0 引言

我國(guó)湖北地區(qū)，夏季高溫多雨，雨水頻發(fā)，使得該地區(qū)處于高溫高濕環(huán)境下，嚴(yán)重影響瀝青路面的服役循環(huán)和使用壽命[1]。在瀝青混合料中，粗集料主要是被細(xì)集料與瀝青所形成的瀝青膠漿所包裹，從而相互粘結(jié)形成強(qiáng)度，所以瀝青膠漿的性能優(yōu)劣直接與瀝青混凝土的路用性能相關(guān)[2-3]。瀝青路面高溫穩(wěn)定性不足會(huì)導(dǎo)致車轍病害的產(chǎn)生，而水分引起的損傷通常會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的剝離，減短瀝青路面的服役壽命[4-6]。在路面實(shí)際施工中常根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境要求，選擇不同種類填料與瀝青粘合劑結(jié)合，達(dá)到增強(qiáng)路用性能的效用，比如常見的礦粉、水泥以及消石灰都在一定程度上增加瀝青混合料的抗水損性能[7-8]。因此，研究高溫高濕環(huán)境對(duì)不同填料瀝青膠漿的影響是急需解決的一個(gè)重要問題。

目前，徐波[9]等人通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀，研究了空氣濕度對(duì)瀝青膠結(jié)料的高溫流變性能的影響，驗(yàn)證了濕度對(duì)瀝青膠結(jié)料性能產(chǎn)生了一定程度的不利影響。張勤玲[10]等人基于鹽蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了試驗(yàn)環(huán)境和干濕循環(huán)耦合作用對(duì)瀝青膠漿流變性能的影響，結(jié)果表明，隨著鹽蝕干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膠漿的復(fù)數(shù)切變模量、車轍因子均呈增大趨勢(shì)。徐沛垚[11]通過拉拔試驗(yàn)及3d結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)，探究了水分對(duì)不同填料瀝青膠漿力學(xué)性能的影響。

綜上所述，目前已有研究成果主要集中在不同濕度對(duì)瀝青膠結(jié)料或?yàn)r青膠漿的性能影響，但針對(duì)高溫高濕環(huán)境下瀝青膠漿高溫流變特性影響因素的優(yōu)劣性研究較少。因此，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件瀝青膠漿的高溫流變性能進(jìn)行測(cè)試，利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法共同分析各種因素對(duì)瀝青膠漿高溫流變性能的影響，為高溫高濕條件下瀝青混合料填料的選擇及優(yōu)化提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青

瀝青選用湖北國(guó)創(chuàng)生產(chǎn)的A級(jí)70號(hào)道路石油瀝青，其檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青檢測(cè)指標(biāo)

1.1.2 填料

試驗(yàn)主要采用石灰?guī)r礦粉、廢舊剎車片粉末和P·O42.5水泥三種填料，均購(gòu)于市場(chǎng)，其檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 填料檢測(cè)結(jié)果

1.2 瀝青膠漿的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至140℃，處于流動(dòng)狀態(tài)，隨后將不同填料放置于105℃的烘箱烘至2小時(shí)以上，直至填料中水分消散為止，隨后按照粉膠比為1.0的比例將礦粉緩緩倒入瀝青中，使用具有兩個(gè)葉片的攪拌機(jī)在2000±200r/min的速度下進(jìn)行熔融混合。制備其他填料膠漿，按照等體積替換礦粉的方法進(jìn)行制備。上述瀝青和不同填料進(jìn)行混合得到3種不同填料瀝青膠漿。制備完成后，將瀝青膠漿放置于一定的養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)條件如表3所示。

表3 養(yǎng)護(hù)條件

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

本研究中DSR試驗(yàn)采用美國(guó)BOHLIN公司生產(chǎn)的C-VOR150型動(dòng)態(tài)剪切流變儀。將制備好的瀝青膠漿試樣放置在兩塊平板中；其中一塊固定，另一塊繞中心軸以角速度ω試驗(yàn)來回?cái)[動(dòng)，得到不同溫度下試樣的復(fù)合剪切模量G*和相位角δ。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，試驗(yàn)頻率為10rad/s，試驗(yàn)溫度采用30-80℃，試樣直徑為8mm，厚度為1mm，應(yīng)變?yōu)?.1%。

1.3.2 X射線衍射（XRD）

為分析填料的化學(xué)元素對(duì)瀝青與填料的高溫流變性能的影響，本研究采用XRD光譜技術(shù)對(duì)3種填料進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)采用Rigaku Ultima IVX射線衍射儀。將試驗(yàn)得到的填料X射線衍射圖利用Origin軟件進(jìn)行積分處理，將每種化合物所對(duì)應(yīng)峰面積之和除以所有峰的總面積，通過衍射圖中的總面積和單個(gè)峰的面積，得到每個(gè)化合物的相對(duì)含量。

1.3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢(shì)的相異狀況來衡量因素之間的關(guān)聯(lián)程度，可以用灰色關(guān)聯(lián)度來描述各因素統(tǒng)計(jì)分析方法。系統(tǒng)發(fā)展過程中，若兩個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，則較低。

2 結(jié)果分析

2.1 不同填料瀝青膠漿的DSR

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究不同填料以及不同飽水條件對(duì)瀝青膠漿粘彈性能、高溫流變性能的影響。

2.1.1 瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量與相位角

結(jié)合圖1選擇礦粉、水泥、廢舊剎車片粉末進(jìn)行比較?？梢钥闯鰹r青膠漿的流變性能和粘彈性能對(duì)溫度有顯著的依賴性，隨著溫度的升高，復(fù)合剪切模量G*減小，而相位角δ增加。在相同溫度下，水泥和礦粉瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量G*最低，而剎車片粉末瀝青膠漿最高。這表明相比于水泥和礦粉，廢舊剎車片粉末的摻入提高了瀝青膠漿的剛度。從相位角來看，水泥和礦粉瀝青膠漿曲線處于上方，而廢舊剎車片粉末瀝青膠漿的相位角δ最低，表明相比于水泥和礦粉填料，廢舊剎車片粉末的摻入有利于瀝青基材料高溫下的彈性恢復(fù)。

圖1 25℃下不同填料膠漿的復(fù)合剪切模量與相位角

由圖2、圖3和圖4可知，在同一溫度下，隨著不同飽水作用時(shí)間的增加，3種填料瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量G*均增大，這是由于經(jīng)過水和高溫的共同作用下，瀝青膠漿中輕質(zhì)組分揮發(fā)、溶解、老化，瀝青膠漿的流動(dòng)性在一定程度上降低。對(duì)于60℃無水的養(yǎng)護(hù)條件下，其復(fù)合剪切模量略微增大。相對(duì)于剎車片粉末，礦粉和水泥瀝青膠漿在60℃飽水養(yǎng)護(hù)后，相位角變化更加明顯，表明礦粉和水泥膠漿在高溫高濕環(huán)境下的粘彈性成分變化明顯高于剎車片。

圖2 不同溫度下礦粉膠漿的復(fù)合剪切模量與相位角

圖3 不同溫度下水泥膠漿的復(fù)合剪切模量與相位角

圖4 不同溫度下剎車片膠漿的復(fù)合剪切模量與相位角

2.1.2 瀝青膠漿的車轍因子

由圖5可知，瀝青膠漿對(duì)于車轍因子由大到小的變化順序依次為剎車片膠漿、水泥膠漿和礦粉膠漿。水泥膠漿的車轍因子要略大于礦粉膠漿，但增幅不明顯，剎車片膠漿增幅顯著，表明剎車片的摻入顯著提升了高溫抗永久變形的能力。

圖5 25℃下不同填料膠漿的車轍因子

由圖6、圖7和圖8可知，在相同試驗(yàn)溫度下，相較于常溫?zé)o水條件，3種填料瀝青膠漿經(jīng)過60℃飽水3天后條件之后，車轍因子都有一定的提升，經(jīng)過60℃無水3天后，車轍因子基本沒有變化。說明瀝青膠漿經(jīng)過一定時(shí)間的飽水條件后，彈性恢復(fù)能力更強(qiáng)，提高了高溫抗變形能力。這是由于瀝青膠漿在高溫高濕環(huán)境下，膠漿內(nèi)部的水溶性物質(zhì)、親水基團(tuán)被水溶解、抽提或吸收，破壞瀝青膠漿的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，增加了膠漿的彈性成分，提高高溫抗車轍性能。比較不同溫度下不同填料膠漿的車轍因子，表明相比于剎車片粉末，高溫飽水養(yǎng)護(hù)條件對(duì)于礦粉和水泥的影響更明顯。

圖6 不同溫度下礦粉膠漿的車轍因子

圖7 不同溫度下水泥膠漿的車轍因子

圖8 不同溫度下剎車片膠漿的車轍因子

2.2 填料化學(xué)元素

本研究采用XRD光譜技術(shù)對(duì)3種填料進(jìn)行測(cè)試，得到不同填料的化學(xué)元素，如表4所示，主要化學(xué)元素含量由高到低分別為：SiO2＞CaO＞Fe2O3＞MgO＞Al2O3＞SO3。

表4 填料化學(xué)元素

2.3 各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)分析

為了探究瀝青膠漿60℃下的高溫流變性能指標(biāo)G*/Sinδ與養(yǎng)護(hù)條件及填料主要化學(xué)元素含量之間的關(guān)聯(lián)程度，以車轍因子為參考序列X0*，以溫度X1*、飽水條件X2*、養(yǎng)護(hù)時(shí)間X3*、SiO2含量X4*、CaO含量X5*、MgO含量X5*、Al2O3含量X6*、Fe2O3含量X7*、SO3含量X8*為比較序列，設(shè)未飽水條件為1，經(jīng)飽水條件為2，探究指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青膠漿高溫流變性能的可靠性，確定最不利的外部環(huán)境因素。經(jīng)過均值處理后得到的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)如表5。

表5 瀝青膠漿高溫流變性能影響因素灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

由于影響瀝青膠漿高溫流變性能因素不止一個(gè)，在參考特征數(shù)列與各相關(guān)因素?cái)?shù)列之間可構(gòu)成灰關(guān)聯(lián)矩陣，通過灰關(guān)聯(lián)矩陣各影響因素之間的關(guān)系，可以分析出哪些因素是優(yōu)勢(shì)影響因素，哪些因素是非優(yōu)勢(shì)影響因素，而灰色關(guān)聯(lián)度的大小可用來判斷相關(guān)因素序列和參考特征數(shù)列之間的作用關(guān)系，分析主要影響和次要影響，起主要作用的因素即為優(yōu)勢(shì)影響因素。

如表6所示，各相關(guān)影響因素對(duì)瀝青膠漿高溫流變性能的影響強(qiáng)度由大到小的排列為：Al2O3含量、MgO含量、Fe2O3含量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、SiO3含量、CaO含量、溫度。其中Al2O3、MgO、Fe2O3的含量都位居前列，可以推斷，對(duì)瀝青膠漿60℃下的高溫流變性能指標(biāo)G*/Sinδ的影響指標(biāo)：填料化學(xué)元素＞養(yǎng)護(hù)條件。為了使處于高溫多雨環(huán)境下的瀝青路面具有更好的高溫流變性能，建議采用Al2O3含量高的填料，減輕水分對(duì)材料的侵蝕，延長(zhǎng)瀝青路面的服役壽命。

表6 瀝青膠漿高溫流變性能影響因素關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論

①溫度的升高和飽水作用時(shí)間的增加均會(huì)影響不同填料瀝青膠漿的黏彈性。相對(duì)于剎車片粉末，礦粉和水泥膠漿在經(jīng)過高溫高濕環(huán)境作用后的黏彈性變化更加明顯。②溫度的升高和水分侵蝕時(shí)間會(huì)顯著影響不同填料瀝青膠漿的高溫流變性能。相比于剎車片粉末，礦粉和水泥瀝青膠漿在60℃飽水后的高溫性能和變化更加顯著。以剎車片粉末為填料的瀝青膠漿在飽水前后，在高溫性能方面表現(xiàn)更好。③灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果顯示，經(jīng)過高溫飽水條件作用后，填料的化學(xué)元素對(duì)瀝青膠漿的影響大于環(huán)境條件，根據(jù)填料化學(xué)元素分析，Al2O3含量高的填料可以延長(zhǎng)瀝青路面的服役壽命。