第21卷 第4期2008年7月
文章编号:100127372(2008) 0420006206
中 国 公 路 学 报
China Journal of Highway and Transport
Vol. 21 No. 4J uly 2008
沥青混合料用矿粉性能指标研究
李 平1, 芦 军2,3, 张争奇2, 王秉纲2, 孙鸿伟2
(1. 长沙理工大学交通运输工程学院, 湖南长沙 410076; 2. ,
陕西西安 710064; 3. , 摘要:首先测量了5干捣空隙率和沉淀空隙率, 同时, 最后进行了矿粉指标试验结果表明:7种测试方法对矿粉性质有不同的适用性; 矿粉类型对胶浆性能有重要影响, 即有必要对矿粉类型进行筛选; 考虑到测试方法的可推广性, 推荐以干捣试验和德国矿粉试验作为矿粉高温性能和施工性能的评价方法, 以亚甲蓝试验作为矿粉低温性能的评价方法。
关键词:道路工程; 沥青混合料; 试验研究; 性能指标; 矿粉中图分类号:U414.1 文献标志码:A
R esearch on Performance Index of Mineral Filler
Used in Asphalt Mixture
L I Ping 1, L U J un 2,3, ZHAN G Zheng 2qi 2, WAN G Bing 2gang 2, SUN Hong 2wei 2
(1. School of Traffic and Transportation Engineering , Changsha University of Science and Technology , Changsha
410076, Hunan , China ; 2. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of
Education , Chang πan University , Xi πan 710064, Shaanxi , China ; 3. Communications
Department of Shaanxi Province , Xi πan 710068, Shaanxi , China )
Abstract :Firstly , aut hors measured granularity , specific surface area , met hylene blue value , dry compaction pore ratio and depo sitio n pore ratio. German mineral filler test and liquid 2plastic limitation test were carried out. Then , t he service performance of t he mortar made wit h t he mineral fillers was tested. Finally , t he relativity between mineral filler index and mortar performance was analyzed. It is found t hat t he applicabilities of seven test s are different to mineral filler. Mortar performance test p roves t hat mineral filler type has great influence on mortar performance , so it is necessary to select filler type. Considering t he test pop ularization character , dry compaction test and German mineral filler test are chosen as evaluation met hod of high temperat ure and const ruction performance of filler and met hylene blue test is chosen as evaluation met hod of low temperat ure performance of filler.
K ey w ords :road engineering ; asp halt mixt ure ; experimental research ; performance index ; min 2eral filler
收稿日期:2007211218
基金项目:国家自然科学基金项目(50478095) ; 国家西部交通建设科技项目([1**********]1) ; 湖南省自然科学基金项目(07JJ 6091) 作者简介:李 平(19782) , 男, 山东潍坊人, 讲师, 工学博士,E 2mail :lipingchd@126. com 。
第4期 李 平, 等:沥青混合料用矿粉性能指标研究7
0引 言
沥青混合料是由粗集料、细集料和胶浆组成的
由图1可见, 不同矿粉的颗粒尺寸组成有较大区别, 其中4#矿粉明显比其他矿粉细。粒径曲线虽
然能够直观地表明矿粉颗粒分布状态, 但是却无法进行定量分析, 为此参考文献[6]、文献[7]中Harris 和Tayebali 的成果分别计算了矿粉的各项粒径指标, 见表1。
表1
T ab. 1P 30/%
三维分散体系, 其中包含矿粉和沥青的胶浆则是决定沥青混合料高、低温性能的关键因素, 各国大量研究[122]也证实了胶浆的重要性。然而在工程实践中研究重点多放在沥青的选择和级配[3]的改善上, 而对矿粉的研究和筛选重视不够[4]; 同时中国现行规范[5](后文简称规范) 中矿粉指标的合理性和科学性也值得进一步探讨。为此, 本文中笔者借鉴各国有研究, , 提供依据。
不同矿粉的粒径指标
1##4. 192988. 7063. 51
3#4. 2327. 3788. 5064. 75
4#3. 0654. 2497. 9385. 14
5#4. 1339. 7289. 2667. 09
P article Size Indexes of Different Mineral Fillers
90. 0868. 03
注:P 60、P 30分别表示粒径为60、30μm 颗粒的累计通过率。
1矿粉性能指标及测试结果
从5条高速公路施工现场随机抽取矿粉, 编号
依次为1#～5#。由于规范中对粉胶比的定义仅仅涉及粒径小于0. 075mm 的集料, 即真正与沥青结合形成胶浆的是该部分集料, 因而研究中选用了粒径小于0. 075mm 的矿粉, 并对各项指标进行了测试。1. 1
与粒径曲线相比, 表1中的各项指标能够定量描述不同矿粉粒径组成的差别, 例如,4#矿粉的细度模数为3. 06, 明显小于其他4种矿粉, 这样定量描述有利于后续对矿粉与胶浆性能相关性的分析。1. 2比表面积
矿粉的比表面积是指单位质量矿粉的总表面积。在沥青混合料中矿粉的用量虽然只占很小的一部分, 但其表面积却占矿质混合料总表面积的80%以上; 同时, 矿粉的矿物组成、粒径、表面性质不同, 其比表面积也有很大的差异, 因此, 比表面积是评价矿粉性质的一个重要指标。本研究中使用美国Mi 2cromeritics 公司生产的ASA P 2010全自动氮吸附比表面积及孔径分析仪测试了矿粉的比表面积, 结果如图2所示。
粒 径
由于矿粉中只有粒径小于0. 075mm 的部分才
起到形成胶浆的作用, 即如果矿粉粒径对胶浆性能有影响, 那么作为粒径小于0. 075mm 的这一部分的级配组成是不能被忽视的。文献[
5]中对矿粉的粒径要求只是针对0. 6、0. 15、0. 075mm 这3个尺寸, 这实质上并未涉及矿粉的性能控制。为了分析矿粉细成分的组成, 笔者采用英国Malvern 公司生产的Mastersizer 2000激光衍射粒径分析仪对矿粉的粒径组成进行了精确分析, 各粒径颗粒的含量(质量分数) 测试结果如图1所示, 其中r 为粒径。
图2
Fig. 2
不同矿粉的比表面积
Specif ic Surface Areas of Different Mineral Fillers
比表面积受矿粉的级配、表面特征等因素的影响。比表面积大, 则可吸附较多的沥青成分, 对沥青的增劲效果明显, 但过大的比表面积会使得沥青胶浆的劲度模量过大。由图2可见:4#矿粉级配最细, 其比表面积明显大于其他矿粉; 粒径分析试验中粒径分布曲线非常接近的3种矿粉(1#、3#、5#矿粉) , 其比表面积却有较大的差异, 如3#矿粉的比表
图1
Fig. 1
不同矿粉的粒径分布曲线
Mineral Fillers
P article Size Distribution Curves of Different
8中 国 公 路 学 报 2008年
面积显著小于1#和5#矿粉, 这说明表面特征等因素对比表面积有较大影响。
1. 3亚甲蓝值
亚甲蓝试验用于测试集料与水的悬浊液对亚甲蓝的吸附程度[8], 测试结果用亚甲蓝值(MBV ) 表示, 当该试验用于矿粉时,MBV 是综合反映矿粉颗粒形状、级配组成、矿物构成等因素的指标。图3为矿粉亚甲蓝试验结果。由图3可见:不同矿粉的MBV 有显著的差别,1#矿粉的MBV 仅为0. 20, 而5#矿粉达到了2. 05, 差别达10倍以上, 这说明该试验能够区分不同类型的矿粉; 4#矿粉的MBV 仅为, 图4
4
Fillers
atios of Different
, 并利用医用X 光机测量沉淀结果,1#和2#矿粉的沉淀空隙率测量结果见图
5。
。
图3
Fig. 3
不同矿粉的亚甲蓝值
Fig. 5
图5不同矿粉的沉淀空隙率
MBV of Different Mineral Fillers Deposition Pore R atios of Different Mineral Fillers
干捣空隙率
矿粉的干捣试验是在固定的条件下将矿粉压实, 并以压实状态下矿粉空隙率作为测试指标的试验方法。干捣空隙率的概念是由Ridgen 提出的, 他认为当矿粉被干捣至最大密度时, 矿粉中的空气体积是最小的。此时, 在沥青胶浆中, 填充这些空隙所1. 4
由于沉淀空隙率反映的是与特定沥青组合时的矿粉性质, 因而该指标应该与粉胶比无关, 但是图5的试验数据却显示沉淀空隙率受到粉胶比的影响, 同时其影响缺乏规律性。这是因为试验中矿粉的沉淀是依靠自重完成的, 由于矿粉的质量小, 沥青的黏度较大, 矿粉的沉淀容易受到外界因素的干扰, 难以形成稳定的沉积, 从而使得试验结果不稳定。德国矿粉值
德国矿粉试验是通过测量吸收15g 煤油所需矿粉的数量来间接评价矿粉的性质, 以加入的矿粉总量m GF 为该试验的指标, 测试结果如图6所示。由图6可见, 该试验能够很好地区分不同类型矿粉, 1. 6
需的沥青称为固定沥青, 其余部分为自由沥青, 这些自由沥青能够减小胶浆的劲度, 起到润滑的作用。笔者参考英国规范BS EN 109724:1999[9]的规定制作了测试仪器, 并对5种矿粉进行了测试。
图4为5种矿粉的干捣空隙率测试结果, 可以看出利用该指标能够有效区分不同类型的矿粉, 其中4#矿粉的干捣空隙率明显大于其他4种矿粉, 达到了44. 5%, 而2#矿粉仅为32. 0%。1. 5沉淀空隙率
矿粉在沥青中的作用受到矿粉本身性质的影响, 同时, 两者相互作用的影响也不可忽视, 但是干捣空隙率试验中没有考虑到后者的作用。若采用矿粉在热沥青中沉淀的方式测量稳定后的沉淀空隙率Φm , 以此预测矿粉的使用性能则更贴近实际。笔者在165℃条件下, 采用定制的Φ15×100mm
平底玻
与其他试验方法相比, 该试验操作简单, 不需要复杂
的仪器。
1. 7塑性指数
采用液塑限联合测定仪通过液塑限试验得到矿粉的塑性指数, 结果表明:4#矿粉的塑性指数要远大于其他矿粉, 接近14, 比较而言,5#矿粉的塑性指数最小, 不到7。由于研究中采用的矿粉都筛除了粒径大于0. 075mm 部分, 所以塑性指数明显高于规范中规定的最小值。同时在试验中发现, 约在锥
第4期 李 平, 等:沥青混合料用矿粉性能指标研究
表2
T ab. 2
9
各矿粉指标与胶浆车辙因子的相关系数
Correlation Coeff icients of Mineral Filler I ndexes and Mortar Rut F actors
矿粉指标
P 30P 60
与胶浆车辙因子的相关系数
0. 980. 970. 940. 920. 900. 790. 550. 44
比表面积细度模数
m GF
图6
Fig. 6
德国矿粉试验结果
干捣空隙率
MBV
R esult of G erm an Mineral Filler T est
入深度达到14mm 左右时,
液化现象, 映其性能, 影响显著, 怀疑, 因而在后续的相关性评价中将该指标排除。
, 在做质量控制时不宜有过多的指标, 且从试验可推广性考虑, 比表面积试验和粒径分析试验需要复杂仪器, 操作过程繁琐, 难以成为工程中例行的检测方式, 所以将这2个试验指标排除在外。由于P 60也可以通过水洗法进行, 因而筛选后剩余P 60、m GF 和干捣空隙率这3个指标。图8为这3个指标与胶浆车辙因子的回归曲线。
通过图8可以得到以下结论:
(1) P 60与胶浆车辙因子的相关系数较高, 但是其测点分布不均匀, 说服力较差, 而干捣空隙率和
m GF 用二项式回归时与胶浆车辙因子的相关系数均
2矿粉指标与胶浆性能的相关性
考虑到实际生产中胶浆的粉胶比一般为1. 2,
故笔者采用该粉胶比配制5种矿粉的胶浆, 编号依次为1#～5#, 测试了沥青胶浆的高、低温性能, 进而通过对矿粉与胶浆指标的相关性分析推荐了矿粉性能指标。2. 1高温性能
图7为不同矿粉所配制胶浆的车辙因子测试结果。通过图7可以发现:矿粉类型对胶浆车辙因子有明显的影响,4#胶浆的车辙因子为7. 08kPa , 远大于其他胶浆, 而2#胶浆车辙因子仅为5. 44kPa , 因而合理选择矿粉类型对于胶浆的抗车辙性能是非常重要的。
超过0. 92, 同时这2个指标的测试方法在操作上比
P 60简单, 因而最终选择干捣空隙率和m GF 作为矿粉
高温性能的控制指标。
(2) 随着矿粉干捣空隙率的增加, 胶浆车辙因子增大, 当干捣空隙率超过约37%时, 胶浆车辙因子的增加幅度明显变大。德国矿粉试验则恰恰相反, 随着矿粉m GF 数值的增加, 胶浆黏度逐渐降低。这是由于矿粉m GF 增加时, 矿粉对煤油的吸附能力变差, 导致相同矿粉掺量时胶浆的车辙因子减小。
(3) 干捣试验中采用固定的压实功, 这相对于德国矿粉试验的手工压实而言, 试验条件更具有一致性, 试验结果的准确度更高。但是德国矿粉试验中考虑了矿粉与煤油的相互作用, 这方面较干捣试验中的空气环境也是一种进步。同时, 虽然德国矿粉试验的相关性更好一些, 但是该试验操作过程受到人为因素的影响较大, 而干捣空隙试验则相反, 受人为因素影响小, 因而这2种测试方法各有优缺点。2. 2
图7
Fig. 7
不同胶浆的车辙因子
Rut F actors of Different Mortars
为了分析不同矿粉指标与胶浆高温性能的关系, 对各矿粉指标与胶浆的车辙因子进行了线性回归, 表2为回归方程的相关系数, 当相关系数超过0. 7时可认为两者是相关的, 则初选后P 30等6个指标与胶浆高温性能相关。
施工性能
利用Brookfield 黏度计测试了5种胶浆的黏
度, 结果如图9所示。由图9可以发现:矿粉类型对于胶浆高温黏度具有显著的影响,4#胶浆黏度达到18. 93Pa ・s ,2#胶浆的黏度仅为5. 58Pa ・s , 两者
10中 国 公 路 学 报 2008年
Asphalt Mortar Viscosity and Rut F actor
低温性能
表3为不同胶浆BBR 试验的测试结果。由表3可见, 矿粉类型对胶浆的低温性能有重要影响。2. 3
不同胶浆的低温性能指标有较大的差距,4#胶浆蠕变斜率仅为0. 38, 劲度模量达到了367. 5M Pa , 反映出其低温性能最差, 相比而言,5#胶浆具有较好的低温性能, 其劲度模量比4#胶浆小将近1/4。
表3
T ab. 3
胶浆编号
1#2#3#4#5#
胶浆BBR 试验结果
R esults of Mortar BBR T est 劲度模量S /MPa
359. 0313. 5355. 5367. 5298. 5
蠕变斜率m
0. 410. 440. 430. 380. 44
对矿粉指标与胶浆低温性能指标进行相关性分析, 结果见表4。
表4
T ab. 4
矿粉指标与胶浆低温性能指标的相关系数
Correlation Coeff icients of Mineral Filler I ndexes and Low T emperature Perform ances of Mortar
与S 的相关系数
0. 760. 410. 300. 300. 210. 000. 210. 16
矿粉指标
MBV
m GF P 60P 30
与m 的相关系数
0. 790. 900. 860. 850. 740. 210. 800. 64
细度模数均匀系数
相差近4倍, 而1胶浆的黏度也要大于2、3和5胶浆。
#
###
比表面积干捣空隙率
对胶浆黏度和车辙因子进行相关分析, 结果见图10。由图10可以看出两者有良好的线性关系。从而由胶浆黏度数据推荐的矿粉指标与胶浆车辙因子推荐的指标一致, 即也选取干捣空隙率和m GF 作为矿粉影响施工性能的质量控制指标
。
由于劲度模量S 和蠕变斜率m 反映了沥青胶结物低温性能的2个方面, 只有这2种性能优良, 沥青混合料才有良好的使用性能。表4中矿粉综合测试指标与胶浆BBR 试验数据的相关性表明, 矿粉的MBV 与胶浆BBR 试验指标线性相关, 所以推荐
第4期 李 平, 等:沥青混合料用矿粉性能指标研究MBV 作为矿粉低温性能的控制指标。图11为亚甲
11
Element Analysis and Micromechanics 2based Models [J].International Journal of Pavement Engineering , 2005,6(2) :1372146. [2]
蓝值与胶浆指标S 、m 的线性回归曲线
。
张争奇, 李 平, 王秉纲. 纤维和矿粉对沥青胶浆性能的影响[J].长安大学学报:自然科学版,2005,25(5) :
15218.
ZHAN G Zheng 2qi ,L I Ping , WAN G Bing 2gang. Effect of Fiber and Mineral Filler on Asphalt Mortar Per 2formance[J].Journal of πan University :Natural :15218.
[3], , 等[J].交通运输工程学报,2007,
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[4]彭 波, 丁智勇, 戴经梁. 不同类型沥青胶浆路用性能对比[J].交通运输工程学报,2007,7(3) :61265.
PEN G Bo ,DIN G Zhi 2yong ,DA I Jing 2liang. Road Per 2formance Comparison of Different Asphalt Mastics [J].Journal of Traffic and Transportation Engineer 2ing ,2007,7(3) :61265.
图11
Fig. 11
MBV 与胶浆低温性能指标的回归曲线R egression Curves of MBV and I ndexes of Low T emperature Perform ances of Mortar
根据图11中分析矿粉MBV 与胶浆劲度模量S 和蠕变斜率m 的关系可以发现, 随着MBV 的降低, 胶浆低温抗开裂性能增强。
[5]J T G F40—2004, 公路沥青路面施工技术规范[S].J T G F40—2004,Code for Construction Technology of Highway Asphalt Pavement [S].
3结语
(1) 对矿粉进行了粒径分析试验、比表面积试
[6]SHASHID HAR N , N EED HAM S P , CHOLL AR B H , et al. Prediction of the Performance of Mineral Fillers in Stone Matrix Asphalt [J].Journal of the As 2sociation of Asphalt Paving Technologists , 1999, 68:2222251.
验、亚甲蓝试验、干捣试验、沉淀试验、德国矿粉试
验、液塑限试验, 并测试了5种矿粉配制胶浆的各项性能, 发现矿粉类型对胶浆的高温性能、低温性能、抗老化性能以及施工性能均有重要影响, 因而使用时, 有必要对矿粉进行筛选, 从而改善沥青混合料的使用性能。
(2) 通过分析不同矿粉指标与胶浆性能的相关性, 以及测试方法的复杂程度和可推广性, 推荐以干捣试验和德国矿粉试验作为矿粉高温性能和施工性能评价方法, 而以亚甲蓝试验作为矿粉低温性能评价方法。参考文献:R eferences :
[1] ABBAS A , MASAD E , PA PA GIANNA KIS T , et al.
Modelling Asphalt Mastic Stiff ness Using Discrete
[7]SHASHID HAR N , ROM ERO P. Factors Affecting the Stiffening Potential of Mineral Fillers [C ]//TRB. Transportation Research Record 1638. Washington DC :TRB ,1998:942100.
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[9]BS EN 109724:1999, Tests for Mechanical and Phys 2ical Properties of Aggregates :Determination of the Voids of Dry Compacted Filler[S].
第21卷 第4期2008年7月
文章编号:100127372(2008) 0420006206
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Vol. 21 No. 4J uly 2008
沥青混合料用矿粉性能指标研究
李 平1, 芦 军2,3, 张争奇2, 王秉纲2, 孙鸿伟2
(1. 长沙理工大学交通运输工程学院, 湖南长沙 410076; 2. ,
陕西西安 710064; 3. , 摘要:首先测量了5干捣空隙率和沉淀空隙率, 同时, 最后进行了矿粉指标试验结果表明:7种测试方法对矿粉性质有不同的适用性; 矿粉类型对胶浆性能有重要影响, 即有必要对矿粉类型进行筛选; 考虑到测试方法的可推广性, 推荐以干捣试验和德国矿粉试验作为矿粉高温性能和施工性能的评价方法, 以亚甲蓝试验作为矿粉低温性能的评价方法。
关键词:道路工程; 沥青混合料; 试验研究; 性能指标; 矿粉中图分类号:U414.1 文献标志码:A
R esearch on Performance Index of Mineral Filler
Used in Asphalt Mixture
L I Ping 1, L U J un 2,3, ZHAN G Zheng 2qi 2, WAN G Bing 2gang 2, SUN Hong 2wei 2
(1. School of Traffic and Transportation Engineering , Changsha University of Science and Technology , Changsha
410076, Hunan , China ; 2. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of
Education , Chang πan University , Xi πan 710064, Shaanxi , China ; 3. Communications
Department of Shaanxi Province , Xi πan 710068, Shaanxi , China )
Abstract :Firstly , aut hors measured granularity , specific surface area , met hylene blue value , dry compaction pore ratio and depo sitio n pore ratio. German mineral filler test and liquid 2plastic limitation test were carried out. Then , t he service performance of t he mortar made wit h t he mineral fillers was tested. Finally , t he relativity between mineral filler index and mortar performance was analyzed. It is found t hat t he applicabilities of seven test s are different to mineral filler. Mortar performance test p roves t hat mineral filler type has great influence on mortar performance , so it is necessary to select filler type. Considering t he test pop ularization character , dry compaction test and German mineral filler test are chosen as evaluation met hod of high temperat ure and const ruction performance of filler and met hylene blue test is chosen as evaluation met hod of low temperat ure performance of filler.
K ey w ords :road engineering ; asp halt mixt ure ; experimental research ; performance index ; min 2eral filler
收稿日期:2007211218
基金项目:国家自然科学基金项目(50478095) ; 国家西部交通建设科技项目([1**********]1) ; 湖南省自然科学基金项目(07JJ 6091) 作者简介:李 平(19782) , 男, 山东潍坊人, 讲师, 工学博士,E 2mail :lipingchd@126. com 。
第4期 李 平, 等:沥青混合料用矿粉性能指标研究7
0引 言
沥青混合料是由粗集料、细集料和胶浆组成的
由图1可见, 不同矿粉的颗粒尺寸组成有较大区别, 其中4#矿粉明显比其他矿粉细。粒径曲线虽
然能够直观地表明矿粉颗粒分布状态, 但是却无法进行定量分析, 为此参考文献[6]、文献[7]中Harris 和Tayebali 的成果分别计算了矿粉的各项粒径指标, 见表1。
表1
T ab. 1P 30/%
三维分散体系, 其中包含矿粉和沥青的胶浆则是决定沥青混合料高、低温性能的关键因素, 各国大量研究[122]也证实了胶浆的重要性。然而在工程实践中研究重点多放在沥青的选择和级配[3]的改善上, 而对矿粉的研究和筛选重视不够[4]; 同时中国现行规范[5](后文简称规范) 中矿粉指标的合理性和科学性也值得进一步探讨。为此, 本文中笔者借鉴各国有研究, , 提供依据。
不同矿粉的粒径指标
1##4. 192988. 7063. 51
3#4. 2327. 3788. 5064. 75
4#3. 0654. 2497. 9385. 14
5#4. 1339. 7289. 2667. 09
P article Size Indexes of Different Mineral Fillers
90. 0868. 03
注:P 60、P 30分别表示粒径为60、30μm 颗粒的累计通过率。
1矿粉性能指标及测试结果
从5条高速公路施工现场随机抽取矿粉, 编号
依次为1#～5#。由于规范中对粉胶比的定义仅仅涉及粒径小于0. 075mm 的集料, 即真正与沥青结合形成胶浆的是该部分集料, 因而研究中选用了粒径小于0. 075mm 的矿粉, 并对各项指标进行了测试。1. 1
与粒径曲线相比, 表1中的各项指标能够定量描述不同矿粉粒径组成的差别, 例如,4#矿粉的细度模数为3. 06, 明显小于其他4种矿粉, 这样定量描述有利于后续对矿粉与胶浆性能相关性的分析。1. 2比表面积
矿粉的比表面积是指单位质量矿粉的总表面积。在沥青混合料中矿粉的用量虽然只占很小的一部分, 但其表面积却占矿质混合料总表面积的80%以上; 同时, 矿粉的矿物组成、粒径、表面性质不同, 其比表面积也有很大的差异, 因此, 比表面积是评价矿粉性质的一个重要指标。本研究中使用美国Mi 2cromeritics 公司生产的ASA P 2010全自动氮吸附比表面积及孔径分析仪测试了矿粉的比表面积, 结果如图2所示。
粒 径
由于矿粉中只有粒径小于0. 075mm 的部分才
起到形成胶浆的作用, 即如果矿粉粒径对胶浆性能有影响, 那么作为粒径小于0. 075mm 的这一部分的级配组成是不能被忽视的。文献[
5]中对矿粉的粒径要求只是针对0. 6、0. 15、0. 075mm 这3个尺寸, 这实质上并未涉及矿粉的性能控制。为了分析矿粉细成分的组成, 笔者采用英国Malvern 公司生产的Mastersizer 2000激光衍射粒径分析仪对矿粉的粒径组成进行了精确分析, 各粒径颗粒的含量(质量分数) 测试结果如图1所示, 其中r 为粒径。
图2
Fig. 2
不同矿粉的比表面积
Specif ic Surface Areas of Different Mineral Fillers
比表面积受矿粉的级配、表面特征等因素的影响。比表面积大, 则可吸附较多的沥青成分, 对沥青的增劲效果明显, 但过大的比表面积会使得沥青胶浆的劲度模量过大。由图2可见:4#矿粉级配最细, 其比表面积明显大于其他矿粉; 粒径分析试验中粒径分布曲线非常接近的3种矿粉(1#、3#、5#矿粉) , 其比表面积却有较大的差异, 如3#矿粉的比表
图1
Fig. 1
不同矿粉的粒径分布曲线
Mineral Fillers
P article Size Distribution Curves of Different
8中 国 公 路 学 报 2008年
面积显著小于1#和5#矿粉, 这说明表面特征等因素对比表面积有较大影响。
1. 3亚甲蓝值
亚甲蓝试验用于测试集料与水的悬浊液对亚甲蓝的吸附程度[8], 测试结果用亚甲蓝值(MBV ) 表示, 当该试验用于矿粉时,MBV 是综合反映矿粉颗粒形状、级配组成、矿物构成等因素的指标。图3为矿粉亚甲蓝试验结果。由图3可见:不同矿粉的MBV 有显著的差别,1#矿粉的MBV 仅为0. 20, 而5#矿粉达到了2. 05, 差别达10倍以上, 这说明该试验能够区分不同类型的矿粉; 4#矿粉的MBV 仅为, 图4
4
Fillers
atios of Different
, 并利用医用X 光机测量沉淀结果,1#和2#矿粉的沉淀空隙率测量结果见图
5。
。
图3
Fig. 3
不同矿粉的亚甲蓝值
Fig. 5
图5不同矿粉的沉淀空隙率
MBV of Different Mineral Fillers Deposition Pore R atios of Different Mineral Fillers
干捣空隙率
矿粉的干捣试验是在固定的条件下将矿粉压实, 并以压实状态下矿粉空隙率作为测试指标的试验方法。干捣空隙率的概念是由Ridgen 提出的, 他认为当矿粉被干捣至最大密度时, 矿粉中的空气体积是最小的。此时, 在沥青胶浆中, 填充这些空隙所1. 4
由于沉淀空隙率反映的是与特定沥青组合时的矿粉性质, 因而该指标应该与粉胶比无关, 但是图5的试验数据却显示沉淀空隙率受到粉胶比的影响, 同时其影响缺乏规律性。这是因为试验中矿粉的沉淀是依靠自重完成的, 由于矿粉的质量小, 沥青的黏度较大, 矿粉的沉淀容易受到外界因素的干扰, 难以形成稳定的沉积, 从而使得试验结果不稳定。德国矿粉值
德国矿粉试验是通过测量吸收15g 煤油所需矿粉的数量来间接评价矿粉的性质, 以加入的矿粉总量m GF 为该试验的指标, 测试结果如图6所示。由图6可见, 该试验能够很好地区分不同类型矿粉, 1. 6
需的沥青称为固定沥青, 其余部分为自由沥青, 这些自由沥青能够减小胶浆的劲度, 起到润滑的作用。笔者参考英国规范BS EN 109724:1999[9]的规定制作了测试仪器, 并对5种矿粉进行了测试。
图4为5种矿粉的干捣空隙率测试结果, 可以看出利用该指标能够有效区分不同类型的矿粉, 其中4#矿粉的干捣空隙率明显大于其他4种矿粉, 达到了44. 5%, 而2#矿粉仅为32. 0%。1. 5沉淀空隙率
矿粉在沥青中的作用受到矿粉本身性质的影响, 同时, 两者相互作用的影响也不可忽视, 但是干捣空隙率试验中没有考虑到后者的作用。若采用矿粉在热沥青中沉淀的方式测量稳定后的沉淀空隙率Φm , 以此预测矿粉的使用性能则更贴近实际。笔者在165℃条件下, 采用定制的Φ15×100mm
平底玻
与其他试验方法相比, 该试验操作简单, 不需要复杂
的仪器。
1. 7塑性指数
采用液塑限联合测定仪通过液塑限试验得到矿粉的塑性指数, 结果表明:4#矿粉的塑性指数要远大于其他矿粉, 接近14, 比较而言,5#矿粉的塑性指数最小, 不到7。由于研究中采用的矿粉都筛除了粒径大于0. 075mm 部分, 所以塑性指数明显高于规范中规定的最小值。同时在试验中发现, 约在锥
第4期 李 平, 等:沥青混合料用矿粉性能指标研究
表2
T ab. 2
9
各矿粉指标与胶浆车辙因子的相关系数
Correlation Coeff icients of Mineral Filler I ndexes and Mortar Rut F actors
矿粉指标
P 30P 60
与胶浆车辙因子的相关系数
0. 980. 970. 940. 920. 900. 790. 550. 44
比表面积细度模数
m GF
图6
Fig. 6
德国矿粉试验结果
干捣空隙率
MBV
R esult of G erm an Mineral Filler T est
入深度达到14mm 左右时,
液化现象, 映其性能, 影响显著, 怀疑, 因而在后续的相关性评价中将该指标排除。
, 在做质量控制时不宜有过多的指标, 且从试验可推广性考虑, 比表面积试验和粒径分析试验需要复杂仪器, 操作过程繁琐, 难以成为工程中例行的检测方式, 所以将这2个试验指标排除在外。由于P 60也可以通过水洗法进行, 因而筛选后剩余P 60、m GF 和干捣空隙率这3个指标。图8为这3个指标与胶浆车辙因子的回归曲线。
通过图8可以得到以下结论:
(1) P 60与胶浆车辙因子的相关系数较高, 但是其测点分布不均匀, 说服力较差, 而干捣空隙率和
m GF 用二项式回归时与胶浆车辙因子的相关系数均
2矿粉指标与胶浆性能的相关性
考虑到实际生产中胶浆的粉胶比一般为1. 2,
故笔者采用该粉胶比配制5种矿粉的胶浆, 编号依次为1#～5#, 测试了沥青胶浆的高、低温性能, 进而通过对矿粉与胶浆指标的相关性分析推荐了矿粉性能指标。2. 1高温性能
图7为不同矿粉所配制胶浆的车辙因子测试结果。通过图7可以发现:矿粉类型对胶浆车辙因子有明显的影响,4#胶浆的车辙因子为7. 08kPa , 远大于其他胶浆, 而2#胶浆车辙因子仅为5. 44kPa , 因而合理选择矿粉类型对于胶浆的抗车辙性能是非常重要的。
超过0. 92, 同时这2个指标的测试方法在操作上比
P 60简单, 因而最终选择干捣空隙率和m GF 作为矿粉
高温性能的控制指标。
(2) 随着矿粉干捣空隙率的增加, 胶浆车辙因子增大, 当干捣空隙率超过约37%时, 胶浆车辙因子的增加幅度明显变大。德国矿粉试验则恰恰相反, 随着矿粉m GF 数值的增加, 胶浆黏度逐渐降低。这是由于矿粉m GF 增加时, 矿粉对煤油的吸附能力变差, 导致相同矿粉掺量时胶浆的车辙因子减小。
(3) 干捣试验中采用固定的压实功, 这相对于德国矿粉试验的手工压实而言, 试验条件更具有一致性, 试验结果的准确度更高。但是德国矿粉试验中考虑了矿粉与煤油的相互作用, 这方面较干捣试验中的空气环境也是一种进步。同时, 虽然德国矿粉试验的相关性更好一些, 但是该试验操作过程受到人为因素的影响较大, 而干捣空隙试验则相反, 受人为因素影响小, 因而这2种测试方法各有优缺点。2. 2
图7
Fig. 7
不同胶浆的车辙因子
Rut F actors of Different Mortars
为了分析不同矿粉指标与胶浆高温性能的关系, 对各矿粉指标与胶浆的车辙因子进行了线性回归, 表2为回归方程的相关系数, 当相关系数超过0. 7时可认为两者是相关的, 则初选后P 30等6个指标与胶浆高温性能相关。
施工性能
利用Brookfield 黏度计测试了5种胶浆的黏
度, 结果如图9所示。由图9可以发现:矿粉类型对于胶浆高温黏度具有显著的影响,4#胶浆黏度达到18. 93Pa ・s ,2#胶浆的黏度仅为5. 58Pa ・s , 两者
10中 国 公 路 学 报 2008年
Asphalt Mortar Viscosity and Rut F actor
低温性能
表3为不同胶浆BBR 试验的测试结果。由表3可见, 矿粉类型对胶浆的低温性能有重要影响。2. 3
不同胶浆的低温性能指标有较大的差距,4#胶浆蠕变斜率仅为0. 38, 劲度模量达到了367. 5M Pa , 反映出其低温性能最差, 相比而言,5#胶浆具有较好的低温性能, 其劲度模量比4#胶浆小将近1/4。
表3
T ab. 3
胶浆编号
1#2#3#4#5#
胶浆BBR 试验结果
R esults of Mortar BBR T est 劲度模量S /MPa
359. 0313. 5355. 5367. 5298. 5
蠕变斜率m
0. 410. 440. 430. 380. 44
对矿粉指标与胶浆低温性能指标进行相关性分析, 结果见表4。
表4
T ab. 4
矿粉指标与胶浆低温性能指标的相关系数
Correlation Coeff icients of Mineral Filler I ndexes and Low T emperature Perform ances of Mortar
与S 的相关系数
0. 760. 410. 300. 300. 210. 000. 210. 16
矿粉指标
MBV
m GF P 60P 30
与m 的相关系数
0. 790. 900. 860. 850. 740. 210. 800. 64
细度模数均匀系数
相差近4倍, 而1胶浆的黏度也要大于2、3和5胶浆。
#
###
比表面积干捣空隙率
对胶浆黏度和车辙因子进行相关分析, 结果见图10。由图10可以看出两者有良好的线性关系。从而由胶浆黏度数据推荐的矿粉指标与胶浆车辙因子推荐的指标一致, 即也选取干捣空隙率和m GF 作为矿粉影响施工性能的质量控制指标
。
由于劲度模量S 和蠕变斜率m 反映了沥青胶结物低温性能的2个方面, 只有这2种性能优良, 沥青混合料才有良好的使用性能。表4中矿粉综合测试指标与胶浆BBR 试验数据的相关性表明, 矿粉的MBV 与胶浆BBR 试验指标线性相关, 所以推荐
第4期 李 平, 等:沥青混合料用矿粉性能指标研究MBV 作为矿粉低温性能的控制指标。图11为亚甲
11
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蓝值与胶浆指标S 、m 的线性回归曲线
。
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图11
Fig. 11
MBV 与胶浆低温性能指标的回归曲线R egression Curves of MBV and I ndexes of Low T emperature Perform ances of Mortar
根据图11中分析矿粉MBV 与胶浆劲度模量S 和蠕变斜率m 的关系可以发现, 随着MBV 的降低, 胶浆低温抗开裂性能增强。
[5]J T G F40—2004, 公路沥青路面施工技术规范[S].J T G F40—2004,Code for Construction Technology of Highway Asphalt Pavement [S].
3结语
(1) 对矿粉进行了粒径分析试验、比表面积试
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验、亚甲蓝试验、干捣试验、沉淀试验、德国矿粉试
验、液塑限试验, 并测试了5种矿粉配制胶浆的各项性能, 发现矿粉类型对胶浆的高温性能、低温性能、抗老化性能以及施工性能均有重要影响, 因而使用时, 有必要对矿粉进行筛选, 从而改善沥青混合料的使用性能。
(2) 通过分析不同矿粉指标与胶浆性能的相关性, 以及测试方法的复杂程度和可推广性, 推荐以干捣试验和德国矿粉试验作为矿粉高温性能和施工性能评价方法, 而以亚甲蓝试验作为矿粉低温性能评价方法。参考文献:R eferences :
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