（材料学专业论文）沥青混合料填料组成与性质研究.pdf

摘要 填料的用量虽然在沥青混合料中所占比重不大，但其与沥青形成的沥青胶浆 却是影响混合料性能的关键。目前我国对填料的研究还没有引起足够的重视，规 范对其性质的控制指标比较宽泛，对影响胶浆及混合料性能的关键指标亦不够明 确；对于替代矿粉使用的粉煤灰、水泥、矿渣粉、石灰等填料对沥青混合料性能 的改善效果及机理缺乏系统的研究。 针对以上问题，本文在借鉴国内外相关研究成果的基础上，对两种石灰岩矿 粉、粉煤灰、水泥、矿渣粉及石灰等填料进行了系统的研究。本文首先全面测定、 分析了填料的物理和化学性质，总结出各种填料的性质特点；进而借助于s u p e r p a v e 沥青研究的设备d s r 、b b r 等对胶浆高温、低温及疲劳性能进行系统的 研究，评价了不同填料沥青胶浆的性能，并针对影响显著的填料指标进行深入分 析；然后对不同粉胶比及填料的沥青混合料性能进行研究，得出了不同填料对沥 青混合料性能的改善效果，并针对影响显著的填料指标进行了深入分析：根据表 面化学理论分析了填料沥青的界面现象，并结合填料性质、胶浆及混合料的宏 观性能论述了填料与沥青的粘附一剥落机理：最后结合国内实际情况提出影响混 合料使用性能的关键性指标，并对规范上的填料评价指标提出建议。 关键词：填料：矿粉；粉胶比；沥青胶浆：沥青混合料；高温稳定性；低温抗裂 性：水稳定性；评价指标 a b s t r a c t t h ef o l eo ft h e 螽l l e ri na s p h a l tp a v i n gm i x t u r c si sq u i t ei m p o a 1 1 tw h e ni ti s c o m b i n e d 诹也a s 曲a l t ，攮o u 曲也ep f o p o 正黼i ss m 蝴p f e s 黼t l y ， ks i 嚣漩c 鑫珏e 。o f i l h a sn o tb e e nr c c o g n i z e d a d e q u a t e l yi no u rc o u n c w t h ec o n t r o lp a r a m e t e r sf o r c h a r a c t e 鹅o ft h e 蠡i l e r si nt e c h l l i c a ls p e c m c a t i o na r et o ob r o a d ，a i l dt l l ek e yi n d i c e s t h th a v em 越琏e f f t so 珏幽e3 s 秘a 珏攘。娃雒a n d 疆i x t 班ea r e 珏o tc l e 甄飘l e c o m p r c h e n s i v es t u d yo nt h ei m p a c ta 1 1 dm e c h a n i s mo f “1 i n e r a lf i l l e r s ，a sf l y * a s h ， p o r t l a j l dc e m e n t ，s l a g p o w d e r h y d r a t e dl i m ea n ds oo n ，i m p r o v e da s p h a l tc o n c r e t e s 攮b i l 舔瓤s c a r c o ， t bs o l v ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt i l e 棚l e r s s u c ha sl i m es t o n ef i n e s ，n ya s h ，p o r n a l l dc e m e n t ，s l a g p o w d e ra n dh y d r a t e dl i m e f i f s l l 冀氆e 砖y s i e o _ e k m i e a le h a r a e 圭e 鹅o fl h e ma r e m p 辩h s i w 赫a l y z 穗，a 玎d 氆e c h a r a c t e r i s t i co ft h e ma r cs l l m m a r i z e d 。s e c o n d l y t h ep c d b m l a n c ei nh i g ha 1 1 dl o w t e m p e r a t u r ea 1 1 df a t i g u e o fa s p h a l tm o r t a ri ss t u d i e d b yu s i n gt h es u p e r p a v e 键娃i p m e 嫩ss 烈la sd s r8 珏d8 b r 强ep o 潞黼a n c eo f 嚣s 曲a l t 糙。燃e o m p o s e d w i i hd i f f 毫r e n ts o r t so ff i l l e r sa r ee s t i m a t e da n dm ef a c t o r st h a th a v i n gp r o m i n e n t i n n u e n c ea r ea 1 1 a l y z e d 了1 1 i r d ly ，t h ep e r f b r n l a j l c eo fa s p h a l tp a v i n gm i x t u 衅c o m p o s e d 、v i 氇d i 蔬糟哦s o 煅o f 蠡l l e r si s 糟s e a r c b e d ，蠲d 氇ci 融岬v ee 艉氍s 艚d i 霞e 黼ts o 托so f 丘1 l e r sa r eg a i n e d t h ek e yi n d i c e sa 虢c t i n gt h ea s p h a l tp a v i n gm i x t u f ea r ea i l a l y z e d f o u r t 1 1y ，t h ef i l l e r _ a s p h a l ti n t e r f h c ei ss t u d i e da c c o r d i n gt h es u r f a c h e m i c a lt h e o r 弘 强ea 魏e s i o 珏- s 蠊p p i n g 瑚e e h 馘i s mi sd i s c u s s 磁w i 斑睡ep e f 翻褂a n c eo f 蠡i l e r s ， a s p h a l tm o r t a ra n dp a v i n gm i x t u r e 。f i n a l l yt h i sp a p c fp u tf o r 、硼r dt h ek e yi n d e xo f f i i i e rt h a ti n n u e n tm ep a v e m e n tp e r f o n n a n c eo fa s p h a l tp a v i n gm i x t u r e ，a n dg i v e 列v e e sa b 鲫 i n d e xo f 矗l l e rt o 搬et e c l m i c a ls n e c i 矗c 越i o n k e yw o r d ：m i n e r a ln l l e li i m es l o n ef i n e s ，r a t eo f f i l l e ra n da s p h a l t ，a s p h a l tm o n a r ， a s p h a l tp a v i n gm i x t u r e ，h i g h 一 e m p e 豫t u r es t a 醚i i t y ，l o w t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，m o i s t u r e s u s c e p t i b i l i t y ，e 、，a l u a t i o ni n d e x 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储繇郑篮球沥f 年月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝储擞：关p 篮球砌年。月少日 导师签名： 灸扒夕年月，日 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 我国自8 0 年代改革开放以来，公路事业取得了长足的发展，特别是“八五” 计划以来，不仅公路里程增长迅猛，道路技术等级和路面等级也显著提高，高速 公路更是在短短十年问就走过了发达国家4 0 年才能完成的发展历程。然而，我 国公路建设总体上还不能完全适应国民经济和社会发展的需要，与发达国家的先 进水平相比还有较大差距。因此，国家“十一五”计划在规划“五纵七横”国道 主干线及“七射九纵十八横”高速公路网的基础上，又进一步提出了“道路运 输基本完成从数量扩张向质量提高、从粗放型发展向质量效益、环保节约型发展 的转变，明显提高道路运输服务和安全水平”的宏伟决策，积极响应国家“以人 为本”、“实现可持续发展”以及“建立节约型社会”的方针国策，使我国交通 事业朝着全面、迅速、健康、有序的方向发展。这些都将对我国公路建设水平提 出更高的要求。 我国公路事业发展的历史也是路面材料的发展史。目前很多新建高速公路沥 青路面产生早期损坏的原因，除了设计、施工方面的原因外，材料性能差也是很 重要的原因l l j 。因此若想提高沥青路面的使用性能，对材料进行改善是最根本的 办法。填料的使用就是其中一个不容忽视的问题。填料在沥青混合料中的作用至 关重要，沥青只有吸附在填料表面形成薄膜，才能对粗细集料产生粘附作用，所 以沥青矿粉混合料才是真正的沥青胶结料【2 j 。因此，虽然填料的用量在沥青混合 料中所占的比重并不大，但其与沥青形成的沥青胶浆却是影响混合料性能的关键 因素。填料的性质对混合料的高温抗车辙性、低温抗裂性能、抗水害能力及疲劳 性能等诸多性能都有重要影响。不掺加填料的沥青混合料，经过一定时间的使用 后，会出现路面达不到最佳密实度，防水性差，沥青油分含量低，进而导致面层 质量差、易剥落、松散，经行车使用后，面层易出现坑槽，大面集松散、脱落、 使用年限降低等问题。而采用级配合理，按设计配合比掺入一定比例的填料，就 不易产生上述质量问题口l 。因此，加强对填料性能的研究对于改善沥青混合料高 低温、水稳定性能都具有重大的意义! 然而，我国目前对填料的研究还没有引起足够的重视。一方面，与国外的标 准相比，我国对矿粉指标的要求过于宽泛，只做了简单的要求，如视密度、含水 量、粒度范围、外观和亲水系数等。欧洲c e n 标准对矿粉规定了大量的指标， 除细度、含水量外，还要求进行亚甲蓝试验、压实干矿粉的孔隙率、环球法软化 点差值t r & b 、矿粉的水溶性、水敏感性、碳酸钙含量、氢氧化钙含量，高质 量的矿粉要求碳酸钙含量9 0 ，氢氧化钙含量2 5 。c e n 还采用矿粉的“沥 青数”评价它与沥青的粘附性。矿粉密度不仅测定对水的表观相对密度，还要测 定在煤油中的浸渍密度，要求为0 5 o 9m g m 3 ，矿粉的比表面要求不大于 1 4 0 m 2 l 唱。有的国家还采用矿粉贯入度试验评定沥青矿粉结合料性能。在日本， 矿粉还要求进行遇水膨胀、抗剥离性能、受热变质及流值等多种试验。相比之下， 我国对矿粉的技术要求是较少的1 4 】。因此，从研究矿粉和沥青相互作用的角度对 工程中沥青填料的使用提出相对详尽的选用要求与标准具有非常实际的意义。 另一方面，填料的矿物成分、化学组成比较复杂，各种填料均有其独特的物 理化学性质，然而，究竟哪些性质会对混合料的路用性能产生影响，其影响程度 如何，都是我们所关心的问题。另外，现阶段对填料研究多集中在填料本身及混 合料性能方面，对沥青胶浆性能的研究相对较少。特别是对填料一胶浆一混合料 这三者性能的关联性缺乏系统的研究。因此，同时从胶浆和混合料的性能出发对 填料的性能进行研究，才能使填料的性能指标控制有的放矢、事半功倍。 以往沥青混凝土材料在配合比设计中集料要求采用碱性石料( 石灰岩，白云 岩或玄武岩等) ，随着沥青抗剥落剂的出现，硬度较大的酸性石料也开始应用于 沥青混凝土路面上。但是对于沥青混凝土中矿粉材料的采用，一般仍然要求用石 灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉。由于我国地源辽 阔，石料分布差异较大，有些地方要完全采用石灰岩或白云岩矿粉非常困难，因 此关于石灰、粉煤灰、水泥等代替矿粉使用的研究成为当今道路建筑材料研究新 的突破点。粉煤灰、水泥和石灰在国外也有相当长时间的应用，特别是在美国、 欧洲应用比较广泛，它的特点是水稳定性改善效果好，造价比使用s b s 等改性 沥青或使用抗剥落剂低。水泥和石灰中c a 0 含量一般较高，是活性较高的碱性 材料，具备作为矿粉的条件；粉煤灰与矿粉的物理性质比较接近、又非常廉价， 从经济和综合利用工业废料、减少环境污染的角度出发，用粉煤灰替代矿粉做填 充物，具有重大的社会经济效益。 我国目前也逐步开始重视替代矿粉使用的填料问题，在很多工程中都已经投 入了使用，且收到了较好的效果【5 6 】，但主要依靠经验使用，缺乏理论上的支持。 因此深入研究各种填料在混合料性能中所起到的作用，探索沥青与填料作用的机 理，并以此来指导实践是至关重要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 美国早在1 9 1 4 年出版的填料在沥青混合料中的作用【7 l 一书中，就阐述 了填料的作用。作者r i c h a r d s o n 假设填料在沥青混合料中的作用不仅仅是填充集 料骨架的空隙。之后在二十世纪三十年代的许多研究表明，填料可增大沥青胶结 料的劲度，且劲度的增长情况与填料的种类与细度有关。t r a ) 【l e r 经过研究发现 仅仅通过填料的尺寸和级配，尚不足以预测填料对沥青胶结料性能的影响程度。 v p p u z i n a u s k a s 在二十世纪六十年代的研究表明填料在沥青混合料中具有双 重作用：填充集料骨架空隙并为大集料颗粒问的接触创造条件：与沥青一起形成 高粘度的沥青一矿粉胶结料，并将集料粘结在一起。 多年来，许多国外研究学者对沥青混合料中沥青与矿料交互作用的机理方面 都做了大量的研究。前苏联的j la 列宾捷尔的研究【8 】认为：沥青与矿粉交互作 用后，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，在矿粉表面形成一层厚度为6 0 的扩散溶剂化膜。在此膜厚度以内的沥青称为“结构沥青”，在此膜厚度以外的 沥青称为“自由沥青”。结构沥青与矿料之间发生相互作用，并使沥青的粘度增 大，越是靠近矿料表面，其粘度就越大：而自由沥青与矿料距离较远，没有与矿 料发生相互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原来性质。前苏联a n 雷 西海娜等人的研究表明，碳酸盐和碱性石料单位面积上吸附的沥青数量多于酸性 石料。 对于填料对沥青混合料及胶浆性能的影响，j o s e p hc r a u s 等人也做了大量的 研耕9 叫2 1 ，研究了填料在一些物理、化学方面对填料一沥青体系和实际沥青混合 料的影响。在研究中，对六种填料进行了试验，研究了三种重要的物理、化学方 面：填料的几何特性，吸附强度和选择性吸附。这些物理化学性质的影响反映在 填料一沥青胶浆和沥青混合料的流变性能方面。 1 9 9 8 年美国国家沥青技术中心( n c a t ) p r i t h v js k a l l d h a i 等人对六种不 同的填料进行了一次系统的研究。采用了两种体积粉胶比o 3 和o 5 ( 分别相当 于质量粉胶比o 8 和1 5 ) ，研究了填料的硒g d e n 空隙率、粒径分析、甲基蓝试 验和德国矿粉试验：采用了动态剪切流变仪研究了沥青一矿粉胶结料的性能：通 过s u p e i p a v e 剪切试验( s s t ) 来研究不同填料对沥青混合料抵抗车辙和疲劳开 裂的性能；采用h 锄b u r g 车辙试验和冻融劈裂试验来评价不同填料对沥青混合 料水稳性能的影响。 国外对沥青胶浆也做了大量的研究1 1 4 】，美国e r b r o w n 等人对沥青胶浆进 行了研究。b r o 、v n 等人的研究目的在于建立胶浆规范，针对的是由沥青结合料、 细集料、填料和稳定剂组成的总胶泥。其初步实验结果表明，动力剪切流变仪 ( d s r ) 和弯曲梁流变仪( b b r ) 对于沥青胶浆的试验具有很好的表征性。 近几年，s m a 路面以其优良的性能引起了世界各国人们的广泛兴趣，在较 短的时间内得到了大面积的推广应用。由于s m a 良好的低温抗裂性和耐久性主 要取决于沥青胶浆一一沥青玛蹄腊的特性，因此道路研究者对沥青胶浆的性能更 加重视。美国的e r a yb m w n 等人对s m a 沥青玛蹄脂做了详细的研究【1 5 】，他将 细集料、矿粉、沥青和纤维组成的混合料称为粗玛蹄脂，将没有细集料只有矿粉、 沥青和纤维组成的混合料称为细玛蹄脂，对粗玛蹄脂进行了弯曲梁流变试验、回 弹模量、间接拉伸试验、布氏旋转粘度试验，细玛蹄脂进行了s u p e r p a v e 沥青结 合料试验，结果表面二者性能有很好的相关性。他还研究了不同填料对沥青玛蹄 脂性能的影响，研究结果表明，影响玛蹄脂性能的因素不仅仅是填料的细度，还 应该包括填料的物理和化学性能。 1 2 2 国内研究现状 在填料指标对胶浆及混合料性能影响方面的研究，同济大学的邵显智【1 6 1 7 1 等通过对四种矿粉组成的沥青胶浆性能的研究，得出矿粉的不同指标对其组成胶 浆性能的影响关系。通过研究表明，颗粒细、平均粒径小、矿物组成中粘土类物 质含量少以及比表面积较大的矿粉组成的胶浆具有良好的路用性能。并对指标进 行关联性分析，得出结论：平均粒径对沥青胶浆性能影响最大，密度其次，随后 是o 0 2 m m 以下的颗粒含量和矿物组成，影响程度最小的是比表面积。 长安大学的沙爱民、扈慧敏【8 】针对矿粉细度及用量对沥青混合料性能的影 响展开了深入的研究，并结合工程实际进行分析，得出结论：矿粉是沥青混合料 的重要组成部分，其细度及用量对沥青混合料性能有较大影响。矿粉用量过多会 影响混合料的水稳性能；在施工质量控制过程中应按选定级配的5 进行矿粉 细度控制；根据抗剥落性试验推荐了粉胶比的适宜范围o 9 1 4 ，并提出细集料 中o 0 7 5 m m 颗粒通过率应小于1 0 。 矿物填料对沥青混凝土稳定性的改善己在国内外有相当时间的工程实践，目 前国内外应用最普遍的填料是石灰岩矿粉，粉煤灰和水泥在国外也有相当长时间 的应用，利用水泥来替代部分或全部矿粉在国际上是比较普遍的方法。在我国粉 煤灰和水泥的应用较晚，在最近几年才得到广泛应用，这主要是由于我国公路事 业的发展较晚，特别是高等级公路的发展更晚所致。在粉煤灰和水泥得到应用的 同时，又出现了一些新的填料应用于沥青路面，如石灰、活化矿粉、e f 填料和k 硅粉等，但有的还是在试验阶段，如要用于实际工程还需进一步的研究。 用粉煤灰取代石灰石矿粉作沥青混合料的填料，国内己有大量的报道。东南耆 大学的钱杰等对沥青填料的性能进行了研究【19 1 。研究表明，粉煤灰是取代石灰i ： 石矿粉的良好材料，能保证工程质量降低造价，粉煤灰的品质好坏对沥青混合料 的技术指标有影响，但不十分显著，只要粉煤灰的烧失量、细度等符合规范要求， 均可作为沥青混合料的填料。用作填料的粉煤灰宜具有较低的s i 0 2 含量，较高 的c a 0 含量。粉煤灰做填料有利于提高沥青混合料的一些路用性能，不过在提 高混合料水稳性方面不如石灰或水泥，因此在多雨地区使用一般需要结合其他措 施使用。我国正处在开发研究阶段，并在某些工程实践中得到应用，如在中川高 速公路工程中，铺筑沥青混凝土路面，从室内试验和工程实践来看，效果较好。 在我国现行规范中提到可以采用水泥代替部分矿粉使用来提高沥青混合料 的水稳定性。很多研究【2 0 吨1 1 表明：掺加水泥能有效改善沥青胶浆及混合料的高 温性能及水稳定性，但对混合料低温性能影响不大。其改善机理是由于在矿粉中 加入水泥后可有效提高沥青胶浆的软化点，从而提高沥青混凝土高温条件抗变形 能力。但也有研究表明，较少的水泥掺量( 如l 2 ) ，往往不能起到良好 的抗剥落作用或者沥青混凝土的水稳性将不足，比例过高有可能会促使沥青的老 化，水泥替代矿粉的比例以不超过矿粉用量的6 0 为宜。 为了增加沥青和石料的粘附性，经常在沥青混合料中参加消石灰作为抗剥落 剂。早在本世纪5 0 年代，我国某些地区就曾使用过消石灰水处理矿料并取得良 好效果。近些年，国内外对消石灰代替部分矿粉作为抗剥落措施进行了不少研究 1 2 2 吨卯，试验结果一致表明，消石灰明显提高了沥青结合料和集料问的粘结力， 有效改善了沥青混合料的水稳定性和高温稳定性。具体的抗剥落措施有：1 用干 燥的磨细消石灰粉或生石灰粉作为填料的一部分，其用量宜为矿料总量的1 2 ；2 将粗集料用石灰浆处理后使用。但由于用消石灰水处理矿料的工程量太 大，工艺也更为复杂，实际工程中往往采用直接添加消石灰粉的方法，我国现行 规范中规定的消石灰粉的用量般为1 0 2 0 左右，常用的用量有l 、1 5 、 2 ，可根据实际情况进行选择。 此外，近年来还展开了对活化矿粉等新型填料的研究。王发洲等采用由 十二烷基磺酸钠与硬脂酸复合的f z 表面活性剂和壳牌7 0 # 沥青组成的活化物， 在掺量为o 5 条件下，利用球磨机制备出了能够显著提高沥青混凝土稳定性的 活化矿粉，并通过试验验证了改活化矿粉能够改善混合料的高低温、水稳及工作 性能。 姚立阳p j 等对利用当地较丰富的矿物研制而成的矿粉a 进行了深入的研究， 并通过试验证明：该填料能够改善混合料高低温性能，特别是对低温性能改善效 果良好，并具有定的抗剥落效果，其改性特点特别适合西部夏季炎热、冬季严 寒，年降雨量小于2 5 0 m m 的气候条件。 国内对于粉胶比方面进行了大量试验性的研究。国内张肖宁、邹桂莲2 7 喇1 等人应用d s r 对不同粉油比的胶浆进行了不同温度下的动态剪切试验，试验结 果表明：在设计沥青混合料时，提高粉油比可以显著改善胶浆的高温稳定性；降 低粉油比则可以有效地保证沥青混合料的疲劳抵抗能力。采用适宜的粉油比，则 可保证高温特性与疲劳特性的平衡。 长安大学的张争奇教授等对沥青混合料粉胶比进行了研究2 9 1 ，并采用s h r p 仪器动态剪切流变仪( d s r ) 和弯梁流变仪( b b r ) 对沥青胶浆的性能进行分析，试 验研究了粉胶比对沥青胶浆的高温性能和低温性能的影响。结果表明粉胶比对沥 青混合料性能有非常重要的影响，对粉胶比应进行合理的限制，如果从高温指标 分析，粉胶比不宜超过1 4 ：而从低温指标分析，粉胶比不宜超过1 2 ；在沥青混合 料设计中确定沥青用量和级配曲线时应严格控制粉胶比小于1 2 。 目前国内对填料在沥青胶浆及沥青混合料中影响的研究还没有得出系统的 研究成果，而且还缺乏根据现今我国公路工程中如何选用沥青混合料的填料提出 一个详细的、量化的标准。而这些都需要通过大量的试验和理论分析进行进步 的研究。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本文研究主要由以下几部分组成： 1 填料物理化学性质研究 对两种不同成分的石灰岩矿粉( 陕西泾阳矿粉、安徽毫州矿粉) 及粉煤灰、 水泥、矿渣粉、石灰进行物理化学指标的测试及分析，包括表观密度、亲水系数i 含水率、粒度组成、比表面积、颗粒几何性质、矿物成分、化学组成、粘土矿物 杂质含量、表面电荷等。 2 填料对沥青胶浆性能的影响研究 对各种填料组成的胶浆进行高、低温及疲劳性能研究，并分析粉胶比、填料 的物理化学性质等因素对沥青胶浆性能产生的影响。 通过测定粉煤灰、水泥、矿渣粉、石灰等填料在不同比例替代矿粉情况下沥 青胶浆的性能，找出合适的替代比例，建立填料性质与沥青胶浆性能之间的关 系，。 3 填料对沥青混合料性能影响的研究 对各种填料组成的沥青混合料进行高、低温及水稳定性能研究，评价不同填 料对沥青混合料性能的改善效果，分析填料对混合料性能的影响因素，并建立同 种填料组成的胶浆与混合料性能之间的关系。 4 填料与沥青相互作用机理分析 根据表面化学理论，从界面吸附现象、沥青对矿料表面的润湿性能与沥青的 表面张力、界面电现象三个方面论述了填料一沥青界面相互作用的情况，分析这 些作用的影响嘲素，并结合填料原材料性质、胶浆及混合料的宏观性能，对填料 与沥青之问的粘附一剿落机理进彳亍论述。 1 3 2 技术路线 本文以两耪不越来源的露灰岩矿粉及粉续l 获、东溅、矿渣粉、蠢获等填瓣为 研究对象，从垒面分析填料的物理、化学性质入乎，进而对不同种类填料组成的 胶浆进行研究，建立骥辩性质与胶浆性能之问的关系：通过试验研究不同种类填 糕缳或毂沥青澹合糕熬蛙糍，分拆填瓣蛙缓对混会精缝缝数影翡，分澍建立壤糕、 胶浆与混合料性能的关系；采用表筒化学理论对填料与沥青的作用机理进行分析 探索；最后结合国内实际情况提出影响混合料使用性能的关键性指标，并对规范 熬壤糖谬绘糖褥提出建议。舆钵的技术愚鼹霓盈l l 。 豳l i 援术慧路示意图 8 第二章填料的物理化学性质 填料作为沥青混合料中的组成成分在决定混合料的性质和状态中起着重要 的作用。然而，目前多数的研究主要建立在填料的工程性质基础之上，这些性质 与混合料性能之间的关系大多是由经验得出的。填料的某些物理化学性质对填料 一沥青体系有着直接、重要的影响，因此，对其物理化学性质进行深入的研究将 使填料在沥青混合料中的作用更加明朗。 本章以两种石灰岩矿粉、粉煤灰、水泥、矿渣及石灰为研究对象，进行了表 观密度、亲水系数、含水量等规范规定指标的测定，此外，运用了激光粒度分析 仪、氮吸附比表面积测定仪、z e t a 电位分析仪等新型测定仪器对填料的粒度、比 表面积、化学成分、有机质含量、表面电荷等性质进行了试验，并全面对比分析 了各种填料的物理化学性质。 2 1 物理性质分析 2 1 1 原材料的选择 本文研究选用的填料为具代表性的两种石灰岩矿粉：泾阳矿粉为石灰岩矿 粉，毫州矿粉为弱白云质灰岩矿粉，填料的具体来源如下表2 一l ： 表2 一l 填料的采集地区 填料 产地 泾阳矿粉陕西省泾阳县 毫州矿粉安徽省宿卅i 粉煤灰 北京首钢股份有限公司 水泥陕西秦岭牌3 2 5 号水泥 矿渣粉山西长钢瑞昌水泥公司 消石灰粉陕西西安 2 1 2 密度和含水量 矿粉的密度与其矿物组成及岩石构造有着密切的关系，研究所取的泾阳矿粉 为石灰岩矿粉，亳州矿粉为弱白云质灰岩矿粉，其密度见表2 2 。粉煤灰、矿 9 渣粉及石灰的密度较小，因此以它们作为填料掺墩不巍过商，否则可能会影响混 合料的总体性能。 填料的含水量均小于1 ，符合规范簧求，填料均无团结现象。含水量在规范 要求范甏内时，对沥青漓合籽住熊基本没有影晌。 壤精豹表鼹密度帮含求奉溺定分剐按照公路工稷集糕试验兢程( j t 弼5 8 2 0 0 0 ) 1 3 0 l 、公路工试验规程1 3 i l ( j 聪衡l 9 3 ) 麓定步骤进行试验。结鬃 如下表2 2 ： 表2 2 填料密度、含水量 填料泾阳矿粉 毫州矿粉粉煤灰水泥矿渣粉石灰 密度( g ，c m 3 ) 2 ，7 7 82 7 2 02 0 9 23 “7 2 3 7 72 + 3 3 2 含水量( ) 0 2 40 1 7 0 5 5o 5 7o 5 3o 1 2 2 1 3 粒度组成分析 粒度是描述颗粒系统的重要参数之一。粒度分振是测定填料颗粒大小和各粒 级分布状况的一种方法。目前我国公路沥青路面旅工技术规范中对于高速公 路、级公路使用填料细度的规定为：0 6 n l r l l 筛孔通过率应达到1 0 0 ；o 1 5 m m 筛孔通过率应大于9 0 ；0 0 7 5 m m 筛孔通过率应大于7 5 。可见规范对填料的 细度器求是比较宽泛的。然而，大黛研究表明填料的细度对沥青混合料的性能有 着显著的影晌，因此本文采用了一种快速、准确、非接触式的粒子尺寸测量仪器 激光粒凌分拆纹对壤籍酌粒菠组成及其分布邋行了深入的研究。 2 。l 。3 + l 试验仪器 本文采鼹的英爨m a l v e m ( 马尔文) 公司生产瓣鹾鑫s t e 搀i z e 垃g 0 0 激光麓魅粒 度分辑仪，能测试o 0 2 pm 2 o 壮m 藏困内滚体、固体和孚l 他渡斡越度。圈2 1 一a 为m a s l e f s i z e r 2 0 0 0 激光辑射粒度分毒斥仪，图2 一l b 为澄法测爨附l 譬 h y d r 0 2 0 0 0 m u ，即标准样品分散器，内鞭有没入式的搅拌棒、循环泵和超声波 探头。 该仪器基本原理是：一定波长的激光光束照射到测缀区，测量区中待测粒子 群产生光散射，并形成一定的空间光强分布，通过测定散射光强分布计算出被测 样品的粒废分布。其基本原理基于激光衍射法，激光法示意图见圈2 2 。 1 0 ( a ) ( b ) 图2 1m a s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光衍射粒度分析仪 ( a ) i 删钢 ( b ) 图2 2 激光法示意图 如图2 2 所示，由h e n e 气体激光器发射出的一定波长的激光( 波长为 6 3 3 n m ) ，该光束经过滤镜后成为单一的平行光束。在没有颗粒的情况下该平行 光通过富氏透镜后汇聚到后焦平面上，如图( a ) ：当通过适当的方式将一定量的 颗粒均匀地放置到平行光束中时，平行光将发生散射现象，一部分光将与光轴成 一定角度向外传播，如图( b ) ，散射光的角度与粒径的直径成反比关系，即小颗 粒引发的散射光角度大，大粒子引发的散射光角度小，同时，散射光强随角度的 增加呈对数规律衰减。 不同角度的散射光通过富氏透镜后在焦平面上将形成一系列有不同半径的 光环，组成明暗交替的光斑称为a 时斑。光环的半径大小对应颗粒粒径的大小， 光环光的强弱对应该粒径颗粒的数量多少。在焦平面上放置一系列的光电接收器 ( 检测器) ，将由不同粒径颗粒散射的光信号转换成电信号，并传输到计算机中， 通过米氏( m i e ) 散射理论对这些信号进行数学处理，就可以得到粒度分布。 2 1 3 2 控制参数的确定 利用激光粒度分析仪进行粒度分析时，控制参数的选择对测试结果影响较 大，毅越奏盛要对襻晶测量过弦审燕摹l 参数热滋逸择，款嚣镶证结果的漤确整积 可靠性。这些控制参数包括确定分散条件，如试样浓度、分散介质、泵逋、超声 波强度与超声分散时间，确定试样合理的光学特性系数等。经过试验确定出适合 填秘羧疫测试豹控蘩l 参数翔下： 表2 3 填料粒度测试的i 透宜控制参数 控制参数矿粉( 两种)粉煤灰水派矿渣粉丽灰 样品浓度 o 2 5 o 4 5o 2 5 o 4 5 o - 3 5 o 5 5o 。2 5 o 。4 5o 2 o 4 ( 肌) 泵遮 2 0 0 0 2 5 0 02 0 9 0 一2 5 0 02 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 02 0 0 0 2 5 0 0 ( 群撤趣) 超声强度 2 02 02 02 02 0 ( 端位移) 超声分数 5i 5i s1 51 5 时问( m j n ) 分散介质 蒸馏水蒸馏水蒸馏水蒸镶水蒸馏水 光学参藏 影响不大影响不大影响不大影响不大影响不大 的影响 2 1 3 3 粒度测试结果与分析 ) 矿糖 浆用球磨机将同一来源的石灰岩石料磨成三种不同细度的矿粉进行拳立度分 析( o 0 7 5 筛孔通过率分别在8 0 、8 5 、9 0 基右) ，粒发指标如表2 4 ，粒 凄分蠢翔鹜2 3 、2 4 ： 袭2 4三种不同细度矿粉粒度指标 样品名称泾田矿粉l泾辩_ l 矿粉2泾阳矿耪3 d l p m ) i 1 2 31 0 5 6o 9 0 2 d 3 0 ( u m ) 7 3 4 26 4 7 849 6 2 d “”m 2 9 6 7 22 8 - s 6 72 3 。2 9 9 7 5 u m 邋过率( ) 8 0 9 38 3 + 9 0 29 0 2 2 6 填料的细度模数参考了评价砂粗细程度的指树引，采用大于几个关键粒度 ( 7 5u m 、5 0 u m 、3 0 u m 、2 0 p m 、l ou m 、5 u m 、3u m 、1p m ) 的累计百分 率之和与1 0 0 之商。 4l 一一卜一 一 1 t i 期斓m 去等i 矿粉3 r l 35 ， 嬲+ 1 n ： 镕1 7j；| | | | 1 1 童 3 i 热| 矿糟2 卜 2 5 功 l 祗黼谇l 一 甚 ：l f 昭慕七笔 j l l 一一f = 膊目丰： j 撕；一一i 一一1 一 o ! r 十 ! 一，。 j 屯o l0 ill oi o o l o o oj 6 0 0 粒度( p 曲 图2 3 不同细度矿粉粒度分布曲线图 1 型卜卜 - 悯肛一* 蝌雌0 拉j 二i 矿粉2 | _ 崔；铙委二 = 午；_ l 驯一 ；7 0 一一f l 哪l 弭驯 生等斗t 内汰 多衙 1日刊二 ， i i 。zi l 一 ：j ! ；：；簪 j ： i 一一 一 * l 一 口v 剿一 * 蚕爨5 0 一h 寸 引卜 j 睁 带i * 6”- j：i 憋壬 搬_ 一嗍卜一 书斗磷妊一扫1 ：e 一| _ i 绀洲。一。 l b ；lo1“r 一j i1 0 0一黼丽o o 粒席( u 衄) 图2 4 不同细度矿粉下累计粒度曲线图 2 ) 其他填料 对各种填料进行粒度分析，结果如表2 5 ，粒度分布图见图2 5 、2 6 表2 5 不同填料粒度指标 样品名称泾阳矿粉毫州矿粉粉煤灰水泥矿渣粉石灰 d l “u m ) 】2 7 81 5 4 92 7 2 62 7 3 55 7 2 32 8 6 3 d 3 “l lm ) 92 47 2 8l o4 9 31 0 2 41 1 0 9 97 6 9 7 d 6 “u m ) 3 4 0 6 12 2 0 1 83 5 2 52 7 4 8 11 9 0 7 51 5 5 0 9 7 5 u m 通过率( ) 8 4 2 3 59 0 5 6 68 4 8 2 99 2 4 8 29 8 0 6 89 80 2 2 细度模数4 - 3 74 2 04 8 3 4 5 24 1 93 7 5 图2 5 填料粒度分布图 图2 6 填料下累计粒魔曲线 对骧上试验续果分凝翔下： 1 ) 不同细魔的矿粉在0 0 7 5 m m 筛孑l 的通过率分别为8 1 ( 泾阳矿粉1 ) 、 8 4 ( 洚鞫矿精2 ) 、粥( 泾鬻矿耪3 ) ，通过粒度分蠢闺可瑷番出，矿粉l 的 粗颗粒含量较多，特别是1 0 0 pm 6 0 0 pm 的粗颗粒是矿粉3 的两倍以上，1 2 i m 1 p m 的颗粒裾对较少，特别是小于3n m 的细颗粒含量和矿粉2 、3 褶 麓很多，细颗粒的大量减少将在很大程艘上影响犷粉与沥青接触藤，因此埯对嚣 者之间的粘附性有不良的影响。矿粉2 与矿粉3 的粒度分布曲线殿下累计粒度曲 线基本走势楣嗣，矿羚3 蜘粒度总馋上魄矿羧2 要奎，姆捌是枣予3 # m 瓣缨颓 粮含量较高。 矿渣粉、石灰豹粒缀分毒浇较集中，主要敕径集中程1 0pm 鬻近，溪鬻矿 粉、毫州矿粉、粉煤灰和水泥粒径分布比较均匀，主要粒径集中在l o pm 1 5 pm 范酗内。泾阳矿耪和藏娴矿粉小予2l lm 的细颗粒含羹眈其他几种填料要高。 2 ) 靓范对矿粉的细度要求采用o 0 7 5 m m 筛我的通过搴来控制，标准过于宽 泛，只能说明粗颗粒的情况，不熊表征矿粉总体纲度情况；粒度分布图以及下累 计粒度曲线虽然熊直理、准确懿反应矿耪靛疫的糕缨及分奄情嚣，瞧缺乏定量弱 描述，特别是当各种填料的粒度分布曲线形状、走势相差较大时，便更加难以判 4 断，因此还需找出一种能够综合反应矿粉总体细度的指标加以评定。因此本实验 采用细度模数作为评价矿粉细度的指标，该指标参考了评价砂粗细程度的指标一 一细度模数，计算方法为大于关键粒度( 7 5u m 、5 0 u m 、3 0 i i m 、2 0 p m 、1 0 | l m 、5 l l m 、3p m 、lu m ) 的累计百分率之和与l o o 之商。细度模数越小，表 示填料粒度总体越细。 3 ) 从细度模数可以看出各种填料总体粒度水平，各种填料的细度优劣排序 为：石灰 矿渣粉 毫州矿粉 泾阳矿粉 水泥 粉煤灰。 2 1 4 比表面积分析 比表面积是指单位质量集料的总表面积( m 2 g ) 。在沥青混合料中填料的用 量虽然只占百分之几，但其表面积却占矿质混合料的总表面积的8 0 以上，而 不同填料由于物质种类、粒度、表面性质的不同，比表面积也有很大的差异，这 对沥青混合料的各种性能都有重要的影响，因此，比表面积是填料性质的一个重 要指标。 目前，常用的比表面积测定方法有气体透过法和吸附法两种。 ? 1 ) 气体透过法 其原理是基于k o z e n y c 猢a i i 关于层流状态下气体通过固定颗粒层时透过“ 流动速度与颗粒层阻力的关系式( 2 一1 ) 。即一定量的空气通过具有一定空隙率和 固定厚度的粉体层时，所受阻力的不同而引起流速的变化。在一定空隙率的粉体 层中，孔隙的大小和数量是颗粒尺寸的函数，同时也决定了通过料层的气流速度。 廿；5 s ，2 “三羔半 ( 2 1 ) 式中：p 粉体层的阻力；s ，粉体的比表面积； u 一气体的透过流动速度； p 气体的粘度； l 粉体层的厚度；e 粉体层的空隙率。 气体透过法测定粉体比表面积应用最广泛的是b l a i n e 法( 又称勃氏法) 。 g b 8 0 7 4 8 7 规定采用勃氏透气法来测定水泥的比表面积。勃氏透气仪适宜测定的 比表面积值范围在2 0 0 0 一6 0 0 0 c m 2 儋，测定值超出这个范围时，应采用其他仪器设 备来测定。 2 ) 吸附法 吸附现象是粉体比表面积测定的基础。对于气一固接触颟来说，由予嘲体表 委鹃分子受嚣囊分予捧熏面楚予受力不平鬟虢态，簌瑟产生一个藕余力璐，霹戳 对气体分子产生吸附作用。当气体分子与表面撩近到一定程度时，气体分子就会 被固体表面吸附，憾被吸附的分予仍是在不断远动的。如果这种运动能克服固体 表霪艇雩l 力，囊鼗吸辫豹气髂分予会离豸表蘑逢残魏辩，在一定条嵇下，啜鬻与 脱附之间可以建立动态平衡。 | 驶附法主要以氮吸附法为主，即在液氮的濒度下，在鬟空系统中，测试不同 压力瓣试撵表嚣瑕辩麓氢气量，并援蹇暖澍等瀑方程，最器求葵凄试撵鞠院袁嚣 积。蹦前描述吸附现象比较重要的数学方程有朗缪尔( l a n g m 棚r ) 吸附等濑方程、 b e t 吸附等温方程m 。 勰缪零蔽爨又称为理想蔽辩，也是最篱苹常臻熬骧辩模登，簿摹分子吸辫模 型。冀吸附等温方穰见式( 2 2 ) ： p ，v 嚣l ，髭+ p v m ( 强) 式串；r 较辫艇蒸气蔽辩平衡对豹压力；v 吸浆量( s 豫m 魄) ； k 吸附平衡的平衡常数；vm 单分子层饱和畈附量( s t p ，m 1 g ) 。 惠式( 2 4 ) 翘，蔫咖辫p 终匿器重是一条壹缓。其斜率舞l ，v m ，猿鼯隽 ，vm k ，由此可戳墩出荜分子整饱和瑷掰量vm 。 b e t 吸附等温方程是由布朗诺尔( b r u n a u e r ) 、埃米特( e m m e t t ) 和豢勒 ( 殛l e r ) 提出的吸辫等漫方程，为多努子屡皲黼模型。凇啜辩等瀑方程晁式 ( 2 3 ) ： 旦。l 丛旦 热一砖cv 。c 蕊 2 ，3 ) 式中：p o 强酣潞度下吸酣葳豹饱和蒸气魇；广吸辩殿蒸气吸酣平衡时的 压力： c l 琰嚣方程e 霉数； v 茁一挚分子瓷器啜瓣鐾。 由试( 2 3 ) 可嫩，当物理暇附的试验数攥按p v ( p 0 1 p ) 与p p o 作图时成得一 条真线。直线的斜举m = ( c i ) ，v m c ，在纵轴上的截距为船1 ，v m c ，由此w 以求 出b 嚣t 方程魏e 常数窥挚分子慧镶帮暖辫量vm 。 幽( 式2 - 4 ) 可戳计算出试样的比表面积s g ； 驴小蒜刈0 。” ( 2 - 4 ) 式中：s g 比表面积( m 2 ，g ) ；a m 每一吸附质分子的平均横截面积( 岫) 2 ： n a 阿伏加德罗常数( 6 0 2 1 0 2 3 ) ；v m 单分子层饱和吸附量( m l 幢) 。 氮吸附b e t 法被认为是测量颗粒物质比表面积的标准方法。b e t 法通常还 分为单点法和多点法。单点法，即将p ，p 0 在o 2 0 0 2 5 左右的一个实验点和原点 相连，由它的斜率的倒数计算v m 值。相对单点法，常规b e t 作图测定比表面 积要进行多个实验点( 一般取五点) ，因此称为多点法。 2 1 4 1 试验仪器 本试验所用的是美国m i c r o m e r i t i c s ( 麦克) 公司生产的a