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(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)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(jié)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(shù)降低施工溫度所帶來的節(jié)能減排效益將更為明顯[2]。目前常用的溫拌技術(shù)可分為4大類：發(fā)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(shù)與SMA相結(jié)合的研究目前已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，李艷霞[4]研究了沸石發(fā)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(fā)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(yè)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(shù)的共同作用方式是顯著影響熱態(tài)混合料的施工狀態(tài)，而不影響冷態(tài)混合料的服役狀態(tài)。可以看出，不同類型溫拌技術(shù)在施工過程中發(fā)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(xù)到壓實階段，進而影響壓密程度和服役期性能，須結(jié)合不同溫拌技術(shù)進行單獨的研究[8]。

摻入含結(jié)晶水沸石粉是發(fā)泡降黏溫拌技術(shù)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(shù)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(tài)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(fā)泡降黏機理的沸石粉做溫拌添加劑，根據(jù)沸石粉參與SMA混合料拌和中的不同階段，分別設(shè)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(guī)路用性能等試驗，分析沸石粉發(fā)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(guī)律，評價沸石粉溫拌技術(shù)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(shù)指標及規(guī)范(《公路工程集料試驗規(guī)程(JTG E42—2005)》《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》)要求見表1—表3。

表1 礦料主要技術(shù)指標Tab.1 Technical performance of aggregate

表2 礦粉主要技術(shù)指標Tab.2 Technical performance of mineral powder

表3 SBS改性瀝青主要技術(shù)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(xué)角度看，沸石粉是由含水的鋁硅酸鹽組成；從結(jié)構(gòu)上來看，沸石粉是一種空間框架結(jié)構(gòu)，其框架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10],如圖1所示。沸石粉空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所包含的結(jié)晶水可以在高溫下持續(xù)釋放，與高溫瀝青作用使之發(fā)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(jié)構(gòu)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(jīng)驗選用混合料質(zhì)量的0.3%。

表5 SMA-13型礦料級配組成

2 結(jié)果與分析

2.1 沸石粉發(fā)泡及殘留物對瀝青的影響

沸石粉在瀝青中遇熱產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)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(fā)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(zhì)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(zhì)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(tài)下黏度的影響，本研究設(shè)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(zhuǎn)黏度計對改性瀝青及沸石粉-改性瀝青進行高溫狀態(tài)下表觀黏度的測定，選擇轉(zhuǎn)速50 r/min、21號轉(zhuǎn)子進行試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 沸石粉-改性瀝青黏溫關(guān)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(xù)性發(fā)泡物質(zhì)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(xù)試驗中應(yīng)設(shè)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(shè)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(fā)泡作用已經(jīng)結(jié)束，但其失去結(jié)晶水的殘留物依然可能對瀝青黏度產(chǎn)生影響。試驗結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)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(zhì)量、溫度變化的相互關(guān)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(shè)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(jié)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(zhì)量隨溫度變化規(guī)律基本一致，試驗溫度從40 ℃升到230 ℃的過程中，試樣質(zhì)量不發(fā)生改變，從230 ℃起，試樣質(zhì)量開始減少，當試驗溫度達到320 ℃時試樣質(zhì)量減少速度明顯提升，直至試驗溫度達到500 ℃后，試樣質(zhì)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(zhì)量殘余率為14.5%；摻加沸石粉的改性瀝青質(zhì)量殘余率為24.8%。2組試樣殘余質(zhì)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(tài)下氧化縮合的質(zhì)量變少了。原因是沸石粉中結(jié)晶水在高溫環(huán)境下蒸發(fā)之后，結(jié)構(gòu)中空隙吸附瀝青中的輕質(zhì)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(xué)性質(zhì)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(chǔ)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(guī)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(zhì)量的4%和6%，經(jīng)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(zhì)量的3.2%、4.8%。試驗結(jié)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(wěn)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(chǔ)指標，達到特定的空隙率是瀝青路面施工的關(guān)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(guān)；同等環(huán)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(guān)。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(shù)對混合料施工過程的影響[17-21]。

設(shè)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(shè)定為拌和溫度基礎(chǔ)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(jié)果如圖4所示。

圖4 溫拌溫度區(qū)間內(nèi)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(qū)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(qū)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(xù)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(shù)和馬歇爾穩(wěn)定度等力學(xué)性能參數(shù)，對比性試驗結(jié)果見表8。

表8 溫拌與熱拌SMA混合料體積參數(shù)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(wěn)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(xué)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(jié)果見表9。

表9 析漏與飛散試驗結(jié)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(guī)律的內(nèi)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(tài)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(jié)力下降，導(dǎo)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(nèi)且依然滿足工程技術(shù)標準。

2.3.3 沸石粉對混合料高溫穩(wěn)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(wěn)定性影響，試驗結(jié)果見表10。

表10 車轍試驗結(jié)果

溫拌SMA混合料的動穩(wěn)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(wěn)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(jié)果的差異的內(nèi)在原因。另一方面，瀝青膠漿或瑪蹄脂中沸石粉的發(fā)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(jié)果見表11。

表11 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

溫拌SMA混合料的破壞彎拉應(yīng)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(fā)泡殘留可能是帶來低溫性能差異的內(nèi)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(qū)別。

2.3.5 沸石粉對SMA混合料水穩(wěn)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(wěn)定性和凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見表12。

表12 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

溫拌SMA混合料的殘留穩(wěn)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(wěn)定性基本一致。

3 結(jié)論

(1)含結(jié)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(fā)泡作用結(jié)束后，降黏效應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(xué)性質(zhì)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(fā)泡結(jié)束后的針入度、延度及軟化點均略有變化，具體表現(xiàn)為針入度和延度降低，軟化點提高，該現(xiàn)象與在改性瀝青中摻入等量礦粉的性質(zhì)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(zhì)量0.3%，拌和與成型溫度降低20 ℃的SMA混合料，其力學(xué)性能、抗飛散性能、高溫穩(wěn)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。