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(shè)中以其良好的使用性能受到工程建設(shè)者的青睞。傳統(tǒng)的瀝青混合料是一種熱拌熱鋪材料，在施工過程中會(huì)排放出大量的廢氣和粉塵，影響周圍的環(huán)境質(zhì)量和施工人員的身體健康[1]。國(guó)內(nèi)外道路工程科研人員已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究并取得豐碩成果，典型的溫拌瀝青混凝土即為節(jié)能減排的代表成果[2]。但是，溫拌瀝青混凝土的水穩(wěn)定性、耐久性遠(yuǎn)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(diǎn)[3]。坡縷石由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，使之具有增稠性、懸浮性、搖融性、觸變性、環(huán)保性等許多特殊的物化及工藝性能[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)坡縷石以及坡縷石改性瀝青進(jìn)行了初步的研究：霍成立對(duì)坡縷石復(fù)合功能材料的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了坡縷石改性的基礎(chǔ)方法[5]；吳寅瑞等人分析了坡縷石在建材領(lǐng)域的應(yīng)用，以及具備的功效[6]；楊福興針對(duì)坡縷石與高分子聚合物難以融合配伍性問題進(jìn)行了探討，提出了對(duì)坡縷石進(jìn)行有機(jī)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(duì)坡縷石改性瀝青的影響進(jìn)行了研究[8-9]。綜上可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)坡縷石改性瀝青的研究主要集中于坡縷石的有機(jī)改性、坡縷石對(duì)瀝青性能的影響等方面，坡縷石對(duì)熱拌瀝青混合料低碳減排性能的研究未見相關(guān)報(bào)道。

基于此，本文基于坡縷石礦物的突出優(yōu)點(diǎn)，將有機(jī)坡縷石粉摻配到瀝青混合料中，系統(tǒng)研究有機(jī)坡縷石對(duì)瀝青混合料路用性能影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其低碳減排性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用基礎(chǔ)瀝青為SBS改性瀝青，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)中規(guī)定的質(zhì)量要求。SBS改性瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

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

有機(jī)坡縷石粉由常規(guī)坡縷石粉經(jīng)有機(jī)改性后制備得到，有機(jī)坡縷石的主要物化性能指標(biāo)見表2。

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

所用粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉為石灰?guī)r礦粉。均符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ D50-2006)和JTG F40-2004中對(duì)其技術(shù)指標(biāo)的要求。

1.2 級(jí)配及油石比

瀝青混合料級(jí)配采用AC-13型，該級(jí)配被廣泛應(yīng)用于我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路面上面層，表現(xiàn)出良好的性能，AC-13型瀝青混合料礦料級(jí)配見表3。

表3 AC-13型瀝青混合料礦料級(jí)配Table 3 Aggregate gradation of AC-13 asphalt mixture

按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》與JTG F40-2004的相關(guān)規(guī)定，采用馬歇爾試驗(yàn)方法，確定瀝青混凝土的最佳瀝青用量為5.5%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 路用性能試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20-2011的相關(guān)規(guī)定，對(duì)有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)（-10℃）、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)等路用性能試驗(yàn)，研究有機(jī)坡縷石對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。試驗(yàn)過程中為保證混合料級(jí)配不發(fā)生變化，將有機(jī)坡縷石粉代替同等質(zhì)量的礦粉，制備試驗(yàn)樣品。

1.3.2 低碳減排性能試驗(yàn)

參照HJ/T 45-1999《固定污染源排氣中瀝青煙的測(cè)定 重量法》，在瀝青混合料拌和時(shí)進(jìn)行瀝青煙測(cè)試；采用尾氣分析儀對(duì)瀝青混凝土拌和時(shí)的CO、NOX進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料路用性能

2.1.1 力學(xué)性能

對(duì)不同摻量的有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，分析有機(jī)坡縷石粉對(duì)瀝青混合料穩(wěn)定度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖2所示。

圖1 混合料穩(wěn)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(jī)坡縷石改性瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值均滿足JTG F40-2004中對(duì)馬歇爾指標(biāo)的相關(guān)技術(shù)要求。隨著有機(jī)坡縷石粉摻量的增加，改性瀝青混合料的穩(wěn)定度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，流值呈下降趨勢(shì)。有機(jī)坡縷石摻量為20%的改性瀝青混合料與不摻有機(jī)坡縷石的瀝青混合料相比，其穩(wěn)定度增加幅度為23.6%，流值降低幅度為12.3%。表明有機(jī)坡縷石的摻入，使得改性瀝青混合料的強(qiáng)度增加、可塑性增加，提升了改性瀝青混合料的力學(xué)性能。

2.1.2 高溫穩(wěn)定性能

對(duì)不同摻量的有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料進(jìn)行車轍板試驗(yàn)，分析有機(jī)坡縷石粉對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 混合料動(dòng)穩(wěn)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(jī)坡縷石改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度的結(jié)果均遠(yuǎn)大于JTG F40-2004中對(duì)高溫穩(wěn)定性能指標(biāo)的技術(shù)要求。隨著有機(jī)坡縷石時(shí)摻量的增加，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。有機(jī)坡縷石摻量為20%的改性瀝青混合料與不摻有機(jī)坡縷石的瀝青混合料相比其動(dòng)穩(wěn)定度增加幅度為30.0%。表明有機(jī)坡縷石的摻入，改善了改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。

2.1.3 低溫抗裂性能

對(duì)不同摻量的有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，分析有機(jī)坡縷石粉對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Beam bending test results of mixtures

抗彎拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變是評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能的兩個(gè)指標(biāo)，其指標(biāo)數(shù)值越大表明瀝青混合料的低溫性能越好。由表4結(jié)果可知，隨著有機(jī)坡縷石摻量的增加，改性瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，破壞應(yīng)變則無規(guī)律可循。因此，在對(duì)有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料低溫性能評(píng)定時(shí)不能使用常規(guī)指標(biāo)。而瀝青混合料的應(yīng)變能密度臨界值指標(biāo)是混合料抗彎拉強(qiáng)度的和破壞應(yīng)用的綜合，能夠?qū)r青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行科學(xué)的評(píng)定。不同摻量有機(jī)坡縷石對(duì)改性瀝青混合料應(yīng)變能密度臨界值的影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 混合料應(yīng)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(jī)坡縷石摻量的增加，瀝青混合料應(yīng)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(jī)坡縷石摻量為20%改性瀝青混合料應(yīng)變能密度臨界值比SBS改性瀝青混合料高31.9%。表明有機(jī)坡縷石粉可改善瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性。

2.1.4 水穩(wěn)定性能

對(duì)不同摻量的有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，分析有機(jī)坡縷石粉對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

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

綜上所述，有機(jī)坡縷石粉對(duì)瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性都有較大的改善作用。主要是因?yàn)橛袡C(jī)坡縷石粉的增稠性和懸浮性改善了瀝青膠漿的結(jié)構(gòu)，使得經(jīng)其改性的瀝青混合料在高溫狀態(tài)下、水環(huán)境侵蝕下具備更好的力學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)有機(jī)坡縷石粉在低溫狀態(tài)下與瀝青中的重組分物質(zhì)結(jié)晶，使得輕質(zhì)組分被鎖定，共同形成了粗-細(xì)顆粒交互的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性。

2.2 有機(jī)坡縷石改性瀝青混合料低碳減排性能

根據(jù)路用性能試驗(yàn)結(jié)果，選用20%摻量的有機(jī)坡縷石進(jìn)行瀝青混合料低碳減排性能研究。拌和設(shè)備為改進(jìn)的小型拌和機(jī)，加裝封閉式蓋帽，并留有出氣口以及抽氣設(shè)備。測(cè)定瀝青混合料在拌和全過程中瀝青煙、CO、NOX的濃度，對(duì)其減排效能進(jìn)行研究。其中，對(duì)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(yàn)結(jié)果；實(shí)驗(yàn)組有機(jī)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(yàn)結(jié)果見表5。

表5 混合料低碳減排試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Low carbon emission reduction test results of mixture

由表5可知，有機(jī)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(dá)50%，CO濃度降低幅度達(dá)40%，NOX濃度降低幅度達(dá)20%，表明有機(jī)坡縷石粉改性瀝青混合料具備較為優(yōu)良的低碳減排效能。主要是因?yàn)橛袡C(jī)坡縷石粉獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，使其能夠鎖定瀝青中的輕質(zhì)組分，在拌和高溫加熱過程中，減少了輕質(zhì)組分的揮發(fā)，從而降低了污染物的排放。

3 結(jié)論

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

（2）有機(jī)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(jī)坡縷石摻量為20%的改性瀝青混合料在拌和時(shí)的瀝青煙濃度降低幅度達(dá)50%，CO濃度降低幅度達(dá)40%，NOX濃度降低幅度達(dá)20%，表明有機(jī)坡縷石粉改性瀝青混合料具備較為優(yōu)良的低碳減排效能。