梁流变试验采用沥青胶浆劲度变化率m值作为沥青胶浆流变性能方面的控制指标。现有研究成果证明, m值越大, 沥青和沥青胶浆应力松弛的能力越强, 材料抵抗疲劳破坏的能力则越强。

(1)矿粉填料的宏观掺量(即粉胶比)和其细观粉体特征均会影响沥青胶浆中结构沥青和自由沥青的比例效应, 以此为基础可进行矿粉填料宏观掺量和细观粉体特征的耦合效应分析。本文研究证明, 该种耦合效应客观存在且影响效果明显, 此种耦合效应在今后的研究中应得到充分的重视。

(2)基于室内试验, 得出了沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例对临界破坏控制指标及疲劳破坏控制指标的影响规律, 在综合分析的基础上确定了特别寒冷地区(-30 ℃)和一般寒冷地区(-10 ℃)条件下沥青胶浆中结构沥青和自由沥青的最佳比例。

(3)充分考虑矿粉填料宏观掺量与其细观粉体特征的耦合效应, 在确定结构沥青与自由沥青最佳比例R_JZ、单位质量矿粉所含有的细观空隙V_g的基础上, 反向计算矿粉填料的宏观掺量, 从而实现了矿粉填料宏观掺量的精准控制, 为矿粉填料掺量设计提供一种有效的控制策略。