0 引言

沥青路面因具有行车舒适性、平整少尘等优点成为我国高等级路面的主要结构形式^[1]。沥青混合料主要是由沥青、集料、矿粉组成的多级分散体系，具有明显的黏弹特性^[2]。沥青胶浆作为初级分散体系，其中的填料被视为分散相分散于沥青中^[3]。填料作为沥青胶浆的重要组成部分，是影响沥青胶浆性能的重要因素。欧洲规范规定填料需要通过0.063 mm的方孔筛，而中国、美国为0.075 mm的方孔筛^[4]。

天然石灰石矿粉作为沥青混合料的常用填料，对沥青混合料的性能产生重要影响^[5]。传统填料的原料开采会造成植被损失、地下水位下降、空气污染，从而导致生态环境的破坏，是一条不可持续发展之路^[6]。固废由于具有污染物、资源物的双重属性，已经开始逐渐的应用于沥青填料中。因此，需要找到合适的固废填料替代品，以满足大量消耗的填料，并提升路面建设中的可持续性发展。

目前已有研究分析固体废物作为填料对沥青混合料性能的影响，如钢渣粉^[7]、赤泥^[8]、炉渣粉^[9]、飞灰^[10]等，特别是通过流变学研究来评估它们与沥青结合时如何影响沥青胶浆的性能。Russo^[11]将粉煤灰、高压喷射注浆废料作为填料制备沥青胶浆，粉煤灰和高压注浆废料沥青胶浆有更高的复数剪切模量，更低的不可恢复柔量和相位角。Zhang^[12]将不同工艺的赤泥作为填料进行对比，烧结赤泥沥青胶浆比拜耳法沥青胶浆的复数剪切模量和弹性恢复率更大，累计蠕变应变更小，烧结赤泥沥青胶浆的高温性能改善更为显著。

传统矿粉需要经过石灰石破碎、球磨成粉状材料后形成填料，造成天然资源的浪费以及能耗的增加。磷石膏是磷肥产业的主要副产物，颜色呈灰色、颗粒呈粉末状^[13]。磷石膏替代传统矿粉材料用于沥青路面中，对降低混合料成本，减轻环境压力具有重要意义。磷石膏替代矿粉能使沥青胶浆的车辙因子增加，从而提高其高温稳定性^[14]。

目前的研究对磷石膏沥青胶浆的高温流变性能进行了研究，对于磷石膏沥青胶浆的黏弹性能、蠕变性能、疲劳性能尚未进行研究。本研究首先采用X射线荧光光谱(XRF)分析了填料的化学成分；然后在基质沥青中掺入磷石膏制备沥青胶浆，以同条件制备石灰石矿粉沥青胶浆作为对比；并利用动态剪切流变仪的频率扫描、多重应力蠕变、线性振幅扫描模式分析了沥青胶浆黏弹性能、蠕变恢复率、不可恢复柔量、应力敏感性和疲劳寿命，为磷石膏应用于沥青混合料中提供理论依据。

1 沥青胶浆制备及试验方法 1.1 试验材料

沥青采用福建省某化工企业生产的70^#基质沥青，其性能检测结果如表 1所示，基质沥青满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

本研究采用XRF试验分析磷石膏和石灰石矿粉的元素组成。如表 2所示，磷石膏的元素组成主要包含Ca，S，Si，F，P，Fe，合计98.21%；石灰石矿粉的主要元素是Ca，超过94%。

磷石膏和石灰石矿粉的基本性质如表 3所示。由表 3可知，磷石膏和石灰石矿粉的表观密度、粒度范围、亲水系数、塑性指数等均满足规范要求。

1.2 沥青胶浆制备

在设计沥青胶浆之前，确定胶浆中填料的比例和沥青含量非常重要，沥青和填料的粉胶比为1∶1较为合适^[15-17]。将磷石膏和矿粉过0.075 mm筛，沥青胶浆的粉胶比为1∶1。沥青胶浆制备过程为：首先将基质沥青在150 ℃的烘箱中加热至流动状态，然后将计算比例的磷石膏和矿粉混合后添加到沥青中，高速搅拌机在150 ℃和600 r/min的转速下搅拌30 min，确保填料在沥青中均匀分布。以0%，25%，50%，75%，100%质量替代矿粉的样品分别记为S100P0，S75P25，S50P50，S25P75，S0P100。

1.3 试验方法 1.3.1 频率扫描测试

为了研究沥青胶浆的流变性能，使用了TA动态剪切流变仪(DSR)进行频率扫描，其中荷载不会随时间保持恒定，而是根据预定的正弦型规律变化，这可以更好地模拟交通荷载^[18]。频率测试范围为1~100 rad/s，应变水平为0.1%，温度范围为20~80 ℃，以10 ℃为间隔进行频率扫描试验。其中20 ℃使用8 mm平行板和2 mm间隙，30~80 ℃使用25 mm平行板和1 mm间隙。由于沥青是黏弹性材料，在描述线性黏弹范围内的流变行为时，时间和温度是需要考虑的2个主要因素^[19]。本研究采用Sigmoidal模型构建流变主曲线，参考温度为30 ℃。Sigmoidal模型如式(11)所示：

$ \log G^*=v+\frac{\alpha}{1+\mathrm{e}^{\left(\beta+\gamma \log f_r\right)}}, $

(1)

式中，f_r为换算频率；v为log G^*的低频渐近值；α为log G^*高频渐近值与低频渐近值的差值；β、γ为形状参数。

1.3.2 多重应力蠕变恢复(MSCR) 试验

多重应力蠕变恢复(MSCR)试验可以确定沥青胶浆在高温下的弹性响应，评估其在重复加载卸载循环下的永久变形能力^[20]。进行MSCR试验的沥青胶浆是经过RTFOT之后的样品，采用25 mm平行板和1 mm间隙。所采用的温度为46~70 ℃(间隔6 ℃)，试验包括30个循环，每个循环由1 s的蠕变和9 s的恢复2个阶段组成。不可恢复柔量(J_nr)和蠕变恢复率(R)如式(2)和(3)所示。

$ R=\left(\varepsilon_1-\varepsilon_{10}\right) / \varepsilon_1 \times 100 \%, $

(2)

$ J_{\mathrm{nr}}=\varepsilon_{10} / \sigma, $

(3)

式中，ε₁为峰值应变；ε₁₀为未恢复应变；σ为应力。

1.3.3 线性振幅扫描(LAS)试验

LAS试验是基于黏弹性连续损伤(VECD)原理，通过增加振幅的循环荷载加速材料损伤，从而评估沥青胶浆的抗疲劳性能。使用损伤累积率和预测建模技术，在特定路面结构条件和预期交通荷载下的沥青胶浆疲劳性能。根据AASHTO TP101-14^[21]进行试验，先进行频率扫描测试样品损坏前的属性信息，然后进行振幅扫描测试来确定疲劳寿命。在线性黏弹性区域内的应变水平上进行频率扫描试验，以获得未损坏的材料特性(α)，进一步用于计算参数B。振幅测试在10 Hz的频率下进行，线性增加的应变振幅为0~30%。测量沥青胶浆的疲劳寿命为：

$ N_{\mathrm{f}}=A\left(\gamma_{\max }\right)^{-B}, $

(4)

式中，N_f为疲劳寿命；γ_max为路面预估最大应变；A和B是基于黏弹性连续损伤理论(VECD)测得的方程系数。

2 结果与讨论 2.1 线性黏弹性

通过动态剪切流变仪的温度-频率扫描模式，基于时温等效原理建立流变主曲线，评价沥青胶浆在宽频域、宽温度域范围内的流变行为。不同替代比例磷石膏沥青胶浆主曲线如图 1所示。

从图 1(a)中可以看出经过不同比例替代后的磷石膏沥青胶浆全域的G^*值比石灰石沥青胶浆要大，且在低频区域越为明显，从低频区域向高频区域的模量差距逐渐缩小，模量大小排序依次为：S0P100，S25P75，S50P50，S75P25，S100P0。在高温和低频条件下，一方面，随着掺配比例的增加，磷石膏沥青胶浆更容易抵抗塑性变形；另一方面，高频区域模量依然高于石灰石粉胶浆，磷石膏沥青胶浆具有大的刚性，在相同温度条件下脆性更强。由图 1(b)中可知，相位角主曲线中磷石膏沥青胶浆与石灰石粉沥青胶浆相位角的差距很小，随着掺量变化不明显，但是相位角δ变化规律一致。从低频区到高频区，相位角趋于减小趋势，胶浆的黏弹性响应由黏性趋向于弹性。

2.2 高温抗变形能力

蠕变恢复率(R)和不可恢复柔量(J_nr)反映了沥青材料的变形恢复能力及非线性流变响应，因此可以评估具有磷石膏和矿粉的沥青胶浆高温性能。磷石膏沥青胶浆在0.1 kPa和3.2 kPa的蠕变恢复率如图 2所示。结果表明: 在高路面温度下沥青胶浆的恢复率逐渐降低；温度升高改变了黏弹性比例，降低了沥青胶浆的弹性成分和变形恢复能力。在相同温度和相同应力水平下，磷石膏沥青胶浆的蠕变恢复率随着替代比例的上升而增加。磷石膏沥青胶浆的恢复率在0.1 kPa和3.2 kPa的应力水平下趋势相似，但是在高应力水平下的恢复率显著下降，这是由于实际车辆行驶过程中荷载作用越大，所造成的路面永久变形也会越大。

从图 3可以看出，石灰石粉沥青胶浆具有最高的J_nr值。与R相反，J_nr因温度升高导致沥青胶浆软化而增大。加载应力越大会造成沥青胶浆J_nr值的增加，沥青胶浆的J_nr值越大表明其在应力作用下产生的形变就越大，从而造成沥青胶浆抵抗变形的能力就越弱，不可恢复的变形就越多。相比于石灰石沥青胶浆，磷石膏沥青胶浆降低了沥青胶浆的不可恢复柔量，说明磷石膏沥青胶浆更有利于沥青的抗永久变形能力。

不同蠕变应力水平恢复率的差异率(R_diff)通常用于评价沥青材料的弹性稳定性，R_diff值越小，则表明弹性稳定性越高。不可恢复蠕变柔量的差异率(J_nr-diff)用于评价沥青材料的不可恢复变形的应力敏感性，J_nr-diff值越小，则表明应力敏感性越低。R_diff和J_nr-diff随温度和不同磷石膏替代比例的沥青胶浆如图 4所示。温度越高，沥青胶浆应变对温度的敏感性越大。随着温度的增加，R_diff和J_nr-diff值均趋于增大，表明温度的增加使得沥青胶浆的弹性恢复稳定性降低，不可恢复永久变形的应力敏感性增大，在较高温度下沥青胶浆的非线性黏弹性行为更为显著。

2.3 疲劳损伤特性

磷石膏沥青胶浆在LAS试验中的应力-应变曲线如图 5所示。沥青胶浆的剪切应力值随着应变的增大有增加的趋势，在达到应力峰值前会出现一段相对平缓的曲线，直到达到最大峰值。将应力峰值定义为材料的屈服应力点，对应的应变为屈服应变。当沥青胶浆的应变超过屈服应变，剪切应力逐渐减小，此时沥青胶浆开始发生疲劳破坏。磷石膏沥青胶浆和石灰石粉沥青胶浆屈服应力相似，但是屈服应变相差很大，其中石灰石粉沥青胶浆屈服应变最大。磷石膏沥青胶浆在加载过程中的应力增长速率相对于石灰石粉沥青胶浆更为迅速。当应变超过峰值应变后，各沥青胶浆的剪切应力随剪切应变的增大而出现下降的趋势。掺加了磷石膏的沥青胶浆应力-应变曲线保持了很大的相似性，特别是在50~100%的质量替代比例。

磷石膏沥青胶浆的疲劳损伤曲线如图 6所示，其中完整性指数C=1表示沥青胶浆的初始状态，具有最高的完整性，随着累计损伤D的增加，试样以指数曲线递减的方式下降，C=0表示沥青胶浆已经发生了完全破坏，当D给定时，C越大，则材料抵抗损伤的能力越强^[22]。在达到同样的C时，石灰石粉沥青胶浆承受了最高的累计损伤。若以完整性指作为材料发生破坏的依据，磷石膏替代量的增加会降低材料的韧性，从而导致磷石膏沥青胶浆疲劳寿命低于石灰石粉沥青胶浆。同时由于磷石膏沥青胶浆提供的高刚度，导致了在整个损伤域中完整性的更大损失。

为探究磷石膏对沥青胶浆疲劳寿命的影响，计算各沥青胶浆样品在不同剪切应变下的疲劳寿命。从图 7可以看出，随着变形增加，沥青胶浆的疲劳寿命均降低。在相同应变水平下，随着磷石膏替代量的增加，沥青胶浆的疲劳寿命是逐渐下降的。磷石膏填充于沥青中对疲劳寿命的影响主要有2个方面，一是正向作用，胶浆内部产生填料-沥青界面，其裂缝扩展路径更多更长，这种作用可以提高胶浆的疲劳破坏寿命；二是负面作用，磷石膏填料填充对胶浆的物理硬化会导致疲劳寿命对应变更加敏感。因此在LAS试验中，填料填充对疲劳寿命的正面效果和其对应变敏感的负面效果共同作用决定了胶浆的疲劳性能^[6]。

3 结论

在本研究中，为探究磷石膏替代矿粉作为填料的可行性，分析了不同替代比例磷石膏沥青胶浆的流变行为。研究的主要结论如下：

(1) 沥青胶浆的复数模量随着磷石膏替代比例的增加而提高。磷石膏增加了沥青胶浆的刚度，显著提升了胶浆的高温性能。沥青胶浆的相位角随着加载频率的增加趋于减小，胶浆的黏弹性响应由黏性趋于弹性。磷石膏和矿粉沥青胶浆的黏弹性成分比例基本一致。

(2) 磷石膏替代矿粉可以降低沥青胶浆的不可恢复柔量，提高恢复率。应力敏感性随着温度的升高而增加。温度升高使得胶浆的弹性恢复稳定性降低，不可恢复永久变形的应力敏感性增大。

(3) 磷石膏沥青胶浆的疲劳寿命有所削弱，并且随着磷石膏替代比例的增加，这种差距在增加。磷石膏的加入存在沥青硬化、脆化作用和微粒填充作用，两种作用共同决定着胶浆的疲劳寿命。

本研究分析了磷石膏沥青胶浆黏弹性能、高温性能和疲劳性能，后续将对其抗老化性能、抗裂性能、黏附性能以及微观机理等进行验证，并在实际工程应用之前还将进一步对磷石膏在沥青混合料中的路用性能进行研究。