矿粉性质对沥青混合料性能的影响研究

 矿粉性质对沥青混合料性能的影响研究

王天伟

天津市政工程设计研究总院有限公司，天津300000

摘要：沥青混合料是一种多重空间网状结构的分散系，主要由粗集料、细集料、填料及沥青组成。虽然矿粉的含量在沥青混合料中所占的比例很小，但是其对沥青混合料的影响却是十分重要的，因此研究矿粉性质对沥青混合料的性能影响十分有意义。

关键词：矿粉；沥青胶浆；沥青混合料；研究方法

0 引言

沥青路面是我国普遍使用的一种路面形式，随着交通荷载的逐渐增加，交通量的日益增长，由此引发的沥青路面的损害现象也越来越严重。过去经常通过添加添加剂来改善沥青混合料的性能，但是对于影响沥青混合料性能最重要的矿粉的性质，却没有全方位、系统性的研究。然而由于矿粉的组成结构复杂，成分不一，究竟哪些性质对沥青混合料的性能影响重要，影响程度如何，我们不得而知。因为，本文将对国内外在矿粉方面的研究进行一个系统性、全方位的论述。

1 矿粉的性质

现行的《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004)中对矿粉的使用要求仅有一条规定，“沥青混合料的矿粉必须采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，原石料中的泥土杂质应除净；矿粉应干燥、洁净，能自由地从矿粉仓中流出”，技术指标有7条。

1.1矿粉的物理性质

（1）粒径

由于在沥青混合料中，只有粒径小于0.075mm的矿粉才能与沥青形成结构沥青，因此矿粉中粒径小于0.075mm的部分所占的含量就成为衡量矿粉的性能的重要性质。以往的实验主要是通过筛分实验来获取矿粉中粒径小于0.075mm含量的占比，随着实验方法的改进，为了更加准确的分析矿粉的组成，可以通过激光粒度分析仪来对矿粉的细度进行划分。

（2）比表面积

比表面积是指单位质量矿粉的总表面积。虽然矿粉在沥青混合料中所占比例较小，但是由于矿粉的粒径较小，因此其比表面积却占集料的总表面积的80%以上。

（3）亚甲蓝值

亚甲蓝试验的试验结果通常用MBV来表示，它反应的是矿粉与水混合后对亚甲蓝的吸附程度。亚甲蓝实验能够综合反应矿粉的级配组成、粒径形状、化学性质等因素。

（4）Rigden空隙率

Rigden空隙率指的是矿粉在干燥的条件下，被压实后，所残存的内部空隙。沥青与矿粉形成沥青胶浆后，会填充这些空隙，形成结构沥青，剩余的则会形成自由沥青。

（5）德国矿粉值

德国矿粉值是通过吸收15g煤油所需的矿粉的数量来评价矿粉的性质，以mGF作为该试验的指标。

（6）棱角特性

矿粉的棱角性能够反映矿粉尖端的角度的变化，矿粉的棱角性越大，矿粉的角度变化的就更加尖锐。为了描述矿粉的棱角性，采用等效椭圆的概念。等效椭圆在建立时需要保证与矿粉有相同的面积、一阶矩和二阶矩。集料的棱角性可以通过棱角性指标来表示。

（7）纹理特性

纹理特性主要是指矿粉表面的粗糙度和波纹度，粗糙度主要是指矿粉表面的峰谷之间的间距，波纹度指的是矿粉表面的峰谷呈现一定的周期性的重复。

1.2矿粉的化学性质

填料的晶体组成能够影响到填料与沥青的粘附性。在道路建设中主要使用的矿粉主要由石灰岩组成，其化学组成主要为CaCO3和Ca（OH）2，含有少量的SiO2，而沥青表现为酸性，所以填料的碱性越强，越容易与沥青结合。如今测量矿粉的晶体组成的方法主要有X射线衍射仪、X射线光电子能谱等

2研究方法

目前矿粉对沥青混合料的影响的研究方法主要有以下几种：

2.1灰色关联法

灰色关联法是通过计算来得到不同的因素与研究对象的关联度，通过关联度的大小，可以判断这种因素对研究对象的影响程度，关联度越大，对结果的影响越大。首先确定研究对象与影响因素，把研究对象的一些参数值称为参考数列，通过比较数列与参考数列之间的计算，得出关联系数，最后对每一个关联系数组合值求平均值，即可得到关联度。

2.2人工神经网络

人工神经网络是由大量神经元节点互连而形成的复杂网络，是一种模拟人脑结构和功能的数学模型，它能够模拟一切非线性的事物，因此被广泛应用于各个学科。人工神经网络可以被用来研究矿粉对沥青胶浆性能的影响。以往的研究矿粉对沥青胶浆性能的影响，多是采用重复实验，来判断矿粉对沥青混合料的影响，而通过人工神经网络的模型，可以减少实验量，通过模型来预测矿粉对沥青混合料的影响，可以减少实验量，这具有十分现实的意义。目前的人工神经网络的算法中，比较常用的是BP算法，它是一种多层网络的误差反向传播学习算法。

2.3热力学方法

表面自由能（SFE）可以用来计算沥青胶浆和骨料之间的粘附性能，其意义为改变单位面积所引起的热力学的变化值。材料的SFE可被分解为单极碱分量、单极酸分量和色散分量。粘附是指骨料和沥青胶浆的界面强度，粘附功可以被看成是将粘附在一起的两相剥离成独立的两相，所需要做的功，对于沥青胶浆与集料体系，粘附功的计算公式如下：

式中：下标A、S和W分别代表沥青、骨料和水；

和可以通过上式中相应沥青、骨料和水的SFE分量来计算。

根据干湿状态下粘附功的大小，矿粉的影响可以通过下列两个指数来计算。

式中：下标A沥青；F沥青胶浆；

  、分别为干态和湿态下沥青胶浆和集料之间的粘附功；

、分别为干态和湿态下沥青和集料之间的粘附功。

能量比（ER）是指干湿状态下粘附功的比值，可以用来确定粘附性，且在水存在下抗剥离性较高的组合。

基于SFE分量对不同能量参数进行计算，并以此来评价沥青胶浆与集料的粘附性。根据A值及能量比，可以判断不同的矿粉对沥青胶浆的粘附性的影响。

3结束语

矿粉在沥青混合料中有着极其重要的作用，因此，对于矿粉在沥青混合料中的作用机理以及矿粉的选择，矿粉性质的要求，应当不断的改进研究方法，促进矿粉的应用和质量的提高，以满足日益增长的行车环境的需要，提高道路的投资效益。

参考文献（References）:

[1] 高莉宁,李廷,贾秦龙,夏慧芸,陈华鑫.用热力学方法评价矿粉对沥青一骨料界面的影响[J].中外公路，2014（04）:250-255

[2].徐文毅.沥青-矿粉相互作用行为多尺度表征及界面粘附机理的分子动力学模拟[D].浙江:浙江师范大学,2021.

[3] 张顺先,陈仕周,刘艳,张鸣功.基于灰熵法分析研究矿粉指标对沥青胶浆高温性能的影响[J].中外公路，2009（04）:237-240

[4].王叶丹.沥青-矿粉相互作用行为多尺度表征及界面粘附机理的分子动力学模拟[D].浙江:浙江师范大学,2021