矿质填料特性与沥青胶浆高温非牛顿粘度：响应面法方法

《Results in Engineering》：Mineral Filler Characteristics and Non-Newtonian Viscosity of Asphalt Mastic at High Temperature: A Response Surface Methodology Approach

　　

沥青胶浆（Asphalt mastic）——由沥青结合料（asphalt binder）和矿质填料（mineral filler）组成——强烈控制着沥青混凝土（asphalt concrete）在拌和与压实过程中的高温粘度。本研究调查了四种矿质填料（花岗岩(granite)、石灰岩(limestone)、页岩(shale)、浮石(pumice)）对沥青胶浆在高温（130–170°C）下粘度和流动行为的影响。进行了全面的填料表征，包括扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）形貌分析、物理性质评估（颗粒密度(particle density)、比表面积(specific surface area)和刚登空隙(Rigden voids)）、亲水系数(hydrophilic coefficient)测定、激光衍射粒度分布以及X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）矿物学鉴定。采用响应面法（response surface methodology, RSM）结合中心复合设计（central composite design, CCD）对温度（130–170°C）、填料含量（5–30%体积分数）和旋转速度（10–30 RPM）对布鲁克菲尔德旋转粘度计（Brookfield rotational viscometer）测得的表观粘度（apparent viscosity）的联合效应进行建模。源自幂律模型（Ostwald–de Waele模型）的非牛顿指数（non-Newtonian index, n）用于分类流动行为。结果表明，温度和填料含量是控制粘度的主要参数，而旋转速度以填料依赖的方式控制非牛顿行为的程度。在15–20%体积填料含量处识别出一个从准牛顿流动到显著非牛顿流动的临界转变，这与有效固体体积分数（effective solid volume fraction）的急剧增加相一致，该分数接近胶体堆积阈值（colloidal packing threshold, φ* ≈ 32–34%）。浮石表现出最强的剪切增稠（n最高达1.22），而花岗岩表现出一致的剪切稀化（n ≈ 0.88–0.94），石灰岩和页岩表现出混合行为。浮石和页岩产生最强的粘度硬化，与其较高的刚登空隙导致的更大结合料固定化（binder immobilization）一致。AASHTO T316工作性分析表明，在基础结合料条件下，160°C实际拌和极限内的最大填料含量对于花岗岩和石灰岩约为30%，但对于浮石仅约22%。经过验证的二次RSM模型（R² = 0.84–0.96）为优化沥青混合料设计中的填料选择与加工温度提供了实用框架。

论文解读文章：

**研究背景与问题**

沥青混凝土的拌和与压实性能主要由沥青胶浆（Asphalt mastic）的高温粘度决定，该胶浆由沥青结合料（asphalt binder）与粒径小于0.075 mm的矿质填料（mineral filler）构成。尽管已有研究认识到填料特性（如矿物组成、颗粒形态、比表面积等）影响着胶浆的流变行为，但当前存在三个主要空白：（i）缺乏对四种矿物学差异显著的填料（结晶花岗岩、碳酸盐石灰岩、含粘土页岩和非晶质浮石）在同一响应面法（RSM）框架下的系统比较；（ii）非牛顿指数（non-Newtonian index, n）作为填料含量、温度和剪切速率的连续函数尚未被充分量化；（iii）填料堆积参数（刚登空隙Rigden voids、有效体积分数）与非牛顿行为启动之间的关联在高温度工作性评价中尚未系统建立。为此，Suwaphit Chamwon、Multazam Hutabarat和Preeda Chaturabong开展了此项研究，论文发表在《Results in Engineering》。

**研究内容与结论**

研究人员以AC 60/70渗透级沥青（泰国Tipco公司）为基础结合料，选用四种矿质填料（花岗岩、石灰岩、页岩和浮石），通过系统的填料表征和流变测试，结合RSM建模，揭示了填料微观结构、物理化学性质与胶浆高温粘度及非牛顿行为的内在联系。研究得出以下关键结论：温度和填料含量是控制粘度的主导参数；在15–20%体积填料含量处，有效固体体积分数接近胶体堆积阈值（φ* ≈ 32–34%），流动行为从准牛顿型转变为显著非牛顿型；浮石呈现最强的剪切增稠（n ≤ 1.22），花岗岩为剪切稀化（n ≈ 0.88–0.94），石灰岩和页岩表现混合行为；有效体积分数（effective solid volume fraction）概念可统一解释不同填料种类的流变差异。该研究为沥青混合料配合比设计中的填料选择与加工温度优化提供了实用框架。

**主要关键技术方法**

研究中采用以下关键技术方法：使用布鲁克菲尔德旋转粘度计（Brookfield DV-II+，SC4-27转子）依据AASHTO T316标准测量表观粘度；通过幂律模型（Ostwald–de Waele模型）拟合粘度和旋转速度数据，计算非牛顿指数（n）；采用中心复合设计（central composite design, CCD）下的响应面法（RSM）对温度（130–170°C）、填料含量（5–30%体积分数）和旋转速度（10–30 RPM）三个变量进行建模，每种填料分别建立二次多项式方程。填料表征方法包括：激光衍射粒度分布（Malvern Mastersizer 3000）、BET氮吸附比表面积（SSA）测量、刚登空隙（Rigden voids）按EN 1097-4测定、X射线衍射（XRD）矿物学分析、扫描电子显微镜（SEM）形貌观察及图像分析（Fiji/ImageJ）。所有样本来源为泰国，未注明具体填料产地队列。

**研究结果**

3.1 物理性质：刚登空隙（RV）排序为石灰岩（23.8%）≈花岗岩（23.9%）<页岩（40.33%）<浮石（55.6%）；比表面积（SSA）排序相同（浮石>页岩>石灰岩>花岗岩），表明高孔隙和高表面积是浮石流变效应突出的原因。亲水系数（HC）显示页岩（0.625）和浮石（0.682）低于花岗岩（0.800）和石灰岩（0.833），作为结合料亲和性的间接指标。

3.2 粒度分布：石灰岩和页岩粒径最细（D₅₀ ≈ 7.8–8.0 μm），花岗岩和浮石较粗（D₅₀ ≈ 17–20 μm）。

3.3 矿物组成：XRD显示花岗岩以石英为主，石灰岩以方解石为主，页岩含丰富高岭石，浮石呈非晶态铝硅酸盐玻璃。

3.4 颗粒形貌：SEM与形态指数表明浮石具有最高长宽比（aspect ratio）和最低圆形度（circularity）及固实度（solidity），花岗岩圆形度最高，页岩呈片状形态。

4.1 针入度与软化点：随填料含量增加，针入度下降、软化点升高；浮石效应最强，与其有效体积分数最高一致。

4.2 粘度特性：温度与填料含量主导粘度；在15–20%含量附近粘度急剧上升，对应有效体积分数进入胶体堆积阈值（φ*≈32–35%），表明颗粒间直接接触主导流变。粘度排序：浮石>页岩>石灰岩≈花岗岩。

4.3 非牛顿行为：通过幂律拟合得到非牛顿指数n。低含量（5%）时近牛顿型；高含量（25%）时花岗岩剪切稀化（n≈0.88），石灰岩近似牛顿（n≈0.99），页岩轻度剪切稀化（n≈0.92），浮石剪切增稠（n≈1.19）。皮尔逊相关分析表明，刚登空隙（r=+0.84~+0.96）和固实度（r=?0.87~?0.98）与非牛顿指数关联最强，而比表面积呈负相关（r=?0.63~?0.76），表明堆积性质而非表面积是主导因素。石灰岩和页岩呈现非单调变化，可能由化学吸附与颗粒接触机制竞争导致。

4.4 实用工作性阈值：基于AASHTO T316粘度参考值（拌和1700 mPa·s，压实3000 mPa·s），在基础结合料条件下，花岗岩和石灰岩在160°C时的最大填料含量约30%，浮石仅约22%，页岩约26%。浮石为达到相同工作性需更高温度（25%含量时需178°C，比花岗岩高42°C），加速结合料老化。

4.5 拌和与压实温度选择：填料的粘度增加效应转化为温度惩罚；浮石与页岩在高含量时需升高拌和温度或采用温拌技术。

4.6 统计分析及RSM模型验证：方差分析（ANOVA）确认所有二次模型显著（p<0.0001，R²=0.84–0.96）；填料含量和温度为主效应，旋转速度对花岗岩和浮石显著，对石灰岩和页岩不显著。交互项AB（填料含量×温度）对所有填料均极显著。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出，有效体积分数框架可统一解释不同填料种类的流变差异，刚登空隙和固实度比表面积更适合预测非牛顿行为。局限性包括：仅聚焦于布鲁克菲尔德旋转粘度法，未涉及振荡剪切流变；相关性分析基于四种填料，统计效力有限；未考虑老化效应；化学亲合性仅通过亲水系数间接评估。研究结论翻译如下：1）填料微观结构（SSA、刚登空隙、固实度）是高温流变的首要决定因素，刚登空隙与n正相关（r=+0.84–0.96），SSA为负相关（r=?0.63–0.76），不应作为独立预测指标。2）有效体积分数概念提供了统一解释框架，胶体堆积阈值φ*≈32–35%可作为非牛顿启动的通用预警指标。3）在典型工程比（5–15%体积）内所有填料满足标准工作性；多孔及不规则填料（浮石、页岩）在高含量时需注意温度与能量消耗。4）所开发的RSM方程（R²=0.84–0.96）可用于填料来源变更时的质量控制，只需测定刚登空隙、固实度和一个粘度数据点。5）结论基于基础结合料条件，改性体系需另行验证。