MMT/硫粉复合改性沥青混合料水稳定性能研究

王 蒙

(山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250000)

1 概述

沥青是道路工程常用的工程材料之一。温度变化和行车荷载等因素会增加维修成本，减少路面使用寿命[1,2]。在雨季或路面排水不良的地区，水通过路面的微裂缝渗透，导致沥青与骨料之间的黏附性降低，最终表现为宏观坑槽。尽管许多聚合物改性沥青已被用于路面建设，但由于成本高以及较差的储存稳定性等原因，出现了一些问题[3-5]。为克服这些缺点，将蒙脱土(MMT)和硫作为新型改性剂改善沥青结合料和混合料的性能。

纳米材料作为改性剂广泛应用于沥青结合料中，以改善沥青结合料的物理性能和强度性能。许多研究人员进行的研究表明，蒙脱土可能是一种积极的解决方案，可以最大限度地减少车辙的影响。耿九光等[6]揭示了利用纳米粘土提高聚合物改性沥青抗拉强度比(TSR)等水敏性参数。虽然TSR试验得到了广泛的应用，但试验结果与现场条件下路面性能相关性较差。聚合物纳米复合材料是目前探索的最具创新性的材料之一，在纳米分散水平下，用很少的纳米粘土对粘结剂进行改性，可以显著改善粘结剂的物理特性。由于硫在世界范围内的量产，它已被广泛地用作改性剂[7]。硫改性沥青不仅提高了沥青的物理性能，而且会显著提高沥青在路面建设中的用途。在沥青粘结剂中加入硫可以代替沥青，因为它是沥青的增稠剂。含硫混合路面被认为在性质上几乎不透水，适合于降雨强度高的地区，而且通过在沥青混合料中加入硫，可以节约大约20%的沥青用量。

从上述文献综述中可以看出，水分和温度对蒙脱土纳米粘土和硫改性沥青混合料性能的影响还有待进一步研究。本研究将探讨蒙脱土和硫对沥青性能的影响。此外，本研究也探讨了蒙脱土与硫对沥青混合料的水稳定性能的影响。

2 原材料和试验方法

2.1 材料

沥青采用齐鲁石化70号基质沥青，技术性质见表1。蒙脱土和硫粉分别由山东某化工厂提供，改性剂技术性质见表2和表3。粗集料采用玄武岩，细集料采用机制砂，集料各项性能满足相关规范要求。

表1 基质沥青技术指标

表2 蒙脱土主要技术指标

表3 硫粉主要技术指标 %

2.2 改性沥青的制备

本文选用2%，4%，6%和8%四种掺量的蒙脱土、硫和蒙脱土/硫改性剂对沥青进行改性。其中复合改性剂中两种改性剂比例为1∶1。将沥青加热至熔融状态，并在沥青中先后加入对应掺量的蒙脱土和硫粉，低速搅拌20 min。随后使用由高速剪切机，在160 ℃下以4 000 r/min的速度搅拌30 min。将剪切结束的改性沥青再次进行低速搅拌，以除去表面气泡。

2.3 级配设计与最佳沥青用量确定

该文中沥青混合料采用AC-16型级配，级配组成如表4所示。采用标准马歇尔试验方法确定混合料的最佳沥青用量为4.8%。

表4 沥青混合料级配组成

3 结果与分析

3.1 沥青物理性能评价

3.1.1针入度

蒙脱土和硫粉改性沥青的针入度变化如图1所示。当改性剂含量从2%变化到8%时，针入度在所有情况下都呈连续下降趋势。处于30 dmm～50 dmm之间的沥青结合料，在高温气候条件和重载交通荷载下均能很好地发挥作用。因此，硫的含量可以限制在2%，因为更大的掺量将使针入度低于30 dmm。同样，蒙脱土/硫的掺量应限制在4%以内。这可能是由于添加蒙脱土和硫后的物理性能的改善，因为层状纳米材料的分散性更好，并在沥青中与硫形成插层结构。

3.1.2软化点

从图2可以看出，随着改性剂含量的增加，软化点值也随之增加，说明对温度的敏感性降低。8%的硫添加量使沥青软化点从48 ℃达到93 ℃，2%的蒙脱土添加量达到54 ℃的最大值。获得高软化点表明材料的黏度有所改善，这能有效抵消车辙引起的永久变形。这些改性剂限制了沥青的流动，增加了沥青结合料的黏度。

3.1.3弹性恢复

改性剂含量对沥青弹性恢复的影响如图3所示。从图3中可以看出，基质沥青的弹性恢复率都小于改性沥青。与其他改性沥青相比，添加蒙脱土后弹性恢复值的增加幅度较低。在基质沥青中加入6%的硫，弹性恢复率最高可达46%。添加8%硫的弹性恢复率无法确定，因为改性沥青不能拉伸至10 cm。由此可见硫的塑化作用是影响沥青结合料弹性性能的主要因素。

3.1.4针入度指数

沥青渗透指数的计算主要是为了评价温度敏感性。当粘结剂的渗透指数在-2～+2的允许限度内时，可以观察到温度敏感性的改善。从图4可以看出，随着改性剂含量的增加，各情况下的指标值也都增加。基质沥青针入度指数为-0.84，随着改性剂含量的增加，渗透指数向正方向移动，说明温度对渗透指数的影响不大。当硫含量至6%和8%时，针入度指数值超过了2，在蒙脱土/硫组含量为8%时也观察到同样的情况。说明过高的掺量也不利于沥青的性能改善。

3.2 沥青混合料水稳定性能评价

根据上一节中的试验分析，选用2%蒙脱土改性沥青、4%硫改性沥青和4%蒙脱土/硫改性沥青对沥青的水稳定性进行试验。其中根据JTG E20—2011,T0709规范进行浸水组与未浸水对照组设置，并进行浸水残留稳定度比值的计算，其中浸水马歇尔试验组与对照组的测试结果与浸水残留稳定度比值的计算结果如图5所示。添加改性剂后稳定性的损失值减小。添加2%蒙脱土、4%硫和4%蒙脱土/硫后，沥青的马歇尔稳定度比值分别从80.38%提高到89.54%，84.37%和92.98%，提高了沥青混合料的抗水损害性能。马歇尔稳定度从12.34 kN上升到26.2 kN, 24.25 kN和34.5 kN。未浸水对照组的马歇尔稳定度变化也存在相同的规律。原因可能是，蒙脱土的纳米片层在沥青中形成了插层或剥离结构，并且使硫也插入其中，阻碍了沥青分子链的运动，这使得宏观上沥青结合料的粘附性增加，进而提高了沥青结合料自身的粘聚能和沥青—集料之间的粘附功，这就弱化了水对于沥青混合料整体性能的影响，提高了混合料的抗剥落和抗散碎的能力，增加了整体的强度。

4 结语

1)蒙脱土/硫复合改性沥青可以提高沥青的软化点、针入度指数和弹性恢复值，降低针入度。说明复合改性剂提高了沥青的高温稳定性，低温抗裂性和降低了温度敏感性。

2)浸水马歇尔试验结果得出蒙脱土/硫复合改性沥青马歇尔稳定度比值大于90%，说明复合改性沥青可以有效提高沥青混合料的水稳定性。

3)根据试验数据综合评价高低温的指标，并且分析了改性沥青的作用机理，得出其4%蒙脱土/硫复合改性沥青可有效改善沥青及混合料水稳定性。