路桥工程信息网基于熟石灰活性填料的沥青玛蹄脂混合料抗车辙性能研究

基于熟石灰活性填料的沥青玛蹄脂混合料抗车辙性能研究

宋美丽

葛洲坝集团试验检测有限公司宜昌 443000

摘要：本文选择一种以玄武岩（B）为惰性填料、以不同比例（5,10,15,20%）的熟石灰（HL）为活性填料，以改性沥青为粘结剂，使填料与粘结剂（F/B）之比为0.8，制备沥青玛蹄脂混合料（AC-30），共制备了AC-30+80%B+0%HL、AC-30+75%B+5%HL、AC-30+70%B+10%HL、AC-30+65%B+15%HL、AC-30+60%B+20%HL五种沥青玛蹄脂混合料。然后采用超级波车辙系数参数评价沥青玛蹄脂混合料的车辙性能。从G^*/sinδ值可以看出，在高温范围内，HL对纯沥青玛蹄脂混合料性能的影响占主导地位。随着HL的加入，沥青玛蹄脂混合料的抗老化性能提高，表明其具有较好的抗车辙性能。此外，本文还研究了B和HL填料对G^*/Sinδ参数的联合影响。

关键词：熟石灰；沥青玛蹄脂；车辙

1.引言

沥青混合料由沥青、集料和矿物填料组成。沥青和矿物填料的混合物通常称为沥青玛蹄脂，矿物填料通过减少空隙率和增加刚度来提高沥青混合料的稳定性。矿物填料的表面积、结构、类型和元素组成是影响沥青玛蹄脂性能的主要因素。通常采用惰性和活性填料制备沥青玛蹄脂。石粉、石灰石、花岗岩等为惰性填料，而熟石灰、水泥、粉煤灰、硅藻土等为活性填料。熟石灰、硅藻土等活性填料能够改善沥青混合料的抗剥离和抗老化性能。研究表明，含有活性填料的沥青混合料具有较强的抗车辙、疲劳和抗湿损伤性能；且沥青混合料中的填料与粘合剂（F/B）的比例显著影响集料之间的内部粘结，F/B比在0.9-1.4范围内的沥青玛蹄脂具有较好的力学性能。

通过调查，惰性填料和活性填料对沥青玛蹄脂混合料性能的联合影响的研究很少。本文分别选择玄武岩（B）和熟石灰（HL）作为惰性填料和活性填料，通过DSR试验采用超高速车辙参数评价填料的老化性能。HL的比例在0～20%之间。F/B比率保持在0.8。该比率被选为标准范围0.6-1.2的平均值。

2.材料与实验方案

2.1材料

粘结剂选用常用的改性沥青，表1给出了沥青的基本物理性质。分别选择玄武岩和熟石灰作为惰性填料和活性填料，两种填料均通过200#筛（75μ）。

表1 沥青的物理性质

2.2填料特性

利用激光粒度和形状分析仪、BET比表面积（SSA）、比重（SG）、亲水系数（HC）和扫描电镜（SEM）成像对玄武岩和熟石灰填料特性进行试验。发现两种填料的粒径分布（图1）几乎相似。表2给出了B和HL填料的基本特性。

HC是水中填料体积与煤油中填料体积的比值。HC的测定基于填料对水的亲和力。若HC超过1，则填料与水的亲和力大于与沥青的亲和力。结果表明，B填料对水的亲和力低于HL填料。由两种填料的扫描电镜图像可知，两种填料的形状都呈片状。

图1 B和HL填料的粒径分布曲线

表2 填料的基本特性

2.3沥青玛蹄脂混合料制备

选用填料（B和HL）配制沥青玛蹄脂，按重量计，20%的HL沥青粘合剂用于制备沥青混合料，采用F/B比为0.8的方法制备沥青玛蹄脂混合料（AC-30）。以AC-30粘结剂的重量计，HL在0、5、10、15和20%之间变化，并相应地调整B填料以保持F/B=0.8。因此，用B和HL填料制备了五种不同的沥青玛蹄脂混合料（AC-30+80%B+0%HL），（AC-30+75%B+5%HL），（AC-30+70%B+10%HL），（AC-30+65%B+15%HL）和（AC-30+60%B+20%HL）。为了保证表面无水分，填料在105℃下烘烤24小时。将500克改性沥青粘结剂在150℃下预热1小时，使其与填料充分混合，使其适合于胶泥样品的每一个组合。烘干的填料加入到热沥青中，并在150±5℃下用机械混合器混合。搅拌机以1500r/min.的搅拌速度保持1h，直到形成均匀的沥青玛蹄脂混合料。

2.4短期和长期老化

采用短时时效（STA）模拟沥青混合料拌和压实阶段的沥青挥发组分和沥青的氧化损失。长期老化（LTA）模拟沥青混合料在现场发生的渐进氧化。使用薄膜烘箱（TFO）在实验室完成沥青玛蹄脂与所有五种B和HL填料组合的STA，并在163℃下调节5小时。同样，所有沥青玛蹄脂样品的LTA在实验室中使用压力老化容器（PAV）在100℃下保持2.1MPa的空气压力进行20小时。PAV老化残渣在170℃下进一步处理30分钟脱气。

3.实验室试验

3.1高失效温度

使用DSR，在58至94℃（间隔6℃）的不同温度下，使用具有1 mm间隙的25 mm平行板布置，在10rad/s的加载频率下，测量B和HL填料不同组合的沥青玛蹄脂的复合剪切模量（G^*）和相位角（δ）。然后，计算不同类型沥青玛蹄脂的车辙系数（G^*/sinδ）。对应于车辙系数值1KPa（未老化）的温度被视为各沥青玛蹄脂的失效温度。G^*/sinδ值越高，沥青玛蹄脂的高温性能越好。

3.2 老化指数（AI）

AI可以解释不同类型的沥青砂浆的老化电阻率。AI用B和HL填料的组合计算沥青胶浆，基于未老化和短期老化车辙系数（G^*/sinδ），在64℃时使用公式（1）。AI值越高，表明老化敏感性越高，反之亦然。

4.数据分析

4.1高失效温度

HL为0、5、10、15和20%的未老化沥青玛蹄脂的超级路面车辙参数值（G^*/sinδ）如图2所示。由图2可知，G^*/sinδ值随HL百分比的增加而增加。添加5%HL的沥青玛蹄脂的G^*/sinδ值显著增加，可视为车辙阻力的显著改善。从10%到20%进一步添加HL表明G^*/sinδ值略有改善。此外，含0、5、10、15和20%HL的沥青玛蹄脂的破坏温度分别为82、86、88、89和91℃（表3）。随着HL含量的增加，失效温度明显升高。此外观察到，对于B和HL填料的所有组合，沥青玛蹄脂的每一次失效温度改善，G^*/sinδ增加25-63%。因此，HL的加入提高了沥青玛蹄脂的抗车辙性能。

图2 不同沥青玛蹄脂的车辙系数（G*/Sind）与温度的关系

表3 不同沥青玛蹄脂的脂失效温度和老化指标

4.2老化指数

在64℃时，0、5、10、15和20%HL沥青玛蹄脂的AI值分别为2.52、2.48、2.37、2.09和1.85（表3）。结果表明，随着HL含量的增加，沥青玛蹄脂的AI值降低，说明HL的加入提高了沥青玛蹄脂的抗老化性能。HL作为沥青胶浆相中的抗氧化剂起作用，它影响粘合剂对老化的反应，并因此影响其分子分布，从而导致Al值降低。

5.结论

研究了玄武岩沥青玛蹄脂和熟石灰作为惰性填料和活性填料的抗车辙性能。根据上述结果和讨论，可得出以下关键结论：添加熟石灰作为活性填料，提高了沥青玛蹄脂的抗车辙性能，降低了其老化性能。