沥青混合料中的矿质填料通常指矿粉，它依靠非常大的表面积与沥青结合，从而避免沥青的流淌，并形成沥青胶浆混合料，在真正意义上起到沥青混合料的黏结作用^[1]。文献研究通常认为，矿粉可以增加沥青胶泥的模量，提高软化点和模量值，对提升混合料整体强度有很大影响，沥青胶泥作为一个材料系统对沥青混合料的水稳定性有着直接的影响^{[2, 3, 4]}。但这些研究很少对矿粉物理指标进行讨论，加之我国行业技术规范中仅仅强调矿粉的细度，如0.6，0.15，0.075 mm粒径之下的粒度范围，对其物理指标也仅限于密度、含水量、外观、亲水系数、塑形指数等^[1]远远不如国外标准要求得多。因此，我国对矿粉的研究还需要重视。

本文通过常规指标和流变性质的研究，研究不同矿粉的物理指标及其对沥青胶浆模量增效的影响模式，并与天然沥青粉进行性能对比，考察矿粉对沥青的改性效果。

本文采用两种基质沥青和两种改性沥青为考察对象，其中基质沥青为中海36-1基质沥青(ZH70)和韩国双龙70号(SL70)A级沥青，SBS改性沥青为山东华瑞道路材料公司、山东路通公司提供的1-D类(分别记为SBS-I，SBS-II)。两种沥青的性能指标见表 1。

试验采集了一些石灰岩矿粉、火山灰、不同石质的回收粉，代号及物理指标如表 2所示，其中两种石灰岩质矿粉采自山东长青(CQ)、阳谷料场(YG)，石灰岩回收粉(SHH)及玄武岩质回收粉(XW)采集自山东路桥养护公司济南拌和站，火山灰采集自吉林白山砾子河。为胶浆配置和考察的严谨，所有矿粉均过0.075 mm筛孔。其中，矿粉的亚甲蓝值并未在我国公路沥青路面施工技术规范中规定^[5]，但在公路工程集料试验中用于体现细集料的洁净程度，其目的在于确定矿粉中的膨胀性黏土矿物含量，以MBV值表示^[6]。数据表明，在火山灰和回收矿粉中，MBV值较高，黏土含量两倍多于两种石灰岩矿粉；同时，石灰岩质矿粉随着MBV值的提高，即黏土含量的增加，矿粉的亲水系数有所增高，亲油能力衰减。

在胶浆配置中，选取0.075 mm筛孔以下的矿粉使用，并予105 ℃烘干，使整体矿粉干燥、能够自由流淌。配置程序为：在拌和温度下，将沥青加热融化，一边将热矿粉缓慢加入，一边搅拌，直至形成均匀胶浆样品，制样检测。主要检测的物理指标为针入度、软化点；并利用动态剪切流变仪对其50 ℃ 下的黏弹性参数进行了采集，所采用仪器为AR2000EX动态剪切流变仪，试验温度60 ℃，平行板25 mm，间隙1 mm，应力100 Pa，剪切频率10 rad/s。表 3为不同沥青胶浆的常规指标数据，表 4为60 ℃下的黏弹性数据。

(1)针入度、软化点

图 1为沥青胶浆的针入度、软化点变化趋势图。可以看到，胶浆针入度随着粉胶比的增长而呈线性降低的趋势，软化点则随粉胶比增长而线性升高； ZH70，SBS-I，SBS-II改性沥青胶浆的变化特征也是如此。从中可以归纳这两个常规指标随粉胶比的拟合公式(详细见表 5)，发现其拟合关系良好，且都呈现出式1所述关系。

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图1 沥青胶浆的针入度、软化点变化曲线 Fig.1 Curves of penetration and softening point of asphalt mortar

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当y为针入度时，a为负值，其物理意义为针入度衰减率，截距b等同于基础沥青的针入度；当y为软化点时，a为正值，代表软化点增效速率，截距b等同于基础沥青的软化点。此处截距系数与基础沥青指标的相关性可用图 2(由表 5数据绘制)表明，两者间的相关系数大于99%。

图2 基础沥青物理指标与曲线截距的关系 Fig.2 Relationship between intercept and physical index of matrix asphalt

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(2)黏弹性参数。图 3中的不同沥青胶浆在60 ℃ 下的模量变化表明，沥青胶浆的复合模量均随着粉胶比的增大而呈指数增长方式，矿粉对沥青的模量增效行为是十分显著的，无论石油沥青还是SBS改性沥青，都具有相同的模量增长规律。

图 3 沥青胶浆的高温黏弹性参数 Fig. 3 High temperature viscoelastic parameters of asphalt mortar

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然而，随着粉胶比的变化，石油沥青和SBS沥青的黏弹性组成发生了不同的变化，见图 3(b)。在试验粉胶比0.6～1.4范围内，两种石油沥青胶浆的相位角基本保持不变，均在86°附近，黏性分量一直占据主要成分，这就表明此时的沥青胶浆体系仍处于一接近黏流体的状态^[7]。而在同样粉胶比下，两种SBS沥青胶浆相位角则随着粉胶比的增大而单调降低，添加粉胶比为1的矿粉时，胶浆相位角比基础沥青约小10°，其黏弹性结构中的弹性分量随着粉胶比的增大而迅速提高，并表现出对粉胶比的强烈敏感性。

这种差别说明：基础沥青决定了胶浆的黏弹性结构，如石油沥青的软化点一般在46 ℃附近，而SBS改性沥青则在65 ℃以上，试验温度60 ℃可致使石油沥青接近黏流体态，而SBS改性沥青则仍然处于一个黏弹性态；并随着不同粉胶比矿粉的添加，继续保留这种黏弹性结构特点。

综合可以认为：矿粉对基础沥青起到明显的模量增效行为，如软化点、模量升高；但对石油沥青和SBS改性沥青具有不同的影响特点。高温低频剪切状态下，矿粉基本不改变基质沥青的黏性、弹性组成比例，仅提高其胶浆的模量值；而对改性沥青则在提高模量值的同时，改变胶浆体系的黏、弹性组成，对粉胶比的敏感性强。

从理论和一些研究结论认为，不同矿粉有着不同的化学组成、颗粒形态，将会对沥青胶浆产生不同的影响^{[8, 9, 10]}。本文采用的矿粉都是经过0.075 mm筛孔的，限于技术手段，笔者尚不能对其中的颗粒组成、化学组成进行详细的表征，仅仅依赖亚甲蓝含量、亲水系数两个指标考察矿粉对胶浆性能的影响关系。从表 5中拟合公式的变化斜率上发现，不同产地矿粉对软化点、针入度的变化率是不同的，说明不同物理性质的矿粉对沥青胶浆的性能贡献也是不同的。结合表 2矿粉指标，基于相同基础沥青(SL70、SBS)，分别考察不同矿粉指标对针入度、软化点曲线斜率的影响关系，趋势见图 4、图 5。

图 4 矿粉的亲水系数与胶浆物理特性 Fig. 4 Hydrophilic coefficient of mineral powder and physical property of mortar

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图 5 矿粉的亚甲蓝值与胶浆物理特性 Fig. 5 MBV values of mineral powder and physical property of mortar

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可以看到，不同矿粉因为不同的亲水系数和黏土含量，会对同一种基础沥青带来不同的软化点增效和针入度衰减行为。随着亲水系数的增加，矿粉亲油性降低，对沥青胶浆的软化点增效速率有所提升，但到亲水系数为1之后，软化点增效基本稳定，不再提供更多的增劲效果。从微观原理上讲，应该是矿粉与沥青的各自游离状态造成，在做软化点试验中容易发生不经蠕变而使加载钢球脱离的现象。但是亲水系数的增加，仍然会加速针入度的衰减速率(绝对值)，这个现象与针入度试验自身有关，毕竟针入度试验是矿粉与沥青混合整体，试验取值不会体现出矿粉和沥青的剥离现象^[11]。另外，黏土含量的变化也会带来基本相同的软化点增效、针入度衰减效果，在MVB值大于12时，软化点增效速率降低。

图 6为两种石灰岩矿粉对基质沥青胶浆流变指标的影响。可以看到：在同样粉胶比情况下，无论采用基质沥青为70号还是90号，CQ矿粉要比YG矿粉能够带来更高的模量指标，在3种模量指标中均系如此体现。可见，不同产地矿粉对同一种沥青胶浆的作用和效果是有差异的；而且这在矿粉的亲水系数上有所关联，CQ矿粉亲水系数为0.769 2，YG矿粉亲水系数为0.920 6，前者亲油性相对较高，所以其模量增效更为显著。

图 6 两种矿粉对胶浆复合模量的影响 Fig. 6 Impact of 2 kinds of mineral powder on complex modulus of mortars

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结合可知，沥青胶浆的模量增效行为与矿粉直接相关；在软化点、针入度变化中，基础沥青决定了沥青胶浆的基础性能，矿粉则决定了胶浆性能指标的变化率。当矿粉亲水系数大于1时、亚甲蓝值大于12后，不再会对沥青胶浆物理指标(稠度、软化点)变化提供更多的改善行为。

目前，作为改性剂填料的天然沥青因为其天然的亲油能力和模量增效特点，已经在道路工程中普遍推广^{[12, 13, 14]}。这些天然物质常被粉碎、磨成细粉状，如青川岩沥青粉体多在200目以上，即粒度在0.074 mm以下，常用在湿法改性沥青工艺中进行使用^[15]。而本文的胶浆试验采用的矿粉粒度也小于0.075 mm，为考察它对基础沥青软化点的提升效果能否达到相同的改性效果，本文以ZH70沥青为基础沥青，对不同天然沥青粉体进行了沥青改性与试验检测，着重对其软化点增效速率进行对比。

图 7为不同产地天然沥青改性沥青的软化点变化曲线。其中，天然沥青的掺量一般都很小，特拉尼达湖沥青30%的掺量相当于粉胶比0.43；但就是这样远小于正常粉胶比情况下，改性沥青软化点也都是随着天然沥青的掺量而线性增长，且增长幅度要比矿粉大得多。图 8为不同天然沥青和矿粉对基础沥青软化点的增效速率对比，从中看出，两种基础沥青的矿粉胶浆软化点增率在10以下，而大部分天然沥青的增率在20以上，特别是北美、昌乐、青川岩沥青的增率均在100以上，这就说明了矿粉尽管对基础沥青有模量增效的效果，但是相对于天然沥青，仍然称不上改性行为。

图 7 天然沥青改性沥青软化点变化 Fig. 7 Change of softening points of natural asphalt modified asphalt

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图 8 矿粉与天然沥青粉在软化点增效上的对比 Fig. 8 Comparison of softening point increasing effects between mineral powder and natural asphalt powder

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若将天然沥青看作一种改性填料，其中含有天然的亲油基因(如长期包裹在油质中的矿物质，具有良好的亲油能力)，以及可溶于基础沥青的高软化点沥青质，会与基础沥青形成优良的缔合结构，整体强度均匀，软化点增效更为显著。而矿粉是一种惰性无机物，与基础沥青不相容，紧靠有限的亲油能力与基础沥青混合，从而带来了相对较弱的软化点增效。至于布顿岩沥青之所以和矿粉的增效相当，经检测表明是因为其组成中有机不溶物过多，三氯乙烯不溶物含量在50%~70%之间，有效沥青含量少且软化点又过低，才导致与其他天然沥青显著区别的软化点增效。

从这个对比可知：矿粉毕竟是无机物，其无论亲油能力、黏土含量再如何，它对基础沥青的模量增效效果是有限的，也称不上改性效果。这可能就是以往道路工程研究者仅把矿粉当作填料、忽略沥青胶浆研究的一个原因。

(1)矿粉对基础沥青起到明显的模量增效行为，如软化点、模量升高；但对石油沥青和SBS改性沥青具有不同的影响特点。高温低频剪切状态下，矿粉基本不改变基质沥青的黏、弹性组成比例，仅提高其胶浆的模量值；而对改性沥青则在提高模量值的同时，改变胶浆体系的黏、弹性组成，对粉胶比的敏感性强。

(2)基础沥青的物理性能是在根本上决定着沥青胶浆的性能如何，但它对物理指标的变化率没有任何贡献。而沥青胶浆的软化点增效行为与矿粉直接相关，不同矿粉决定了胶浆性能指标不同的变化率。且当矿粉亲水系数大于1时或亚甲蓝值大于12后，不再会对沥青胶浆物理指标(稠度、软化点)变化提供更多的改善行为。

(3)矿粉无论亲油能力、黏土含量如何，它对基础沥青的模量增效效果是有限的，不会达到天然沥青及其他有机物带来的基础沥青改善效果。