沸石粉對瀝青及溫拌SMA混合料性能影響研究

王黎明，馬堃，李尊鵬

(東北林業大學 土木工程學院， 哈爾濱 150040)

0 引言

瀝青瑪蹄脂碎石(Stone Mastic Asphalt，SMA)混合料一般使用聚合物改性瀝青作為膠結料，且拌和過程中需要加入較多的礦粉和纖維，為保證路面的壓實效果，其拌和與壓實溫度通常比瀝青混凝土(Aspaalt Concrete，AC)混合料高10～20 ℃，加熱過程對能源的消耗相對更大[1]。因此，在保證路用性能的前提下，對SMA混合料而言，基于溫拌(Warm Mixture Asphalt，WMA)技術降低施工溫度所帶來的節能減排效益將更為明顯[2]。目前常用的溫拌技術可分為4大類：發泡降黏、高熔點石蠟降黏、稀釋降黏、表面活性劑界面潤滑及降黏[3]。將不同溫拌技術與SMA相結合的研究目前已經有一定的基礎，李艷霞[4]研究了沸石發泡型溫拌劑和高熔點石蠟降黏溫拌劑對SMA混合料性能的影響，認為沸石發泡型溫拌劑可以提高混合料的高溫性能和低溫性能，而高熔點石蠟降黏溫拌劑對低溫性能不利；張濤等[5]研究了有機降黏劑型溫拌劑對不同級配的SMA高低溫性能的影響，認為該溫拌劑對SMA-10、SMA-13、SMA-163種級配的瀝青混合料高溫性能均有較大改善；李儀等[6]研究了表面活性劑型溫拌劑及纖維摻量對SMA混合料服役性能的影響，認為當溫拌劑摻量為1%，纖維摻量為0.15%時，降溫幅度可達31 ℃；張業茂等[7]將溫拌SMA與熱拌SMA的路用性能進行了對比分析，認為熱拌和溫拌SMA瀝青混合料的路用性能相當。溫拌技術的共同作用方式是顯著影響熱態混合料的施工狀態，而不影響冷態混合料的服役狀態?？梢钥闯?，不同類型溫拌技術在施工過程中發揮影響的作用過程不同，在混合料中的殘留影響也有差異，由于間斷密集配混合料對施工溫度(尤其是壓實溫度)更敏感，這種影響的差異在SMA中會得到放大。對SMA來說，工作特性的影響效果是否能從拌和階段延續到壓實階段，進而影響壓密程度和服役期性能，須結合不同溫拌技術進行單獨的研究[8]。

摻入含結晶水沸石粉是發泡降黏溫拌技術的一種，其使用簡單，價格低廉[9]。但是由于其體積用量相對其他類型的溫拌技術較高，相當于顯著增加填料的用量，會使得AC型混合料的外觀狀態顯得干枯。但這種體積用量增加對礦粉用量很高的SMA來說問題不大，甚至可能對混合料性能呈正向影響。本研究采用基于發泡降黏機理的沸石粉做溫拌添加劑，根據沸石粉參與SMA混合料拌和中的不同階段，分別設計對比性的瀝青膠漿黏度、熱重分析、混合料壓實特性和常規路用性能等試驗，分析沸石粉發泡作用及殘留物對瀝青和混合料從施工到服役2個不同階段性能的影響規律，評價沸石粉溫拌技術對SMA混合料的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 集料與瀝青

試驗材料采用玄武巖集料、石灰石礦粉、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青，礦料、瀝青基本技術指標及規范(《公路工程集料試驗規程(JTG E42—2005)》《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTG E20—2011)》)要求見表1—表3。

表1 礦料主要技術指標Tab.1 Technical performance of aggregate

表2 礦粉主要技術指標Tab.2 Technical performance of mineral powder

表3 SBS改性瀝青主要技術指標Tab.3 Technical performance of SBS modified asphalt

1.1.2 沸石粉

試驗用沸石粉EC-130由人工合成沸石制得，理化性能試驗指標見表4。

從化學角度看，沸石粉是由含水的鋁硅酸鹽組成；從結構上來看，沸石粉是一種空間框架結構，其框架構成為硅氧四面體(四氧化硅)，硅離子處于中間位置，周圍包圍著4個氧離子，形成空間網絡結構[10],如圖1所示。沸石粉空間網絡結構中所包含的結晶水可以在高溫下持續釋放，與高溫瀝青作用使之發泡，因泡沫潤滑作用提高低溫條件下混合料的施工和易性[11]。

表4 沸石粉EC-130理化性能指標Tab.4 Physical and chemical properties of zeolite powder EC-130

圖1 沸石粉空間結構Fig.1 Spatial structure of zeolite powder

1.2 SMA混合料級配及最佳瀝青用量

試驗級配類型選擇SMA-13型，由標準篩孔分檔集料逐級回配得到，組成見表5，通過馬歇爾試驗確定熱拌SMA混合料拌合溫度180 ℃、成型溫度170 ℃時的最佳SBS改性瀝青用量為6.2%。為減少其他因素對混合料性能影響的干擾，溫拌SMA混合料的制備僅改變拌和與成型溫度，礦料級配組成及瀝青用量與熱拌SMA混合料保持一致，沸石粉摻量按經驗選用混合料質量的0.3%。

表5 SMA-13型礦料級配組成

2 結果與分析

2.1 沸石粉發泡及殘留物對瀝青的影響

沸石粉在瀝青中遇熱產生氣泡，導致瀝青體積變大、膨脹，改變了瀝青的流變特性[12]。沸石粉在SMA混合料中僅發生物理變化，其殘留物粉末與瀝青拌合成為瀝青膠漿，但由于沸石粉本身的摻量過低，僅占瀝青質量的5%左右，而SMA混合料本身就具有礦粉用量大的特點，粉膠比一般超過1.2[13]，故沸石粉對瀝青膠漿性質的影響不顯著。

2.1.1 高溫黏度分析

為探究沸石粉對瀝青拌和狀態下黏度的影響，本研究設計在高溫瀝青中加入沸石粉剪切30 s，分別制備多組試樣，取摻量間隔2%，溫度間隔15 ℃[14]，并以未添加沸石粉的改性瀝青為對照，測定其運動黏度進行對比分析。通過布氏旋轉黏度計對改性瀝青及沸石粉-改性瀝青進行高溫狀態下表觀黏度的測定，選擇轉速50 r/min、21號轉子進行試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 沸石粉-改性瀝青黏溫關系曲線Fig.2 Viscosity temperature relationship curve of zeolite powder modified asphalt

摻入沸石粉后，改性瀝青的黏度仍隨溫度升高而降低。在同一溫度下，改性瀝青的黏度隨沸石粉摻量增加而降低，試驗溫度120 ℃時，降黏效果最為明顯，黏度從5.81(Pa·s)降低至1.35(Pa·s)。說明沸石粉作為持續性發泡物質具有降低瀝青黏度的作用。在試驗溫度從120 ℃升高至165 ℃的過程中，未添加沸石粉的改性瀝青黏度從5.81(Pa·s)降低至0.52(Pa·s)，降低了91.1%；沸石粉摻量為2%時黏度從2.93(Pa·s)降低至0.34(Pa·s)，降低了88.5%；沸石粉摻量為4%、6%時降黏效果比較相似，黏度從1.36(Pa·s)降低至0.22(Pa·s)，降低了83.7%。說明沸石粉對改性瀝青黏度方面的溫度敏感性存在負面影響。試驗溫度120 ℃條件下，與未添加沸石粉的對照相比，沸石粉摻量為2%的改性瀝青降黏幅度為48%，降黏效果與未添加沸石粉的對照溫度升高14.9 ℃一致；沸石粉摻量為4%、6%時降黏幅度分別為76%和77%，降黏效果與未添加沸石粉的對照溫度升高29.7 ℃一致。為達到溫拌瀝青混合料所要求的拌和及壓實溫度下降15～30 ℃的要求，在后續試驗中應設置降黏幅度較高的4%及6%摻量進行其他試驗。

為探究沸石粉殘留物對瀝青高溫黏度的影響，本研究設計在高溫瀝青中加入沸石粉剪切30 s，分別制備多組試樣，取摻量間隔2%，保溫靜置1 h后，測試其135 ℃黏度，此時沸石粉發泡作用已經結束，但其失去結晶水的殘留物依然可能對瀝青黏度產生影響。試驗結果見表6。

表6 沸石粉殘留物對改性瀝青黏度的影響Tab.6 Effect of zeolite powder residue on viscosity of modified asphalt

表6中數據顯示，隨著沸石粉摻量增至6%，改性瀝青135 ℃運動黏度從2.88(Pa·s)提升至3.32(Pa·s)，提升了15.4%。同摻量試驗組135 ℃高溫黏度從2.88(Pa·s)下降至0.68(Pa·s)，下降了23.5%。說明沸石粉中的結晶水充分釋放后，殘留物會使瀝青的高溫黏度略有升高。

2.1.2 熱重試驗分析

通過熱重法分析時間與質量、溫度變化的相互關系，可以確定瀝青的熱重曲線(TG)變化，分析沸石粉對改性瀝青分解溫度及殘留物等[15]。本研究采用的熱分析儀為STA600，使用氮氣作為補充氣，設定升溫速率10 ℃/min，溫度范圍40～640 ℃，得到改性瀝青及加入6%沸石粉后的改性瀝青熱重曲線試驗結果,如圖3所示。

圖3 改性瀝青及沸石粉-改性瀝青TG曲線Fig.3 TG curve of modified asphalt and zeolite powder modified asphalt

2組試樣的質量隨溫度變化規律基本一致，試驗溫度從40 ℃升到230 ℃的過程中，試樣質量不發生改變，從230 ℃起，試樣質量開始減少，當試驗溫度達到320 ℃時試樣質量減少速度明顯提升，直至試驗溫度達到500 ℃后，試樣質量基本保持不變。說明摻入沸石粉不會改變溫度提升對改性瀝青分解過程的影響。

改性瀝青質量殘余率為14.5%；摻加沸石粉的改性瀝青質量殘余率為24.8%。2組試樣殘余質量率差異遠超沸石粉的摻量，說明加入沸石粉后改性瀝青在高溫狀態下氧化縮合的質量變少了。原因是沸石粉中結晶水在高溫環境下蒸發之后，結構中空隙吸附瀝青中的輕質組分，抑制其在高溫條件下的氧化縮合。熱重試驗中瀝青高溫下化學性質變化與拌和與服役中的熱氧老化相同[16]，可以間接證明沸石粉殘留物可以提高瀝青的抗老化性能。

2.1.3 基礎服役性能分析

沸石粉與瀝青拌和后對于瀝青溫度敏感性、硬度、塑性和黏度等的影響，可通過常規路用性能試驗和運動黏度試驗，從軟化點、延度、針入度和運動黏度等方面進行分析研究。

分別對SBS改性瀝青、沸石粉-改性瀝青、脫水沸石粉-改性瀝青及礦粉-改性瀝青4種材料測試軟化點、延度和針入度。試樣中，沸石粉的摻量分別占改性瀝青質量的4%和6%，經過前期試驗沸石粉含水率為21%，故在加入脫水沸石粉及礦粉時，分別占改性瀝青質量的3.2%、4.8%。試驗結果見表7。

表7 沸石粉對改性瀝青性能的影響

且隨著沸石粉用量的增加，改性瀝青的軟化點提高，針入度、延度降低，說明沸石粉能降低瀝青的低溫性能和感溫性能，改善瀝青的高溫穩定性，但沸石粉對瀝青性能的影響極其微弱。在改性瀝青中加入沸石粉后，其軟化點、針入度和延度變化都與加入等量礦粉的改性瀝青變化趨勢一致，說明沸石粉殘留物對瀝青的影響與礦粉相近，即在服役階段，溫拌混合料在材料方面可以認為相當于熱拌混合料加入了微量礦粉。

2.2 沸石粉對SMA混合料施工溫度的影響

空隙率是衡量瀝青混合料是否密實的基礎指標，達到特定的空隙率是瀝青路面施工的關鍵目標。同等壓實條件下，瀝青混合料的空隙率與成型溫度密切相關；同等環境和施工工藝條件下瀝青層鋪筑熱擴散過程相同，壓實成型溫度衰減與拌和溫度呈正相關。模擬瀝青混合料自拌和、運輸、攤鋪到壓實的溫度衰減過程，以變溫度拌合并固定衰減幅度后成型試件的空隙率可反映溫拌技術對混合料施工過程的影響[17-21]。

設計加入沸石粉的SMA混合料拌和溫度為150～165 ℃，間隔5 ℃的變溫拌和，與未加沸石粉的熱拌(150～180 ℃)SMA混合料對比試驗，馬歇爾擊實成型溫度設定為拌和溫度基礎上降低10 ℃(相當于試驗室條件下拌和后即刻成型的衰減溫度)。以成型后的空隙率考察沸石粉對SMA混合料的施工溫度影響。試驗結果如圖4所示。

圖4 溫拌溫度區間內SMA混合料的孔隙率Fig.4 Void ratio of SMA mixture in warm mixed temperature range

沸石粉能夠在150 ℃/140 ℃～165 ℃/155 ℃拌和與成型溫度區間將SMA混合料的孔隙率從4.87%～6.05%降低至3.86%～4.98%，同一溫度下孔隙率平均降低1%左右，證明在較低的溫度區間，沸石粉可使SMA混合料達到更高的壓密程度。當溫拌SMA混合料拌和及成型溫度為160 ℃/150 ℃時，其孔隙率與熱拌料180 ℃/170 ℃時的孔隙率相當，即0.3%摻量的沸石粉的降溫幅度可以確定為20 ℃。綜合考慮，以160 ℃/150 ℃組合為溫拌SMA混合料后續性能研究的制件標準。

2.3 沸石粉對SMA服役性能的影響

2.3.1 沸石粉對SMA混合料體積及馬歇爾性能的影響

以拌和/成型溫度160 ℃/150 ℃組合分別制備溫拌混合料，并與無沸石粉SMA混合料熱拌成型試件進行對比，測試含孔隙率的體積參數和馬歇爾穩定度等力學性能參數，對比性試驗結果見表8。

表8 溫拌與熱拌SMA混合料體積參數對比Tab.8 Comparison of volume parameters between warm mix and hot mix SMA mixture

由表8可知，在拌和/成型溫度為160 ℃/150 ℃制件條件下，除體積指標外，加入沸石粉的溫拌成型試件的馬歇爾穩定度、流值與拌和/成型溫度180℃/170℃熱拌SMA混合料相當，可初步判定摻入量0.3%的沸石粉降溫20 ℃拌和與成型的混合料，其服役期力學性能不會受到明顯影響。

2.3.2 沸石粉對SMA混合料析漏與飛散特性的影響

分別對熱拌與溫拌SMA混合料進行析漏試驗和飛散試驗，以考察沸石粉對SMA流動性和黏附性的影響，試驗結果見表9。

表9 析漏與飛散試驗結果

溫拌SMA混合料的析漏損失和飛散損失均滿足要求。溫拌SMA混合料析漏量從0.073%減少至0.057%；飛散量從3.5%增加至5.4%。形成這種變化規律的內在機理可能是沸石粉殘留物在瀝青膠漿中起到與礦粉類似的作用，可吸附更多瀝青，使混合料的析漏量降低；在溫拌狀態下，集料表面的孔隙體積變化受溫度影響減弱，造成降溫后集料與瀝青膜之間的負壓變小，使混合料整體黏結力下降，導致混合料的飛散量升高。但上述抗析漏與飛散指標變化不大，在可接受的范圍內且依然滿足工程技術標準。

2.3.3 沸石粉對混合料高溫穩定性的影響

分別對熱拌SMA混合料和以沸石粉為溫拌劑的溫拌SMA混合料進行車轍試驗，考察其高溫穩定性影響，試驗結果見表10。

表10 車轍試驗結果

溫拌SMA混合料的動穩定度從6 290次/mm下降至5 785次/mm，下降了8%。該值幅度較小，且車轍試驗的動穩定度對試件壓密程度(空隙率)非常敏感，熱拌與溫拌輪碾成型試件空隙率的微小不同可能是帶來試驗結果的差異的內在原因。另一方面，瀝青膠漿或瑪蹄脂中沸石粉的發泡殘留也可能帶來高溫性能略低的原因。該差異很小，可判斷溫拌和熱拌混合料的高溫性能差異不明顯。

2.3.4 沸石粉對SMA混合料低溫抗裂性的影響

分別對熱拌SMA混合料和以沸石粉為溫拌劑的溫拌SMA混合料進行低溫小梁彎曲試驗，試驗結果見表11。

表11 低溫小梁彎曲試驗結果

溫拌SMA混合料的破壞彎拉應變從3 240.15下降至3 025.54，比熱拌料略低6.6%。與高溫性能差異分析同理，試件空隙率差異(試驗誤差)與發泡殘留可能是帶來低溫性能差異的內在原因，但也有與高溫性能類似，該差異不明顯，低溫服役性能幾乎無顯著區別。

2.3.5 沸石粉對SMA混合料水穩定性的影響

分別對熱拌SMA混合料和以沸石粉為溫拌劑的溫拌SMA混合料進行殘留穩定性和凍融劈裂試驗，試驗結果見表12。

表12 水穩定性試驗結果

溫拌SMA混合料的殘留穩定度從91.6%提高至93.5%；凍融劈裂抗拉強度比從90.5%下降至89.3%，二者雖有不同，但差異都很小，可以看作是受試驗誤差影響。沸石粉殘留物對瀝青與集料之間的黏附性并未造成明顯影響，混合料的水穩定性基本一致。

3 結論

(1)含結晶水沸石粉在拌和初期可以明顯降低瀝青黏度，摻量6%時可使新制瀝青樣品的135 ℃黏度降低至23.5%，從而帶來溫拌效果；沸石粉發泡作用結束后，降黏效應消失，保溫靜置1 h后的高溫黏度略有提高。

(2)熱重分析試驗表明，在300～400 ℃的條件下，摻沸石粉改性瀝青的質量殘留率明顯大于對照組，同時其比率差值遠大于沸石粉摻量。說明由于沸石粉對瀝青中輕質組分的吸附作用，使瀝青高溫下易氧化縮合的比例降低，這種高溫化學性質變化與瀝青材料在拌和與服役中的熱氧老化相同，證明沸石粉殘留物可提高瀝青的抗老化性能。

(3)沸石粉摻量4%～6%的SBS改性瀝青發泡結束后的針入度、延度及軟化點均略有變化，具體表現為針入度和延度降低，軟化點提高，該現象與在改性瀝青中摻入等量礦粉的性質變化趨勢一致，可以認為沸石粉殘留物對改性瀝青性能的影響與礦粉一致。

(4)沸石粉摻量為混合料質量0.3%，拌和與成型溫度降低20 ℃的SMA混合料，其力學性能、抗飛散性能、高溫穩定性和低溫抗裂性均略有下降，但下降幅度微小，對路面服役無顯著影響。