有机坡缕石改性沥青混合料性能研究*

杜 勇

(郑州市公路工程公司，河南郑州 450000)

热拌沥青混合料在公路建设中以其良好的使用性能受到工程建设者的青睐。传统的沥青混合料是一种热拌热铺材料，在施工过程中会排放出大量的废气和粉尘，影响周围的环境质量和施工人员的身体健康[1]。国内外道路工程科研人员已经对此进行了相关的研究并取得丰硕成果，典型的温拌沥青混凝土即为节能减排的代表成果[2]。但是，温拌沥青混凝土的水稳定性、耐久性远不足，剥落、松散等病害层出不穷。因此，热拌减排沥青混合料日趋成为道路科研工作者的研究热点[3]。坡缕石由于其独特的晶体结构，使之具有增稠性、悬浮性、摇融性、触变性、环保性等许多特殊的物化及工艺性能[4]。国内外学者也对坡缕石以及坡缕石改性沥青进行了初步的研究：霍成立对坡缕石复合功能材料的应用进行了研究，提出了坡缕石改性的基础方法[5]；吴寅瑞等人分析了坡缕石在建材领域的应用，以及具备的功效[6]；杨福兴针对坡缕石与高分子聚合物难以融合配伍性问题进行了探讨，提出了对坡缕石进行有机改性的措施和方法[7]；王有朋、高晓红等人分析了坡缕石改性沥青的性能，并对坡缕石改性沥青的影响进行了研究[8-9]。综上可知，国内外学者对坡缕石改性沥青的研究主要集中于坡缕石的有机改性、坡缕石对沥青性能的影响等方面，坡缕石对热拌沥青混合料低碳减排性能的研究未见相关报道。

基于此，本文基于坡缕石矿物的突出优点，将有机坡缕石粉掺配到沥青混合料中，系统研究有机坡缕石对沥青混合料路用性能影响，在此基础上，对其低碳减排性能进行系统研究。

1 试验部分

1.1 试验原材料

试验所用基础沥青为SBS改性沥青，经试验测定各项技术指标均符合公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)中规定的质量要求。SBS改性沥青的技术性能指标见表1。

表1 SBS改性沥青的基本性能指标Table 1 Basic properties indexes of SBS modified asphalt

有机坡缕石粉由常规坡缕石粉经有机改性后制备得到，有机坡缕石的主要物化性能指标见表2。

表2 有机坡缕石物化性能指标Table 2 Physical and chemical properties indexes of organic palygorskite

所用粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰岩矿粉。均符合《公路沥青路面设计规范》(JTJ D50-2006)和JTG F40-2004中对其技术指标的要求。

1.2 级配及油石比

沥青混合料级配采用AC-13型，该级配被广泛应用于我国高等级公路沥青路面上面层，表现出良好的性能，AC-13型沥青混合料矿料级配见表3。

表3 AC-13型沥青混合料矿料级配Table 3 Aggregate gradation of AC-13 asphalt mixture

按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》与JTG F40-2004的相关规定，采用马歇尔试验方法，确定沥青混凝土的最佳沥青用量为5.5%。

1.3 试验方法

1.3.1 路用性能试验

按照JTG E20-2011的相关规定，对有机坡缕石改性沥青混合料进行马歇尔稳定度试验、高温车辙试验、低温小梁弯曲试验（-10℃）、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验等路用性能试验，研究有机坡缕石对沥青混合料路用性能的影响。试验过程中为保证混合料级配不发生变化，将有机坡缕石粉代替同等质量的矿粉，制备试验样品。

1.3.2 低碳减排性能试验

参照HJ/T 45-1999《固定污染源排气中沥青烟的测定 重量法》，在沥青混合料拌和时进行沥青烟测试；采用尾气分析仪对沥青混凝土拌和时的CO、NOX进行检测。

2 结果与讨论

2.1 有机坡缕石改性沥青混合料路用性能

2.1.1 力学性能

对不同掺量的有机坡缕石改性沥青混合料进行马歇尔稳定度试验，分析有机坡缕石粉对沥青混合料稳定度的影响规律，试验结果如图1～图2所示。

图1 混合料稳定度变化曲线Fig.1 Stability change curves of mixtures

图2 混合料流值变化曲线Fig.2 Flow value change curves of mixtures

由图1、图2可知：不同掺量的有机坡缕石改性沥青混合料的稳定度和流值均满足JTG F40-2004中对马歇尔指标的相关技术要求。随着有机坡缕石粉掺量的增加，改性沥青混合料的稳定度呈增长趋势，流值呈下降趋势。有机坡缕石掺量为20%的改性沥青混合料与不掺有机坡缕石的沥青混合料相比，其稳定度增加幅度为23.6%，流值降低幅度为12.3%。表明有机坡缕石的掺入，使得改性沥青混合料的强度增加、可塑性增加，提升了改性沥青混合料的力学性能。

2.1.2 高温稳定性能

对不同掺量的有机坡缕石改性沥青混合料进行车辙板试验，分析有机坡缕石粉对沥青混合料高温稳定性的影响规律，试验结果如图3所示。

图3 混合料动稳定度变化曲线Fig.3 Dynamic stability change curve of mixtures

由图3可知，不同掺量的有机坡缕石改性沥青混合料的动稳定度的结果均远大于JTG F40-2004中对高温稳定性能指标的技术要求。随着有机坡缕石时掺量的增加，改性沥青混合料的动稳定度呈增长趋势。有机坡缕石掺量为20%的改性沥青混合料与不掺有机坡缕石的沥青混合料相比其动稳定度增加幅度为30.0%。表明有机坡缕石的掺入，改善了改性沥青混合料的高温稳定性能。

2.1.3 低温抗裂性能

对不同掺量的有机坡缕石改性沥青混合料进行低温小梁弯曲试验，分析有机坡缕石粉对沥青混合料低温抗裂性能的影响规律，试验结果见表4。

表4 混合料小梁弯曲试验结果Table 4 Beam bending test results of mixtures

抗弯拉强度和破坏应变是评价沥青混合料低温性能的两个指标，其指标数值越大表明沥青混合料的低温性能越好。由表4结果可知，随着有机坡缕石掺量的增加，改性沥青混合料的低温抗弯拉强度呈增长趋势，破坏应变则无规律可循。因此，在对有机坡缕石改性沥青混合料低温性能评定时不能使用常规指标。而沥青混合料的应变能密度临界值指标是混合料抗弯拉强度的和破坏应用的综合，能够对沥青混合料的低温抗裂性能进行科学的评定。不同掺量有机坡缕石对改性沥青混合料应变能密度临界值的影响规律如图4所示。

图4 混合料应变能密度临界值变化曲线Fig.4 The critical value of f lexural strain energy density change curve of mixtures

由图4可知，随着有机坡缕石掺量的增加，沥青混合料应变能密度临界值逐渐增高，且均高于普通SBS改性沥青混合料，有机坡缕石掺量为20%改性沥青混合料应变能密度临界值比SBS改性沥青混合料高31.9%。表明有机坡缕石粉可改善沥青混合料的低温稳定性。

2.1.4 水稳定性能

对不同掺量的有机坡缕石改性沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，分析有机坡缕石粉对沥青混合料水稳定性能的影响规律，试验结果如图5和图6所示。

图5 混合料残留稳定度变化曲线Fig.5 RMS change curve of mixtures

图6 混合料冻融劈裂残留强度比变化曲线Fig.6 TSR change curve of mixtures

由图5、图6可知：不同掺量的有机坡缕石改性沥青混合料残留稳定度（RMS）均大于85%，冻融劈裂残留强度比（TSR）均大于80%，满足JTG F40-2004中对沥青混合料水稳定性能指标的技术要求。随着有机坡缕石掺量的增加，沥青混合料的残留稳定度（RMS）和冻融劈裂残留强度比（TSR）均逐渐提升，且均高于普通SBS改性沥青混合料，有机坡缕石掺量为20%改性沥青混合料的残留稳定度（RMS）和冻融劈裂残留强度比（TSR）比SBS改性沥青混合料高7.33%和5.85%。表明表明有机坡缕石粉可改善沥青混合料的水温稳定性。

综上所述，有机坡缕石粉对沥青混合料的马歇尔稳定度、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性都有较大的改善作用。主要是因为有机坡缕石粉的增稠性和悬浮性改善了沥青胶浆的结构，使得经其改性的沥青混合料在高温状态下、水环境侵蚀下具备更好的力学稳定性。同时有机坡缕石粉在低温状态下与沥青中的重组分物质结晶，使得轻质组分被锁定，共同形成了粗-细颗粒交互的结晶结构，使沥青混合料抵抗剪切变形能力增加，从而提升了沥青混合料的低温稳定性。

2.2 有机坡缕石改性沥青混合料低碳减排性能

根据路用性能试验结果，选用20%掺量的有机坡缕石进行沥青混合料低碳减排性能研究。拌和设备为改进的小型拌和机，加装封闭式盖帽，并留有出气口以及抽气设备。测定沥青混合料在拌和全过程中沥青烟、CO、NOX的浓度，对其减排效能进行研究。其中，对比组SBS改性沥青混合料拌合3次，取污染物平均值做为试验结果；实验组有机坡缕石改性沥青混合料拌合3次，分别记录其污染物排放量，具体试验结果见表5。

表5 混合料低碳减排试验结果Table 5 Low carbon emission reduction test results of mixture

由表5可知，有机坡缕石粉能够大幅度降低沥青混合料在拌和过程中污染物的排放量。其中，沥青烟浓度降低幅度达50%，CO浓度降低幅度达40%，NOX浓度降低幅度达20%，表明有机坡缕石粉改性沥青混合料具备较为优良的低碳减排效能。主要是因为有机坡缕石粉独特的晶体结构，使其能够锁定沥青中的轻质组分，在拌和高温加热过程中，减少了轻质组分的挥发，从而降低了污染物的排放。

3 结论

（1）随着有机坡缕石粉掺量的增加，改性沥青混合料的力学性能、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性都有较大的提升。有机坡缕石掺量为20%的改性沥青混合料与不掺有机坡缕石的沥青混合料相比，其稳定度增加幅度为23.6%，动稳定度增加幅度为30.0%，应变能密度临界值增加幅度为31.9%，残留稳定度增加幅度为7.33%，冻融劈裂残留强度增加幅度为5.85%。表明有机坡缕石的掺入，使得改性沥青混合料的强度增加、可塑性增加、稳定性提升，有机坡缕石粉能够改善沥青混合料的路用性能。

（2）有机坡缕石粉能够大幅度降低沥青混合料在拌和过程中污染物的排放量。有机坡缕石掺量为20%的改性沥青混合料在拌和时的沥青烟浓度降低幅度达50%，CO浓度降低幅度达40%，NOX浓度降低幅度达20%，表明有机坡缕石粉改性沥青混合料具备较为优良的低碳减排效能。