有機坡縷石改性瀝青混合料性能研究*

杜 勇

(鄭州市公路工程公司，河南鄭州 450000)

熱拌瀝青混合料在公路建設中以其良好的使用性能受到工程建設者的青睞。傳統的瀝青混合料是一種熱拌熱鋪材料，在施工過程中會排放出大量的廢氣和粉塵，影響周圍的環境質量和施工人員的身體健康[1]。國內外道路工程科研人員已經對此進行了相關的研究并取得豐碩成果，典型的溫拌瀝青混凝土即為節能減排的代表成果[2]。但是，溫拌瀝青混凝土的水穩定性、耐久性遠不足，剝落、松散等病害層出不窮。因此，熱拌減排瀝青混合料日趨成為道路科研工作者的研究熱點[3]。坡縷石由于其獨特的晶體結構，使之具有增稠性、懸浮性、搖融性、觸變性、環保性等許多特殊的物化及工藝性能[4]。國內外學者也對坡縷石以及坡縷石改性瀝青進行了初步的研究：霍成立對坡縷石復合功能材料的應用進行了研究，提出了坡縷石改性的基礎方法[5]；吳寅瑞等人分析了坡縷石在建材領域的應用，以及具備的功效[6]；楊福興針對坡縷石與高分子聚合物難以融合配伍性問題進行了探討，提出了對坡縷石進行有機改性的措施和方法[7]；王有朋、高曉紅等人分析了坡縷石改性瀝青的性能，并對坡縷石改性瀝青的影響進行了研究[8-9]。綜上可知，國內外學者對坡縷石改性瀝青的研究主要集中于坡縷石的有機改性、坡縷石對瀝青性能的影響等方面，坡縷石對熱拌瀝青混合料低碳減排性能的研究未見相關報道。

基于此，本文基于坡縷石礦物的突出優點，將有機坡縷石粉摻配到瀝青混合料中，系統研究有機坡縷石對瀝青混合料路用性能影響，在此基礎上，對其低碳減排性能進行系統研究。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

試驗所用基礎瀝青為SBS改性瀝青，經試驗測定各項技術指標均符合公路瀝青路面施工技術規范(JTG F40-2004)中規定的質量要求。SBS改性瀝青的技術性能指標見表1。

表1 SBS改性瀝青的基本性能指標Table 1 Basic properties indexes of SBS modified asphalt

有機坡縷石粉由常規坡縷石粉經有機改性后制備得到，有機坡縷石的主要物化性能指標見表2。

表2 有機坡縷石物化性能指標Table 2 Physical and chemical properties indexes of organic palygorskite

所用粗集料為玄武巖，細集料為石灰巖機制砂，礦粉為石灰巖礦粉。均符合《公路瀝青路面設計規范》(JTJ D50-2006)和JTG F40-2004中對其技術指標的要求。

1.2 級配及油石比

瀝青混合料級配采用AC-13型，該級配被廣泛應用于我國高等級公路瀝青路面上面層，表現出良好的性能，AC-13型瀝青混合料礦料級配見表3。

表3 AC-13型瀝青混合料礦料級配Table 3 Aggregate gradation of AC-13 asphalt mixture

按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》與JTG F40-2004的相關規定，采用馬歇爾試驗方法，確定瀝青混凝土的最佳瀝青用量為5.5%。

1.3 試驗方法

1.3.1 路用性能試驗

按照JTG E20-2011的相關規定，對有機坡縷石改性瀝青混合料進行馬歇爾穩定度試驗、高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗（-10℃）、凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗等路用性能試驗，研究有機坡縷石對瀝青混合料路用性能的影響。試驗過程中為保證混合料級配不發生變化，將有機坡縷石粉代替同等質量的礦粉，制備試驗樣品。

1.3.2 低碳減排性能試驗

參照HJ/T 45-1999《固定污染源排氣中瀝青煙的測定 重量法》，在瀝青混合料拌和時進行瀝青煙測試；采用尾氣分析儀對瀝青混凝土拌和時的CO、NOX進行檢測。

2 結果與討論

2.1 有機坡縷石改性瀝青混合料路用性能

2.1.1 力學性能

對不同摻量的有機坡縷石改性瀝青混合料進行馬歇爾穩定度試驗，分析有機坡縷石粉對瀝青混合料穩定度的影響規律，試驗結果如圖1～圖2所示。

圖1 混合料穩定度變化曲線Fig.1 Stability change curves of mixtures

圖2 混合料流值變化曲線Fig.2 Flow value change curves of mixtures

由圖1、圖2可知：不同摻量的有機坡縷石改性瀝青混合料的穩定度和流值均滿足JTG F40-2004中對馬歇爾指標的相關技術要求。隨著有機坡縷石粉摻量的增加，改性瀝青混合料的穩定度呈增長趨勢，流值呈下降趨勢。有機坡縷石摻量為20%的改性瀝青混合料與不摻有機坡縷石的瀝青混合料相比，其穩定度增加幅度為23.6%，流值降低幅度為12.3%。表明有機坡縷石的摻入，使得改性瀝青混合料的強度增加、可塑性增加，提升了改性瀝青混合料的力學性能。

2.1.2 高溫穩定性能

對不同摻量的有機坡縷石改性瀝青混合料進行車轍板試驗，分析有機坡縷石粉對瀝青混合料高溫穩定性的影響規律，試驗結果如圖3所示。

圖3 混合料動穩定度變化曲線Fig.3 Dynamic stability change curve of mixtures

由圖3可知，不同摻量的有機坡縷石改性瀝青混合料的動穩定度的結果均遠大于JTG F40-2004中對高溫穩定性能指標的技術要求。隨著有機坡縷石時摻量的增加，改性瀝青混合料的動穩定度呈增長趨勢。有機坡縷石摻量為20%的改性瀝青混合料與不摻有機坡縷石的瀝青混合料相比其動穩定度增加幅度為30.0%。表明有機坡縷石的摻入，改善了改性瀝青混合料的高溫穩定性能。

2.1.3 低溫抗裂性能

對不同摻量的有機坡縷石改性瀝青混合料進行低溫小梁彎曲試驗，分析有機坡縷石粉對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響規律，試驗結果見表4。

表4 混合料小梁彎曲試驗結果Table 4 Beam bending test results of mixtures

抗彎拉強度和破壞應變是評價瀝青混合料低溫性能的兩個指標，其指標數值越大表明瀝青混合料的低溫性能越好。由表4結果可知，隨著有機坡縷石摻量的增加，改性瀝青混合料的低溫抗彎拉強度呈增長趨勢，破壞應變則無規律可循。因此，在對有機坡縷石改性瀝青混合料低溫性能評定時不能使用常規指標。而瀝青混合料的應變能密度臨界值指標是混合料抗彎拉強度的和破壞應用的綜合，能夠對瀝青混合料的低溫抗裂性能進行科學的評定。不同摻量有機坡縷石對改性瀝青混合料應變能密度臨界值的影響規律如圖4所示。

圖4 混合料應變能密度臨界值變化曲線Fig.4 The critical value of f lexural strain energy density change curve of mixtures

由圖4可知，隨著有機坡縷石摻量的增加，瀝青混合料應變能密度臨界值逐漸增高，且均高于普通SBS改性瀝青混合料，有機坡縷石摻量為20%改性瀝青混合料應變能密度臨界值比SBS改性瀝青混合料高31.9%。表明有機坡縷石粉可改善瀝青混合料的低溫穩定性。

2.1.4 水穩定性能

對不同摻量的有機坡縷石改性瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，分析有機坡縷石粉對瀝青混合料水穩定性能的影響規律，試驗結果如圖5和圖6所示。

圖5 混合料殘留穩定度變化曲線Fig.5 RMS change curve of mixtures

圖6 混合料凍融劈裂殘留強度比變化曲線Fig.6 TSR change curve of mixtures

由圖5、圖6可知：不同摻量的有機坡縷石改性瀝青混合料殘留穩定度（RMS）均大于85%，凍融劈裂殘留強度比（TSR）均大于80%，滿足JTG F40-2004中對瀝青混合料水穩定性能指標的技術要求。隨著有機坡縷石摻量的增加，瀝青混合料的殘留穩定度（RMS）和凍融劈裂殘留強度比（TSR）均逐漸提升，且均高于普通SBS改性瀝青混合料，有機坡縷石摻量為20%改性瀝青混合料的殘留穩定度（RMS）和凍融劈裂殘留強度比（TSR）比SBS改性瀝青混合料高7.33%和5.85%。表明表明有機坡縷石粉可改善瀝青混合料的水溫穩定性。

綜上所述，有機坡縷石粉對瀝青混合料的馬歇爾穩定度、高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性都有較大的改善作用。主要是因為有機坡縷石粉的增稠性和懸浮性改善了瀝青膠漿的結構，使得經其改性的瀝青混合料在高溫狀態下、水環境侵蝕下具備更好的力學穩定性。同時有機坡縷石粉在低溫狀態下與瀝青中的重組分物質結晶，使得輕質組分被鎖定，共同形成了粗-細顆粒交互的結晶結構，使瀝青混合料抵抗剪切變形能力增加，從而提升了瀝青混合料的低溫穩定性。

2.2 有機坡縷石改性瀝青混合料低碳減排性能

根據路用性能試驗結果，選用20%摻量的有機坡縷石進行瀝青混合料低碳減排性能研究。拌和設備為改進的小型拌和機，加裝封閉式蓋帽，并留有出氣口以及抽氣設備。測定瀝青混合料在拌和全過程中瀝青煙、CO、NOX的濃度，對其減排效能進行研究。其中，對比組SBS改性瀝青混合料拌合3次，取污染物平均值做為試驗結果；實驗組有機坡縷石改性瀝青混合料拌合3次，分別記錄其污染物排放量，具體試驗結果見表5。

表5 混合料低碳減排試驗結果Table 5 Low carbon emission reduction test results of mixture

由表5可知，有機坡縷石粉能夠大幅度降低瀝青混合料在拌和過程中污染物的排放量。其中，瀝青煙濃度降低幅度達50%，CO濃度降低幅度達40%，NOX濃度降低幅度達20%，表明有機坡縷石粉改性瀝青混合料具備較為優良的低碳減排效能。主要是因為有機坡縷石粉獨特的晶體結構，使其能夠鎖定瀝青中的輕質組分，在拌和高溫加熱過程中，減少了輕質組分的揮發，從而降低了污染物的排放。

3 結論

（1）隨著有機坡縷石粉摻量的增加，改性瀝青混合料的力學性能、高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性都有較大的提升。有機坡縷石摻量為20%的改性瀝青混合料與不摻有機坡縷石的瀝青混合料相比，其穩定度增加幅度為23.6%，動穩定度增加幅度為30.0%，應變能密度臨界值增加幅度為31.9%，殘留穩定度增加幅度為7.33%，凍融劈裂殘留強度增加幅度為5.85%。表明有機坡縷石的摻入，使得改性瀝青混合料的強度增加、可塑性增加、穩定性提升，有機坡縷石粉能夠改善瀝青混合料的路用性能。

（2）有機坡縷石粉能夠大幅度降低瀝青混合料在拌和過程中污染物的排放量。有機坡縷石摻量為20%的改性瀝青混合料在拌和時的瀝青煙濃度降低幅度達50%，CO濃度降低幅度達40%，NOX濃度降低幅度達20%，表明有機坡縷石粉改性瀝青混合料具備較為優良的低碳減排效能。