劉寧， 劉黎萍， 黃頌昌， 陸青清， 程志強(qiáng)

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京），北京 100088； 3.上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海 200082； 4.上海綠色路面材料工程技術(shù)研究中心，上海 200082）

瀝青混合料是由瀝青與填料（集料+礦粉）組成的多相復(fù)合材料［1］.作為瀝青與填料的紐帶，界面相是影響瀝青混合料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而瀝青-填料交互作用對(duì)界面相的形成起著重要作用，直接關(guān)系到瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性［2?5］.

在全球變暖和能源短缺的發(fā)展背景下，作為一種新興的綠色筑路技術(shù)，沸石發(fā)泡瀝青溫拌混合料因具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，在鋪面工程中有著廣闊的應(yīng)用前景［6］.與熱拌瀝青混合料相比，沸石發(fā)泡瀝青溫拌混合料存在水穩(wěn)定性差的問(wèn)題，而瀝青-填料交互作用是影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.根據(jù)列賓捷爾的研究：瀝青-填料交互作用在填料表面形成具有不同流變特性的結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青，結(jié)構(gòu)瀝青的黏度較自由瀝青大［7］.瀝青-填料交互作用越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)瀝青占比越大，界面流變能力越差［8］.因此，基于流變特性的交互作用參數(shù)可反映瀝青-填料交互作用能力.現(xiàn)有瀝青-填料交互作用評(píng)價(jià)模型包括：基于黏度的黏度系數(shù)和特性黏數(shù)（［η］），基于復(fù)數(shù)模量的復(fù)數(shù)模量系數(shù)、愛(ài)因斯坦系數(shù)和Palierne-C-G*系數(shù)，以及基于相位角的Luis Ibrarra-A-δ系數(shù)和Ziegel-B-δ系數(shù)［9］.目前，對(duì)交互作用評(píng)價(jià)指標(biāo)使用條件的研究已取得了一定的成果［10?14］，而對(duì)瀝青-填料交互作用的研究多集中在溫度，加載頻率，填料的類型、粒徑、體積分?jǐn)?shù)，以及瀝青的類型、老化的影響方面［15?21］，尚未對(duì)沸石發(fā)泡瀝青-填料交互作用進(jìn)行研究.

為研究Aspha-min沸石對(duì)SBS改性瀝青-填料交互作用的影響，本文通過(guò)流變學(xué)試驗(yàn)研究了沸石、沸石礦物和沸石水對(duì)SBS改性瀝青及其膠漿流變特性的影響.進(jìn)一步，利用基于流變特性的交互作用評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了沸石、沸石礦物和沸石水對(duì)SBS改性瀝青-填料交互作用的影響.本研究可揭示沸石發(fā)泡劑對(duì)瀝青材料性能的作用機(jī)理，對(duì)其在瀝青混合料中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義.

1 材料與方法

1.1 材料

瀝青選用平湖市恒達(dá)改性瀝青有限公司生產(chǎn)的Ⅰ-D 型SBS改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.沸石為德國(guó)Eurovia公司生產(chǎn)的Aspha-min沸石，其主要成分為硅鋁酸鈉，是一種具有特殊多孔結(jié)構(gòu)且不溶于水的白色粉末，密度為2.0 g/cm3，平均粒徑在380 μm左右，含約21%1）文中涉及的含量和粉膠比等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.的結(jié)合水，在85～182 ℃時(shí)可釋放自身結(jié)合水.沸石礦物由沸石烘干脫水得到，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定Aspha-min沸石300 ℃的失水率約為17%.填料為石灰?guī)r礦粉，密度為2.758 g/cm3，試驗(yàn)前先過(guò)0.075 mm篩，再在105 ℃下烘4 h.

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of SBS modified asphalt

1.2 試樣制備

試驗(yàn)選用SBS改性瀝青和Aspha-min沸石，考慮沸石礦物和沸石共2種沸石含水狀態(tài)，設(shè)計(jì)1%、3%、5%、7%和9%共5個(gè)沸石摻量（以瀝青質(zhì)量計(jì)），沸石礦物摻量=沸石摻量×（1-沸石失水率），制備沸石礦物改性瀝青（瀝青+沸石礦物）和沸石發(fā)泡改性瀝青（瀝青+沸石）.先用發(fā)泡容器稱取瀝青，然后移至電熱套內(nèi)加熱控溫.待控溫至試驗(yàn)溫度170 ℃后，按設(shè)計(jì)摻量稱取相應(yīng)質(zhì)量的沸石/沸石礦物添加到瀝青中，隨即開(kāi)啟攪拌器以200 r/min攪拌10 min.

進(jìn)一步，選用石灰?guī)r礦粉作填料，為避免顆粒結(jié)構(gòu)化，在填料臨界體積分?jǐn)?shù)40%范圍內(nèi)［22］，設(shè)定粉膠比為1（對(duì)應(yīng)填料體積分?jǐn)?shù)為37%），制備沸石礦物改性瀝青膠漿（瀝青+填料+沸石礦物）和沸石發(fā)泡改性瀝青膠漿（瀝青+填料+沸石）.先用發(fā)泡容器稱取瀝青，然后移至電熱套內(nèi)加熱控溫.待控溫至試驗(yàn)溫度170 ℃后，按設(shè)定粉膠比稱取相應(yīng)質(zhì)量的填料分3次（5 min/次）加入到瀝青中.接著，按設(shè)計(jì)摻量稱取相應(yīng)質(zhì)量的沸石/沸石礦物添加到瀝青中，期間采用攪拌器以200 r/min攪拌25 min.

試樣制備及測(cè)試分析流程圖如圖1所示.圖中RV表示旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，DSR表示動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn).

圖1 試樣制備及測(cè)試分析流程圖Fig.1 Flow chart of sample preparation and testing analysis

1.3 測(cè)試方法

采用布氏黏度計(jì)測(cè)定試樣在170 ℃下的黏度（η）.測(cè)試選用27#轉(zhuǎn)子，設(shè)定轉(zhuǎn)速為50.0 r/min.

在TA牌AR 1500EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）上對(duì)試樣進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，測(cè)定其在58、64、70、76、82 ℃的復(fù)數(shù)模量（G*）和相位角（δ）.試驗(yàn)選用平行板直徑為25 mm，兩板間隙為1 mm.試驗(yàn)采用應(yīng)變控制，在12%的應(yīng)變水平下，以（10.0±0.1）r/s的頻率施加正弦振蕩荷載.

1.4 瀝青-填料交互作用評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)前述介紹，本文選用交互作用評(píng)價(jià)指標(biāo)［η］、Palierne-C-G*和Luis Ibrarra-A-δ對(duì)瀝青-填料交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià).

［η］用于描述固體顆粒與液體交互作用的強(qiáng)弱，其數(shù)值大小與固體顆粒的濃度無(wú)關(guān).對(duì)于填料體積分?jǐn)?shù)不大的瀝青膠漿，填料顆粒充分分散且以單粒形式被包裹于瀝青中，界面無(wú)滑動(dòng)，類似于懸浮體系.當(dāng)用［η］來(lái)評(píng)價(jià)瀝青-填料交互作用時(shí)，可采用Einstein模型進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式（1）、（2）.［η］值越大，則瀝青-填料交互作用越強(qiáng)［23］.

式中：ηc為膠漿黏度，Pa·s；ηm為瀝青黏度，Pa·s；φf(shuō)為填料體積分?jǐn)?shù)，%；mf、mz和mm分別為填料、沸石/沸石礦物和瀝青的質(zhì)量，g；ρf、ρz和ρm分別為填料、沸石/沸石礦物和瀝青的密度，g/cm3.

瀝青與填料的交互作用評(píng)價(jià)指標(biāo)Palierne-C-G*由Palierne理論模型推導(dǎo)得出，可通過(guò)測(cè)定瀝青及其膠漿的復(fù)數(shù)模量進(jìn)行計(jì)算.Palierne-C-G*的物理意義為對(duì)填料體積分?jǐn)?shù)的一種修正.例如，對(duì)填料體積分?jǐn)?shù)為φf(shuō)的瀝青膠漿，由于瀝青-填料交互作用，填料表面吸附了一層強(qiáng)極性瀝青膜，使得填料實(shí)際有效體積分?jǐn)?shù)變?yōu)棣說(shuō)C.采用參數(shù)C描述瀝青-填料交互作用的強(qiáng)弱，C值越大，則瀝青-填料交互作用越強(qiáng)［24］.C的計(jì)算式如下：

Luis Ibrarra-A-δ模型起初用于評(píng)價(jià)復(fù)合材料的界面能量損耗.對(duì)于顆粒填充復(fù)合材料，除了基體相和填充相外，界面相的分子運(yùn)動(dòng)同樣也對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)損耗有貢獻(xiàn).因此，可通過(guò)評(píng)估界面的力學(xué)損耗來(lái)定量地評(píng)價(jià)復(fù)合材料中基體相和填充相的交互作用能力.

對(duì)于由瀝青和填料組成的復(fù)合材料，瀝青-填料交互作用會(huì)形成界面相.依據(jù)三相模型，瀝青膠漿的損耗因子可采用下式計(jì)算：

式中：δc為膠漿相位角，（°）；δf為填料相位角，（°）；δi為界面相位角，（°）；δm為瀝青相位角，（°）；φi為界面體積分?jǐn)?shù)，%；φm為瀝青體積分?jǐn)?shù)，%.

由于填料為剛性顆粒，可假定tanδf=0，并且界面區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)很小，因此式（4）可簡(jiǎn)寫(xiě)為：

參數(shù)A表示瀝青-填料交互作用的強(qiáng)弱，A值越小，則瀝青-填料交互作用越強(qiáng)［25］.為方便求解，式（5）可改寫(xiě)為：

2 結(jié)果與討論

2.1 流變特性

通過(guò)旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)和溫度掃描試驗(yàn)，測(cè)定了沸石礦物改性瀝青及其膠漿和沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的流變特性（η、G*和δ），分析了沸石、沸石礦物和沸石水對(duì)SBS改性瀝青及其膠漿流變特性的影響.

2.1.1 沸石摻量的影響

沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的流變特性與沸石摻量的關(guān)系如圖2所示.

圖2 沸石發(fā)泡改性瀝青材料流變特性與沸石摻量的關(guān)系Fig.2 Relationship between rheological properties of zeolite foamed modified asphalt materials and zeolite dosage

由圖2可以看出，在SBS改性瀝青及其膠漿中添加沸石，其黏度和復(fù)數(shù)模量均增大，且隨沸石摻量的增加而增大，而相位角呈相反規(guī)律.根據(jù)沸石的物質(zhì)組成，沸石對(duì)瀝青或膠漿性能的影響主要來(lái)自沸石礦物和沸石水.當(dāng)沸石被添加到瀝青或膠漿中，其自身的沸石礦物會(huì)起到體積填充和物理吸附的作用，吸附瀝青中的輕質(zhì)組分使瀝青發(fā)生組分分離，增加瀝青中膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的結(jié)合度，使得瀝青或膠漿由黏彈性向彈性轉(zhuǎn)變.相反，沸石水蒸發(fā)使瀝青發(fā)泡而降黏，但由于水存在于瀝青中在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，隨著發(fā)泡時(shí)間的延長(zhǎng)，沸石水不斷逸出，嚴(yán)重削弱其對(duì)瀝青的降黏作用.綜合看來(lái)，沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的黏度和復(fù)數(shù)模量隨著沸石摻量的增加而增大，說(shuō)明沸石礦物對(duì)瀝青或膠漿彈性的增強(qiáng)作用大于沸石水的削弱作用，故沸石礦物是影響沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿流變特性的主導(dǎo)因素.

由圖2還可以看出，沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的復(fù)數(shù)模量和相位角均隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小.復(fù)數(shù)模量的減小主要是因?yàn)?，隨溫度升高，瀝青中的黏性成分增加，彈性減小.相位角的減小是因?yàn)镾BS是一種熱塑性彈性體，在試驗(yàn)溫度下為固體，起著物理交聯(lián)和增強(qiáng)效果，會(huì)使SBS改性瀝青在高溫下的黏滯阻力增大，所以沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的相位角隨試驗(yàn)溫度升高而減小.

2.1.2 沸石礦物摻量的影響

沸石礦物改性瀝青及其膠漿的流變特性與沸石礦物摻量的關(guān)系如圖3所示.

圖3 沸石礦物改性瀝青材料流變特性與沸石礦物摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between rheological properties of zeolite mineral modified asphalt materials and zeolite mineral dosage

由圖3可以看出：在SBS改性瀝青及其膠漿中添加沸石礦物，其黏度和復(fù)數(shù)模量均增大，且隨著沸石礦物摻量的增加逐漸增大，而相位角呈相反規(guī)律.主要原因是：沸石礦物的體積填充和物理吸附作用增加了瀝青或膠漿的彈性；沸石礦物改性瀝青及其膠漿的復(fù)數(shù)模量和相位角均隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小.這與沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的試驗(yàn)結(jié)果一致.

2.1.3 沸石水的影響

將圖2、3中沸石礦物改性瀝青及其膠漿和沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的流變特性進(jìn)行比較，可以看出，在同一摻量下，添加沸石礦物的SBS改性瀝青及其膠漿的黏度和復(fù)數(shù)模量均在不同程度上大于添加沸石的，而相位角呈相反規(guī)律.與沸石礦物不同，沸石受熱后會(huì)釋放自身的沸石水，沸石水蒸發(fā)使瀝青發(fā)泡，增加了瀝青中的黏性成分，同時(shí)可降低瀝青與填料間的摩阻力，使得瀝青或膠漿由彈性向黏彈性轉(zhuǎn)變.說(shuō)明沸石水對(duì)瀝青或膠漿的彈性具有削弱作用，可知沸石水是影響瀝青及其膠漿流變特性的重要因素.

2.2 瀝青-填料交互作用

基于沸石礦物改性瀝青及其膠漿和沸石發(fā)泡改性瀝青及其膠漿的流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，利用交互作用參數(shù)［η］、Palierne-C-G*和Luis Ibrarra-A-δ評(píng)價(jià)沸石礦物改性瀝青-填料和沸石發(fā)泡改性瀝青-填料的交互作用，分析沸石、沸石礦物和沸石水對(duì)SBS改性瀝青-填料交互作用的影響.

2.2.1 沸石摻量的影響

沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用參數(shù)與沸石摻量的關(guān)系如圖4所示.

圖4 沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用參數(shù)與沸石摻量的關(guān)系Fig.4 Relationship between zeolite foamed modified asphalt?filler interaction parameters and zeolite dosage

由圖4可以看出，沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用參數(shù)［η］和Palierne?C?G*均隨著沸石摻量的增加而增大，而Luis Ibrarra?A?δ呈相反規(guī)律.這說(shuō)明沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用隨沸石摻量增加而增強(qiáng).究其原因，沸石中的沸石礦物在瀝青中可起到體積填充和物理吸附作用.具有多孔結(jié)構(gòu)的沸石礦物易吸附瀝青中的低分子量油分（如：飽和分與芳香分），使得瀝青發(fā)生一定程度的組分分離，促進(jìn)了瀝青中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的結(jié)合度.相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，瀝青中四組分對(duì)瀝青-填料交互作用分別具有不同的貢獻(xiàn)：其中飽和分與芳香分屬非極性分子化合物，其與填料的作用僅為范德華力；而存在于瀝青質(zhì)和膠質(zhì)中的表面活性成分對(duì)瀝青-填料交互作用具有積極作用［16］.

由圖4還可看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用參數(shù)Palierne-C-G*增大，而Luis Ibrarra-A-δ減小.說(shuō)明溫度越高，沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用越強(qiáng).這主要是因?yàn)闇囟壬呒觿×藶r青中分子的熱運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)瀝青的形成，有助于瀝青-填料交互作用的增強(qiáng).這與Liu等［26］的研究結(jié)論一致.

2.2.2 沸石礦物摻量的影響

沸石礦物改性瀝青-填料交互作用參數(shù)與沸石礦物摻量的關(guān)系如圖5所示.

圖5 沸石礦物改性瀝青-填料交互作用參數(shù)與沸石礦物摻量的關(guān)系Fig.5 Relationship between zeolite mineral modified asphalt?filler interaction parameters and zeolite mineral dosage

由圖5可以看出，沸石礦物改性瀝青-填料交互作用參數(shù)［η］和Palierne-C-G*均隨著沸石礦物摻量的增加而增大，Luis Ibrarra-A-δ則呈相反規(guī)律.這說(shuō)明沸石礦物改性瀝青-填料交互作用隨著沸石礦物摻量的增加而增強(qiáng).這與沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用隨沸石摻量的變化規(guī)律一致.同樣歸因于沸石礦物對(duì)瀝青的體積填充和物理吸附作用，其對(duì)瀝青-填料交互作用具有增強(qiáng)效果.

由圖5還可看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，沸石礦物改性瀝青-填料交互作用參數(shù)Palierne-C-G*增大，而Luis Ibrarra-A-δ減小.說(shuō)明溫度越高，沸石礦物改性瀝青-填料交互作用越強(qiáng).這與沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用隨溫度的變化規(guī)律一致.

2.2.3 沸石水的影響

將圖4、5中沸石礦物改性瀝青-填料與沸石發(fā)泡改性瀝青-填料的交互作用參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在同一摻量下，沸石礦物改性瀝青-填料交互作用參數(shù)［η］和Palierne-C-G*均在不同程度上大于沸石發(fā)泡改性瀝青-填料，而Luis Ibrarra-A-δ呈現(xiàn)相反規(guī)律.這表明沸石礦物改性瀝青-填料交互作用大于沸石發(fā)泡改性瀝青-填料交互作用，說(shuō)明沸石水對(duì)瀝青-填料交互作用具有削弱效果.不同于沸石礦物改性瀝青，沸石發(fā)泡改性瀝青中殘留的沸石水傾向于吸附在極性更強(qiáng)的填料表面，這可能是導(dǎo)致沸石發(fā)泡瀝青溫拌混合料水穩(wěn)定性變差的原因之一.

3 結(jié)論

（1）在SBS改性瀝青及其膠漿中添加沸石或沸石礦物均會(huì)使其彈性增大，且隨著兩者摻量的增加其彈性增大.但在同一摻量下，添加沸石礦物的瀝青或膠漿的彈性大于添加沸石的，說(shuō)明沸石發(fā)泡瀝青及其膠漿中的沸石水使其彈性降低.

（2）在SBS改性瀝青膠漿中添加沸石或沸石礦物均會(huì)使瀝青-填料交互作用增大，且隨著兩者摻量的增加而增大.但在同一摻量下，添加沸石礦物的瀝青-填料交互作用大于添加沸石的，說(shuō)明沸石水對(duì)沸石發(fā)泡瀝青-填料交互作用有削弱效果.

（3）添加沸石或沸石礦物的SBS改性瀝青膠漿中瀝青-填料交互作用均隨著試驗(yàn)溫度的升高而增大，說(shuō)明溫度的升高對(duì)沸石發(fā)泡瀝青-填料交互作用有促進(jìn)效果.