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第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023李倍安,付立勇,李士东,等.集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用的影响研究J.公路交通技术,2023,39(3):15-19.LI Beian,FU Liyong,LI Shidong,et al.Effect of chemical composition characteristics of aggregates on the bonding of asphalt-aggregate interfaceJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):15-19.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.003基金项目:重庆市自然科学基金项目(cstc2021jcyj-msxmX0854)收稿日期:2022-11-12作者简介:李倍安(1988),男,广西壮族自治区容县人,本科,高工,主要从事高速公路的建设管理工作。E-mail:354260958 。集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用的影响研究李倍安1,付立勇1,李士东1,王 凤2(1.广西新祥高速公路有限公司,南宁 530022;2.招商局重庆公路工程检测中心有限公司,重庆 400067)摘 要:为研究集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用的影响,分别采用 5 种氧化物粉末(MgO、Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2)与克拉玛依 70#沥青混合并制备成沥青胶浆,利用动态剪切流变仪(DSR)测试沥青胶浆的相位角,并以K.Ziegel-B 参数表征沥青-集料界面粘结作用。试验结果为:1)45 时,5 种氧化物与沥青的 K.Ziegel-B 比值为15.0 6.9 5.7 4.6 1;2)55 时,K.Ziegel-B 比值为 9.1 9.5 6.5 3.9 1;3)65 时,K.Ziegel-B 比值为5.3 6.0 3.3 1.2 1。研究结果表明:1)温度和荷载频率越高,沥青-集料界面粘结作用越弱;2)在同一温度或同一荷载频率作用下,MgO 和 Fe2O3是影响沥青-集料界面粘结作用最重要的 2 种氧化物;3)(MgO+Fe2O3)含量可作为路用集料优选的重要指标之一。关键词:集料化学成分;界面粘结;流变性能;DSR文章编号:1009-6477(2023)03-0015-05 中图分类号:U414 文献标识码:AEffect of Chemical Composition Characteristics of Aggregates on the Bonding of Asphalt-Aggregate InterfaceLI Beian1,FU Liyong1,LI Shidong1,WANG Feng2(1.Guangxi Xinxiang Expressway Co.,Ltd.,Nanning 530029;2.China Merchants Chongqing Highway Engineering Testing Center Co.,Ltd.,Chongqing 400067)Abstract:In order to study the influence of aggregate chemical composition on the bonding effect of asphalt-aggregate interface,five oxide powders(MgO,Fe2O3,Al2O3,CaO,SiO2)were mixed with Karamay 70#asphalt to prepare for asphalt mortar.The phase angle of asphalt mortar was tested by dynamic shear rheometer(DSR),and the bonding effect of asphalt-aggregate interface was characterized by K.Ziegel-B parameter.The test results show that the K.Ziegel-B ratio of five oxides to asphalt is 15.0 6.9 5.7 4.6 1 at 45,the K.Ziegel-B ratio is 9.1 9.5 6.5 3.9 1 at 55,the K.Ziegel-B ratio is 5.3 6.0 3.3 1.2 1 at 65.These results show that the higher the temperature and load frequency,the weaker the bonding effect of asphalt-aggregate interface.In the same temperature or load frequency,MgO and Fe2O3 are the two most important oxides affecting the bonding of asphalt-aggregate interface.The content of(MgO+Fe2O3)can be used as one of the important indexes for the optimization of road aggregate.Keywords:chemical composition of aggregates;interface bongding;rheological properties;DSR 目前,沥青路面早期病害时有发生,但越来越多的研究表明,沥青混合料的路用性能与沥青-集料界面粘结作用有很大关系1-5。沥青与集料的界面粘结作用直接影响沥青混合料的路用性能,沥青与集料的界面粘结作用越强,沥青混合料的路用性能越好,反之越差6。同时,沥青与集料的界面粘结作用影响因素较多,主要为集料的化学成分特性、表面构造,沥青的流变性、电荷极性、成分等因素。国内外较多学者对沥青-集料界面粘结作用的影响因素进行了研究,汪海年等7以 4 种集料为研究对象,基于表面能理论和分子动力学模拟方法,并辅以室内试验验证,研究了集料氧化物相对分子质量比(OR)对沥青-集料界面粘附性能的影响。谭忆秋等8通过温度和荷载频率对沥青胶浆相互作用能力的影响,对比验证了剪切模量、粘度系数、交互作用系数 Luis Ibrarra-A 和 K.Ziegel-B 等 4 种评价参数对沥青胶浆相互作用能力的相关性,结果表明K.Ziegel-B 参数更灵敏。豆莹莹等9以表面能理论、衰减全反射红外光谱(FTIR-ATR)和原子力显微镜(AFM)等宏微观角度研究了水对沥青和集料界面相互作用的影响,结果表明水的进入削弱了沥青和集料界面相互作用能力,从而导致水损害的出现。梅迎军、王志祥和王岚等10-12基于灰色关联法、数字图像以及灰熵分析等研究了集料表面形态特征、沥青种类以及外部水冻融循环对沥青和集料界面粘附性能的影响,结果表明影响程度从大到小排序为集料表面形态特征沥青种类盐浓度冻融循环次数老化水平。综上所述,目前较多研究从集料种类、表面形态特征、沥青性质以及外部荷载因素等对沥青-集料界面粘结作用进行研究,但从集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用影响的研究较少。因此,本文采用动态流变剪切试验 DSR,研究不同的集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用的影响,从而为工程实践中优选路用集料提供指导。1 动态剪切流变试验1.1 试验目的为研究集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用的影响,通过文献资料搜集,选用路用集料中含量最高的 5 种氧化物成分(MgO、Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2)13,分别与同种沥青制备沥青胶浆,采用动态剪切流变试验研究上述不同氧化物对沥青-集料界面粘结作用的影响。1.2 原材料70#A 级克拉玛依道路石油沥青(KLMY)的基本性能见表 1;5 种氧化物粉末经方孔筛筛得 0.075 mm 以下部分,其基本性能见表 2。表 1 70#A 级道路石油沥青(KLMY)基本性能Table 1 Basic performance of 70#A grade road petroleum asphalt(KLMY)沥青种类针入度(25,100 g,5 s)/(0.1 mm)延度(5 cm/min,15)/cm软化点(环球法)/KLMY-70#7311849表 2 经方孔筛筛得 0.075 mm 以下部分的氧化物Table 2 The oxides below 0.075 mm obtained by square hole sieve检测指标SiO2MgOCaOFe2O3Al2O3纯度/%9898989898性状白色粉末白色粉末白色粉末深红色粉末白色粉末相对密度/(g cm-3)2.413.553.255.193.981.3 样品制备与试验方法分别采用 5 种氧化物粉末与 70#A 级克拉玛依道路石油沥青混合,并制备成沥青胶浆。制备过程和试验方法如下:1)在 140 高温下,将沥青加热并保持该温度持续 1 h;在 105 高温下,对氧化物粉末进行加热烘干至恒重,持续 0.5 h。2)在 140 高温下对沥青和氧化物粉末进行搅拌,搅拌时间持续至沥青胶浆表面均匀为止。3)动态剪切流变试验中平行板采用 8 mm,间距为 1 mm,应变为 1.2%,扫描频率为 0.1 Hz10 Hz,试验温度分别设置为 45、55 和 65。61公 路 交 通 技 术 第 39 卷1.4 K.Ziegel-BK.Ziegel-B 可用于表征沥青与集料界面粘结效果的指标,具体计算公式如下:tan c=tan m/(1+fB)(1)B=(tan m/tan c-1)/f(2)式中:c为填充体系相位角,();m为聚合物基体相位角,();f为填充剂体积分数,%;B 为填充剂-基体相互作用参数。对沥青胶浆两相填充体系来说,沥青是基体,石粉是填充剂,c为沥青胶浆的相位角,m为基质沥青的相位角,f为矿粉的体积分数,B 值为沥青和集料界面相互作用参数。B 值越大,表明沥青和集料相互作用能力越强,粘结越好。2 试验结果与分析2.1 沥青胶浆的相位角5 种不同沥青胶浆相位角变化见图 1。从图 1 可以看出,掺加 5 种氧化物粉末的沥青胶浆均较未掺加氧化物粉末的沥青胶浆相位角有减小的趋势。相关研究表明14,相位角降低意味着复合材料之间发生了物理化学反应,而相位角不变意味着复合材料之间并未发生物理化学反应。因此,5种氧化物粉末与普通基质沥青混合后相位角出现减小的趋势,表明 5 种氧化物粉末均与沥青发生了物理化学反应,从而导致沥青与集料界面特性发生了变化,影响了沥青与集料界面粘结作用。从图 1 还可以看出,在 45 65 温度范围内,KLMY 普通基质沥青的相位角变化值为 8.85;掺加 SiO2、CaO、MgO、Fe2O3和 Al2O3的沥青胶浆相位角变化值分别为 8.81、9.22、12.56、9.01和9.03。综上可以看出,沥青胶浆相位角变化值由大至小依次为:MgOCaOFe2O3Al2O3SiO2。(a)45 时(b)55 时(c)65 时图 1 不同试验温度下 KLMY 基质沥青与 5 种沥青胶浆的相位角变化Fig.1 Phase angle variation of KLMY matrix asphalt and five kinds of asphalt mortar at different test temperatdure2.2 沥青胶浆的界面粘结作用能力将 5 种沥青胶浆的试验数据代入式(1)和式(2)进行计算,不同试验温度下 5 种胶浆的 K.Ziegel-B 值结果见图 2。从图 2 可以看出,在同一温度下,随着荷载频率增加,沥青胶浆的 K.Ziegel-B 值均呈现出逐渐减小趋势,表明荷载频率增加对沥青与集料界面粘结作用具有不利影响;在同一荷载频率下,随着温度增加,沥青胶浆的 K.Ziegel-B 值均呈现出逐渐减小趋势,表明温度增加对沥青与集料界面粘结作用具有不利影响。(a)45 时71 第 3 期 李倍安,等:集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用的影响研究(b)55 时(c)65 时图 2 不同试验温度下掺加不同粉末的沥青胶浆的K.Ziegel-B 值Fig.2 K.Ziegel-B value of asphalt mortar mixed with different powders at different test temperature当温度为 45 时,掺加不同氧化物粉末的沥青胶浆 K.Ziegel-B 值由大至小排序为:MgOFe2O3Al2O3CaO SiO2;K.Ziegel-B 值分别为:15.0 6.9 5.7 4.6 1。当温度为 55 时,掺加不同氧化物粉末的沥青胶浆 K.Ziegel-B 值由大至小排序为:Fe2O3MgOAl2O3 CaO SiO2;K.Ziegel-B 值分别为:9.1 9.5 6.5 3.9 1。当温度为 65 时,掺掺加不同氧化物粉末的沥青胶浆 K.Ziegel-B 值由大至小排序为:Fe2O3MgOAl2O3 CaO SiO2;K.Ziegel-B 值分别为:5.3 6.0 3.3 1.2 1。2.3 集料化学成分对沥青-集料界面粘结作用的影响综上分析可知,在同一温度或同一荷载频率下,集料化学成分对沥青胶浆 K.Ziegel-B 值具有不同程度的影响,集料中的 MgO 和 Fe2O3含量对沥青与集料界面粘结作用影响最为显著。因此,MgO 与Fe2O3的含量可作为路用集料优选的重要指标。路用集料是由不同化学成分组成,其内部复杂的化学组成导致了不同路用集料具有不同的物理和化学性质。沥青材料作为弱酸性有机化合物,根据酸碱理论,集料中的氧化铁、氧化镁等碱性化合物更易与沥青发生化学反应,因而粘附性较好。以氧化铁、氧化镁、氧化钙和羧酸等化学反应方程式为例,分析如下:2RCOO-+2H+CaO=(RCOO)2Ca+H2O2RCOO-+2H+MgO=(RCOO)2Mg+H2O6RCOO-+6H+Fe2O3=2(RCOO)3Fe+3H2O该类化学反应后生成难溶盐,这种难溶盐较易吸附在集料的表面,结构稳定性较好,因而掺加MgO 和 Fe2O3粉末的沥青-集料界面粘结作用较好;但对于 SiO2粉末而言,该类粉末较难与沥青发生化学反应,因此,遇水条件下较易破坏,结构稳定性较差,掺加 SiO2粉末的沥青-集料界面粘结作用较差。3 结论本文主要研究集料化学成分特性对沥青-集料界面粘结作用的影响,采用 K.Ziegel-B 作为界面粘结作用的评价指标,并基于动态剪切流变试验对不同种类的沥青胶浆进行分析,揭示集料中主要氧化物成分对沥青-集料界面粘结作用的影响规律,主要结论如下:1)掺加 5 种氧化物的沥青胶浆相位角均较原普通基质沥青降低,表明这 5 种氧化物粉末均与沥青发生了化学反应,其中掺加 MgO 粉末的沥青胶浆相位角变化值最大,其次是 CaO、Fe2O3、Al2O3粉末,SiO2粉末相位角变化最小。2)温度和荷载频率对 5 种氧化物粉末的沥青-集料界面粘结作用均有不利影响,且在同一温度和同一荷载频率下,MgO 和 Fe2O3粉末是影响沥青-集料界面粘结作用最重要的 2 种氧化物。3)根据本文研究结果,路用集料调查中,MgO与 Fe2O3的含量可作为路用集料优选的指标。参 考 文 献References1 张登良.沥青路面M.北京:人民交通出版社,1999.ZHANG Dengliang.Asphalt pavement M.Beijing:China Communications Press,1999.2 辛德刚,王哲人,周晓龙.高速公路沥青路面材料与结81公 路 交 通 技 术 第 39 卷构M.北京:人民交通出版社,2003.XIN Degang,WANG Zheren,ZHOU Xiaolong.Material 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