改变粉胶比的掺量比例对沥青胶浆性能的影响外文翻译资料

 2022-10-16 15:52:42

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改变粉胶比的掺量比例对沥青胶浆性能的影响

摘要：当沥青胶浆的粉胶比比例发生变化，其粘性和粘弹性也随之改变，并且它的机械性能，比如常温下的疲劳抗性和低温下的延展性也会有所改变。因此，粉胶比直接影响沥青胶浆的性能。本文测试了70号基质沥青胶浆在改性剂Sasobit(SB)和Sasowam(SW)作用下通过动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪在不同温度条件下，综合分析了沥青胶浆的高温抗车辙能力和疲劳性能、低温抗裂性能和延性。结果表明，矿石粉不仅能增加沥青的抗车辙因子还可以增加它的抗老化性。SB比SW在高温下有更好的表现，SB在沥青胶浆的推荐粉胶比在0.8到1.2之间，这个范围对SW来说可能有点大。

关键词：粉胶比、沥青胶浆、抗车辙因子、小弯曲梁试验、蠕变速率

1简介

在世界范围内，沥青常作为公路路面材料的选择。当交通量增加，超载车辆会导致沥青路面的早期损坏，包括高温车辙、低温裂缝、沉降、凹坑等。胶浆理论认为沥青混合料是一个以粗骨料作为分散相的多层次空间网状结构的分散系，并且沥青胶浆是沥青混合料中最初的分散系统，与细集料分散相分散在沥青中。沥青胶浆的结构、组成和性能对沥青路面的性能有着直接的影响。人们进行了大量研究沥青胶浆的试验，像标准马歇尔试验、浸水马歇尔试验、抗车辙试验和低温弯曲梁试验。Zhang et al在2004年用SHRP设备动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）做关于沥青胶浆性能的研究，测试和分析了粉胶比对胶体在高温和低温下的性能影响；他们认为粉胶比在高温情况下不应超过1.4，并且在低温情况下不应超过1.0.但他们没有给出粉胶比的极小值，而且没有考虑沥青胶浆中含有掺量的情况。研究表明改性沥青种的添加剂会显著改善沥青路面的性能。所有找到合适的粉胶比对控制沥青性能表现仍旧是及其重要的。

在本文中，我们进行了对SB和SW改性沥青的DSR和BBR试验。通过分析试验数据，得到沥青沥青胶浆高温抗车辙能力、低温抗裂纹性能、耐疲劳性能等一系列数据。最终确定一个合适的粉胶比参数。

2试验计划介绍

通过美国公路战略研究计划（SHRP）的标准，用70号基质沥青和石灰岩矿石粉作为生料来进行骨料级配。矿石粉的密度和亲水系数均罗列在下表

表1石灰石矿石粉的试验结果与工艺要求间的对比

密度（g/cm3）

亲水系数

不同筛孔直径下的渗透率

0.6

0.3

0.15

0.075

测试结果

2.730

0.76

100

99.1

95.8

78.4

工艺要求

≮2.5

≯1

100

——

90-100

75-100

首先，我们将石灰石矿石粉置于不同直径的筛孔下以用于测量石灰石矿石粉的亲水系数。并将得到的结果与工艺要求进行对比，对比结果显示在表1中。然后，将矿石粉加到70号基质沥青中制成粉胶比分别为0.8、1.0、1.2和1.4的四种沥青胶浆样品。

3沥青胶浆的高温性能和疲劳性能

DSR试验常用于评价沥青胶浆的高温性能。当平板间距大于胶浆最大直径的两倍，并且添加物的尺寸不超过0.250mm时，DSR可以用来测试胶浆的性能。图1.a中的仪器是通过测量复合剪切模量（G*）和相位角（delta;）来表征试样的粘弹性的。DSR可以保证在一定的负载下，让固定板以一定的角速度和角度转动的条件下，在固定板与和振动板间形成一块有一定厚度的薄膜，具体情况可以参见图1.b。

图1动态流变剪切仪和样品台 a.动态流变剪切仪b.动态流变剪切仪工作时状况

样品的剪应力tau;、剪切应变gamma;、复合模量G*、和相位角delta;间的数学关系为：tau;=2T/pi;r3，gamma;=theta;r/h，G* =(tau;max-tau;min)/(gamma;max-gamma;min) ,delta;=2pi;f*Delta;t.其中T表示最大扭矩，r指振动盘半径，h是样品高度，theta;指振动盘转角，tau;max、tau;min、gamma;max、gamma;min表示应力应变的最大值和最小值，Delta;t是滞后时间。

在正常的沥青道路温度和交通荷载下，胶浆的粘弹性可以通过测试复合剪切模量G* 来表征，并且相关指数delta;也可恢复变形和不可恢复变形之间。G*/sindelta;表示的是抗车辙因子，反映了沥青材料的抗变形能力，抗车辙因子越大，沥青材料越不容易发生变形。因此，越高的抗车辙因子代表越好的抗车辙能力。此外，抗车辙因子还能够反映出沥青混凝土的疲劳抗性。

本次试验中，在制备好的沥青胶浆试样分别添加质量分数为3%的SB和SW改性剂，并将其作为原始样品，然后将部分原始样品放在滚动式薄膜烘箱中进行老化处理。我们将原始样品和老化样品置于不同的温度条件下进行了DSR试验。DSR压力控制在12%，而角速度omega;控制在10转每秒。通过进行DSR试验，得到了沥青胶浆的疲劳性能，也就是其在常温下的流变性能。在高性能沥青路面胶结料规范中要求，老化沥青的疲劳性能测试需要在一定的压力条件下进行。SHRP指出在抗疲劳裂缝性能试验中G*/sindelta;不能超过5000kPa。在不同的温度下，原始样品和老化样品的粉胶比和抗车辙因子都可以得到数据，它们的关系都显示在图2中。而样品的粉胶比和疲劳抗性在常温下的关系则被反应在图3中。

图2 粉胶比和抗车辙因子间的关系（高温） a.掺入改性剂SB的原始样品 b.掺SB原样的老化样品

C.掺入改性剂SW的原始样品 d.掺SW原样的老化样品

通过对图2的分析，我们可以得到以下的结论：

  1. 沥青胶浆的抗车辙因子随着粉胶比的增加而增加。因为SB改性样品和SW改性样品，它们的G*/sindelta;在64℃时达到最大。在粉胶比从0.8增加到1.4的过程中，SB改性样品和SW改性样品的G*/sindelta;分别从28.78增加到了37.71及从27.43增加到了35.24.因此,SB改性样品的高温裂缝抗性比SW改性样品要好。
  2. 随着温度和粉胶比增加，G*/sindelta;的增长率在逐渐减小。粉胶比在决定沥青胶浆的高温性能和防止沥青短期老化方面有着重要的作用。因此增加粉胶比显得尤其重要。

图3. 粉胶比和抗车辙因子的关系（低温） a.SB改性样品粉胶比和抗车辙因子间的关系 b.SW改性样品和抗车辙因子间的关系

从图3中，我们可以得到以下结论：

  1. 随着粉胶比从0.8增加到1.2，抗车辙因子G*/sindelta;的增长率为13%。显而易见地，粉胶比对混合料的疲劳开裂性能有着显著的影响。
  2. 抗车辙因子G*/sindelta;随着粉胶比从0.8增加到1.4也随之增长，并且这个增长幅度十分之明显。
  3. 沥青胶浆的低温性能测试分析

图4中的弯曲梁流变仪是用来测试沥青材料在低温条件下的性能的工具。它将沥青梁式试样放于支架上，然后向试样施加压力来测试沥青材料的动态蠕变劲度模量（S)和蠕变速率（m).在低温下，拥有较小的动态蠕变劲度模量S和较大的蠕变速率m的沥青胶浆相比于拥有较大的动态蠕变劲度模量S和较小的蠕变速率m会表现出更好的抗裂性能。

图4.弯曲梁流变仪和它的工作原理图解 a. 图片。b.工作原理

弯曲梁流变仪由于其能给出准确的数据和良好的可重复性的优点，常常被用来做研究沥青胶浆的低温性能的多项试验。在弯曲梁流变试验中，有3个重要的先决条件，包括时间温度等效关系、物理硬化的影响以及线性黏弹性，这些在弯曲梁流变试验中都是很常用的。

在本文中，我们用弯曲梁流变仪来测试沥青胶浆在-18℃、-12℃、-6℃时的动态蠕变劲度模量S和蠕变速率m，测试结果显示在图5和图6中。

图5.SB改性沥青胶浆的弯曲梁流变试验 a.动态蠕变劲度模量与粉胶比间的关系 b.蠕变速率与粉胶比间的关系

图6.SW改性沥青胶浆的弯曲梁流变试验 a.动态蠕变劲度模量与粉胶比间的关系 b.蠕变速率与粉胶比间的关系

从图5中，我们可以得到以下结论：

  1. 沥青胶浆的低温抗裂性能随着粉胶比的增加而变差，尤其是当粉胶比在1.2到1.4时变差的幅度更大。沥青胶浆在低温下的性能下降很快，温度的下降对沥青胶浆的动态蠕变劲度模量的影响极其大。
  2. 随着粉胶比的增大，蠕变速率逐渐下降，并且随着粉胶比增加至1.2以上沥青胶浆的低温抗裂性能下降的极快。

从图6中，可以看到，随着粉胶比的增加，动态蠕变劲度模量，也就是，沥青胶浆的低温抗裂性能变差。同时，温度下降对沥青胶浆的动态蠕变劲度模量的也有着很大的影响。蠕变速率的幅度并没有发生明显的减少。因此SW改性沥青胶浆的粉胶比可能比SB改性沥青胶浆的粉胶比稍微大一点。

  1. 沥青胶浆的延度测试分析

沥青胶浆和改性剂的相互作用不但对沥青胶浆结构的组成和质量有重要影响，还对它的粘度和低温脆性有重大影响。与胶浆混合物相比，沥青胶浆的延度，能更准确的反应它的低温延展性。本文讨论沥青胶浆在以一个确定的拉伸速度（5cm/min)在不同粉胶比和不同温度条件下的延度。沥青胶浆延度值的试验结果显示在图7的表2中。

图7.SB改性沥青混合物在高温和低温下的测试结果

表2显示出沥青胶浆的延度随着粉胶比的增加而减少。因此得出粉胶比不宜过大的结论。因此我们给出的建议值是小于1.2。

从图7第一张图中我们可以看到，随着粉胶比的增大，低温的弯曲应变在逐渐减小，沥青胶浆的低温性能在粉胶比从1.2到1.4的持续增加过程中在急剧降低。但是，沥青胶浆的高温性能是随着粉胶比的增加而有所缓慢增加的。在粉胶比从1.2到1.4的变化过程中，相比于低温下的性能，沥青胶浆的高温性能增长幅度要晓得多。通过沥青胶浆的高温性能和低温性能的试验结果比较，我们认为SB改性沥青胶浆的粉胶比应该控制在1.2以下。

  1. 结论
  2. 通过以上的研究结果，我们了解到抗车辙因子随着粉胶比的增长而逐渐增长，并在64℃时得到一个最大值。抗车辙因子的增长率随着温度的增长有所降低。相同粉胶比下的SB改性沥青胶浆在低温情况下对抗车辙因子的影响比SW改性沥青胶浆要大。老化处理过的沥青胶浆的抗车辙因子增长率相对于未老化的沥青胶浆的抗车辙因子增长率要小，这说明矿石粉能防止沥青老化。因此可以说明，矿石粉不仅能增加抗车辙因子，还能增加沥青的抗老化性能。
  3. 通过对两种改性剂在不同温度下的性能测试可以看出，SB在对抗车辙因子的改性效果方面要比SW要好一些。因此SB改性沥青相对于SW改性沥青在高温下有更好的性能表现。
  4. 随着矿石粉的剂量的增加，沥青胶浆抗车辙能力逐渐增加，并且它受温度影响的幅度也变小了。当粉胶比到达1.2时,SB改性沥青胶浆的疲劳因子增加的很明显，而相对的，SW改性沥青胶浆的疲劳因子就没有增加的这么明显。与SB改性沥青相比，SW改性沥青样品的疲劳因子增长幅度也要小一些。因此，SB改性沥青胶浆的粉胶比最好应该控制在1.2以下。
  5. 通过低温性能的测试，SB改性沥青胶浆的粉胶比增长超过1.2时，它的动态蠕变劲度模量增长的非常迅速，但是在延度试验中蠕变速率和延度下降的也非常快。因此，SB改性沥青胶浆的粉胶比应控制在不超过1.2的范围，而SW改性沥青胶浆的粉胶比应该控制在比1.2要大的范围，因为SW改性沥青在低温下比SB改性沥青有更好的性能表现。
  6. 改性剂对沥青胶浆性能的影响情况可以从我们对温拌混合料所做的高温性能、低温性能以及延展性的试验中得到展现。SB改性沥青胶浆的推荐的粉胶比范围是从0.8到1.2。

7.参考文献

  1. Zhang ZQ,Wan

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