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水泥和粉胶比对沥青胶浆性能影响
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水泥和粉胶比对沥青胶浆性能影响
2021年11月26日    阅读量:17893    新闻来源:《公路》2020年第7期 余永宏  |  投稿

摘 要

为研究水泥及粉胶比对不同沥青胶浆性能的影响,用水泥替代全部矿粉分别制备了不同粉胶比的基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆。研究了两种胶浆的延度、软化点、针入度、锥入度和布氏旋转黏度随粉胶比的变化规律,并计算了两种胶浆的抗剪强度,建立了黏温曲线,推荐了最佳粉胶比。研究结果表明,水泥的掺入和粉胶比的增大会降低两种沥青胶浆的延度、针入度和锥入度,可提高两种沥青胶浆的软化点、抗剪强度和黏度,显著改善两种胶浆的高温性能沥青网sinoasphalt.com。在一定粉胶比范围内,水泥可提高沥青胶浆的高温性能且不会对低温性能造成大的影响。


关键词 沥青胶浆 | 水泥 | 填料 | 粉胶比 | 高温性能

沥青胶浆是沥青混合料中最初一级的分散系统,根据近代胶浆理论,其对沥青混合料的黏弹性起着决定性的作用[1]。沥青胶浆由沥青和填料组成,两者之间有着复杂多样的相互作用,填料可以影响沥青膜的厚度进而影响沥青的黏结性和沥青混合料的劲度,开展填料对胶浆性能的影响研究尤为重要[2]。


目前,石灰石矿粉因能与沥青起到较好的黏结作用而被广泛地应用在工程上。研究表明,消石灰和水泥具有一定的碱性作用,用其替代一部分矿粉可以改善沥青胶浆的高低温性能,还可以碱化骨料,提高沥青混合料的水稳定性[3,4]。张争奇等[5]用水泥替代矿粉研究发现,当水泥替换量不超过40%时,胶浆的高温、低温性能均能被改善,消石灰的替换量不超过20%时可改善胶浆的高温性能。耿韩等[6]研究了温度和粉胶比对掺石灰石矿粉、水泥和粉煤灰的沥青胶浆性能影响,研究表明降低温度或增大粉胶比可提高胶浆的抗车辙性能,但对低温性能有不利影响。周亮[13]研究发现,用水泥替代全部矿粉可以提高沥青混合料施工和易性。


综上所述,水泥部分或全部替代矿粉可以改善胶浆的性能,然而目前的研究主要集中在水泥替换矿粉的比率方面,水泥的粉胶比及水泥与不同种类沥青的配伍性鲜有研究。基于此,本文研究了水泥粉胶比对基质沥青、SBS改性沥青胶浆高温、低温性能和抗剪性能的影响,并推荐了最佳粉胶比。


试验材料与方案

原材料

本次试验中选用的沥青为SK90号基质沥青和SBS改性沥青,水泥为冀东水泥厂生产的P.O42.5普通水泥,水泥表面无团粒结块现象且均经过0.075mm筛筛分,各材料的技术性能指标见表1和表2。

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试验设计及胶浆制备

本次试验中使用水泥替代全部矿粉制备基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆,粉胶比分别取0.8、1.0、1.2、1.4、1.6。


按照上述粉胶比分别称量所需的水泥、基质沥青和SBS改性沥青,并将称量的水泥放入到140℃烘箱中干燥1h,确保水泥和沥青相混时温度相差不大[7]。此外,为防止水泥在沥青表面张力的作用下迅速结团而影响沥青胶浆的均匀性,应分3次加入水泥,在搅拌过程中应紧贴容器底部搅拌避免产生沉淀,确保胶浆保持均匀。

性能测试

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)分别测试上述胶浆的25℃针入度、5℃和15℃延度、软化点和135℃、145℃、155℃、165℃、175℃、185℃布氏旋转黏度。此外,参照针入度试验方法,利用锥入度试验(贯入质量为94.69g)评价沥青胶浆在45℃时的贯入深度,并根据锥入度值计算两种胶浆的抗剪强度[8]。


结果与讨论

延度测试分析

图1为基质沥青胶浆、SBS改性沥青胶浆分别在5℃和15℃条件下随粉胶比的变化规律。对比表1和图1,不同沥青胶浆在5℃和15℃时的延度均比对应沥青延度要小,随着粉胶比的增大沥青胶浆延度均呈现降低趋势。在15℃时,基质沥青和SBS改性沥青胶浆延度分别为30cm和62cm,拉伸过程中,中间部位为均匀拉长的细丝,断裂呈典型的黏性破坏,但在粉胶比大于1.2时,延度下降十分明显,断裂形式由黏性破坏变为脆性断裂,说明水泥填料对沥青胶浆延度有显著的影响。为保证沥青胶浆的低温性能,在配合比设计时应根据工程应用情况考虑粉胶比,一般不易超过1.2。此外,在相同温度和相同粉胶比条件下,SBS改性沥青胶浆延度均大于基质沥青胶浆的延度,因为SBS改性沥青低温性能优于基质沥青,水泥的加入并没有改变SBS改性沥青原有的结构。

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软化点测试分析

图2为不同沥青胶浆的软化点随粉胶比的变化趋势。从图2中可以看出,掺加水泥后,沥青胶浆的软化点均高于沥青;无论是对于基质沥青还是SBS改性沥青,随着粉胶比的增大,胶浆软化点逐渐增大,说明水泥的加入会使胶浆的硬化程度增大,水泥掺量越多,硬化程度越大,说明水泥可以提高沥青胶浆的高温性能,且粉胶比越大对高温性能越有利。

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针入度及锥入度测试分析

(1)针入度变化

图3为沥青胶浆针入度随粉胶比的变化规律。对比表1和图3可知,和沥青相比,掺入水泥后,胶浆针入度显著下降;随着粉胶比的增大,两种沥青胶浆的针入度均逐渐降低,且SBS改性沥青胶浆的针入度下降趋势更为明显。因为沥青和水泥相互作用后,沥青在水泥表面可以重新排列形成一定厚度的膜[9],且膜内沥青为结构沥青,其决定着颗粒间的黏聚力,进而影响沥青胶浆的黏稠度。以往研究中提出填料在沥青胶浆中的分散程度对针入度有一定的影响[10],虽然本次研究中做了很多组平行试验,仍引入锥入度进一步对沥青胶浆性能进行评价。

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(2)锥入度变化

图4为两种沥青胶浆在45℃时锥入度随粉胶比的变化。对比图3和图4发现,针入度、锥入度随粉胶比的增大均出现相同的变化趋势,且SBS改性沥青胶浆的针入度、锥入度下降幅度均大于基质沥青胶浆,粉胶比从0.8增加到1.2,SBS改性沥青胶浆、基质沥青胶浆锥入度分别下降39.5%和9.5%,针入度分别下降42.1%和15.2%。说明相对普通基质沥青,水泥填料对SBS改性沥青高温性能的影响更为显著。

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(3)抗剪强度

为进一步反映沥青胶浆性能随粉胶比的变化情况,利用锥入度计算不同粉胶比下两种沥青胶浆的锥入度,图5为不同粉胶比与两种沥青胶浆抗剪强度的关系图。不论是基质沥青胶浆还是SBS改性沥青胶浆,抗剪强度均随粉胶比的增大而增大。从图5可以看出,SBS改性沥青胶浆的抗剪强度增加幅度要高于基质沥青胶浆的抗剪强度,粉胶比从0.8增加到1.6,SBS改性沥青胶浆和基质沥青胶浆抗剪强度分别增加177.2%和51.5%,抗剪强度可直观反映沥青胶浆高温性能粉胶比的变化。虽然两种沥青胶浆抗剪强度均随粉胶比的增大而增大,但为保证施工拌和的和易性,也应充分考虑沥青胶浆的针入度和锥入度,粉胶比不易过大。

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黏温特性分析

(1)黏温曲线

为研究两种沥青胶浆在不同温度和不同粉胶比下的流动特性,采用Brookfield的DVII型旋转黏度仪和27号转子测试了两种沥青胶浆分别在5种粉胶比和135℃、145℃、155℃、165℃、175℃、185℃下的黏度,并建立了如图6所示的黏温曲线。从图6可知,两种沥青胶浆的黏度均随温度的增大而下降,随粉胶比的增大而增大,且两种沥青胶浆随温度的变化均呈现出相同的趋势。说明增大粉胶比可以显著提高沥青胶浆的黏度,粉胶比越大对沥青胶浆的硬化作用越显著,黏度也越大,对沥青混合料的水稳定性越有益,但综合考虑施工和易性和拌和均匀性,建议粉胶比控制在1.0~1.4之间。


(2)黏温回归分析

为进一步研究温度、粉胶比对沥青胶浆黏度的影响,对不同粉胶比下两种沥青胶浆的黏度和温度按公式(1)进行回归分析。

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回归系数A与沥青胶浆黏度相关较大,A越大,表示沥青胶浆黏度越大,回归系数B可以表征沥青胶浆的感温性,B越大,表示沥青胶浆的感温性越大[11,12]。


表3为基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆在不同粉胶比下的黏温回归分析。从图6的分析可知,沥青胶浆黏度随温度的升高逐渐减小,沥青胶浆的感温性可用幂函数进一步反映。从表3可知,除粉胶比为1.2的基质沥青胶浆的相关系数R^2为0.9878外,其余各组均大于0.99,说明回归方程可靠度非常高。随着粉胶比的增大,基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆的回归系数A均逐渐增大,幂指数B也呈逐渐增大的趋势,说明两种沥青胶浆随粉胶比的增大,感温性越大,沥青胶浆黏度越大。对比基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆还可以看出,基质沥青胶浆的A值总是小于SBS改性沥青胶浆的A值,说明SBS改性沥青胶浆的黏度优于基质沥青胶浆。对比B值可知,在粉胶比为0.8~1.2时,基质沥青胶浆的幂指数B大于SBS改性沥青,而在粉胶比为1.4和1.6时,SBS改性沥青胶浆的幂指数大于基质沥青,一定程度上说明了粉胶比对两种沥青胶浆感温性的影响。

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结语

(1)采用水泥替代全部矿粉制备了5种粉胶比的基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆。在5℃和15℃时,沥青胶浆的延度值均明显小于基质沥青,随着粉胶比的增大,延度值呈递减趋势,说明水泥的加入会降低沥青胶浆的低温性能,水泥掺量越大降低越明显。


(2)在不同粉胶比下,沥青胶浆的软化点高于沥青,SBS改性沥青的软化点高于基质沥青胶浆。随着粉胶比的增大,两种沥青胶浆的软化点均逐渐增大,增大粉胶比可提高沥青胶浆的高温性能。


(3)由于填料的硬化作用,沥青胶浆的针入度均小于沥青。通过针入度和锥入度试验发现,两种沥青胶浆的针入度和锥入度均随粉胶比的增大而减小,且表现出了相同的变化趋势。说明加入水泥后,沥青胶浆随粉胶比增大变得更加稠硬,黏度变大。通过抗剪强度也反映了粉胶比会增大两种沥青胶浆的黏度,且SBS改性沥青胶浆抗剪强度大于基质沥青胶浆。相比锥入度和针入度,抗剪强度和粉胶比曲线图可更直观地反映沥青胶浆的黏度与粉胶比的关系。


(4)通过布氏旋转黏度发现,在同一粉胶比下,两种沥青胶浆的黏度随温度的升高而降低。在相同温度下,基质沥青胶浆和SBS改性沥青胶浆的黏度随着粉胶比的增大而增大,且SBS改性沥青胶浆的黏度均优于基质沥青胶浆。通过回归分析可知,同一粉胶比下的黏度和温度符合幂函数关系。随着粉胶比的增大,与黏度相关的系数A逐渐增大,感温性系数B逐渐增大,说明粉胶比可以增大沥青胶浆的黏度和温度敏感性。


综合分析,水泥的掺入和粉胶比的增大会提高沥青胶浆的软化点、黏度及抗剪强度,但针入度、锥入度和延度明显下降。说明随着粉胶比的增加,沥青胶浆的高温性能可以得到改善,但对低温性能有不利影响。如果从单一增黏角度考虑,可通过增加水泥掺量来提高沥青胶浆黏度。综合考虑高温、低温性能,当采用水泥替代矿粉时,推荐粉胶比为1.2,一般不易<1.0和≤1.4。

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标签:施工案例技术中心沥青混凝土
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