不同溫拌技術(shù)對(duì)伸縮縫高黏瀝青性能影響研究

梅煜康 陳 剛 金大勇 張新玉 高玉峰

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 2.四川成渝高速公路股份有限公司成仁分公司 成都 610041；3.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 成都 610031)

橋梁伸縮縫是一種為適應(yīng)橋梁由溫濕變化、混凝土收縮徐變等原因引起的變形而設(shè)置的結(jié)構(gòu)，一般由高分子改性瀝青膠結(jié)料和單粒徑粗集料組成的彈塑體及底部支撐鋼板組成。作為橋面鋪裝和與其他部分的連接體，高黏彈的伸縮縫彈塑體能夠滿足溫度和汽車荷載引起的伸縮變形，適應(yīng)伸縮縫結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果檢測(cè)顯示，橋梁伸縮縫高溫車轍變形是伸縮縫結(jié)構(gòu)的主要病害之一，除材料自身性能不足以外，伸縮縫材料短期老化嚴(yán)重也是造成高溫性能不足的主要原因[1]。伸縮縫材料由于成分中膠結(jié)料黏度較大，施工過程中為了能夠達(dá)到足夠的流動(dòng)性和施工和易性，拌和時(shí)往往需要將彈塑體過量加熱，除了導(dǎo)致高聚合物改性瀝青膠結(jié)料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、造成材料性能下降之外，在施工過程中也易產(chǎn)生各種有毒氣體、危害現(xiàn)場(chǎng)施工人員身體健康、造成惡劣的環(huán)境污染和能源消耗，并且增加施工難度[2]。為此，需要研究合理降低膠結(jié)料在施工過程中加熱溫度的方法，以避免材料在使用前造成的短期老化、延長(zhǎng)材料使用壽命并提升彈塑體高溫性能，同時(shí)降低施工難度、減少能源消耗。

橋梁伸縮縫由于需要滿足橋梁伸縮變形，要求伸縮縫材料需要有一定的回彈性能，一般選用高摻量的高黏瀝青膠結(jié)料彈塑體。伸縮縫瀝青膠結(jié)料占整個(gè)伸縮縫彈塑體混合料質(zhì)量的20%～30%，彈塑體膠結(jié)料的穩(wěn)定性主要取決于膠結(jié)料的穩(wěn)定性。因此，如何合理有效降低彈塑體膠結(jié)料瀝青黏度是改善伸縮縫施工的關(guān)鍵。目前降低瀝青黏度主要采用溫拌劑改性技術(shù)，其中應(yīng)用最為廣泛的為有機(jī)添加劑溫拌技術(shù)和乳化瀝青溫拌技術(shù)[3-4]。有機(jī)添加劑溫拌劑是一種有機(jī)黏劑，其與瀝青膠結(jié)料有較好的相容性，能夠降低瀝青的施工溫度且對(duì)瀝青混合料的使用性能影響較?。蝗榛癁r青溫拌技術(shù)是用一種特殊的高濃度乳化瀝青替代普通熱瀝青進(jìn)行混合料的拌和，當(dāng)它參與拌和時(shí)，乳液中的水以蒸汽的形式釋放出來，降低了拌和與壓實(shí)時(shí)瀝青的黏度，并使其形成與熱拌瀝青混合料相當(dāng)?shù)墓叫阅?。但?duì)于溫拌劑的研究與應(yīng)用目前多聚焦于基質(zhì)瀝青，對(duì)于高聚合物改性瀝青研究使用較少[5]。因此，本研究聚焦探討適合伸縮縫膠結(jié)料的改性溫拌劑，用以降低膠結(jié)料黏度并改善材料高溫性能。

對(duì)于膠結(jié)料黏度測(cè)定，羅浩原等[6]研究表明，使用固定剪切速率的旋轉(zhuǎn)平板黏度測(cè)試法(rotational plate viscosity,RPV)能有效規(guī)避布式黏度法測(cè)試改性瀝青黏溫曲線時(shí)出現(xiàn)的剪切稀化效應(yīng)而導(dǎo)致的預(yù)測(cè)施工溫度偏高問題，其確定的施工溫度能使混合料的體積設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，同時(shí)充分發(fā)揮溫拌劑的降溫節(jié)能作用，更高效準(zhǔn)確地測(cè)量改性瀝青的表觀黏度。對(duì)于伸縮縫膠結(jié)料高溫性能評(píng)價(jià)，各國規(guī)范采用的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括軟化點(diǎn)、針入度、彈性恢復(fù)率，以及流動(dòng)值等。任東亞[7]、劉斌清等[8]通過對(duì)膠結(jié)料性能指標(biāo)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，受彈塑體膠結(jié)料聚合物摻量高以及其高延遲彈性恢復(fù)能力的影響，國內(nèi)外現(xiàn)行無縫伸縮縫膠結(jié)料規(guī)范采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)高黏彈瀝青膠結(jié)料高溫性能評(píng)價(jià)的一致性存在偏差，而基于多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)的黏彈特性指標(biāo)具有較好的一致性，且區(qū)分度明顯，適合作為評(píng)價(jià)無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料高溫性能的關(guān)鍵控制指標(biāo)[9-10]。

本研究選用目前常用的英國BJ型高分子聚合體改性瀝青膠結(jié)料作為研究對(duì)象，選用4種溫拌改性劑對(duì)其改性。使用固定剪切速率的RPV測(cè)定改性前后的膠結(jié)料黏溫曲線，根據(jù)材料的拌和與壓實(shí)溫度對(duì)應(yīng)的黏度，對(duì)比得出改性后膠結(jié)料的降溫效果，并結(jié)合多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，測(cè)定膠結(jié)料的高溫性能，綜合評(píng)價(jià)改性效果。最終選取適合伸縮縫膠結(jié)料的溫拌改性技術(shù)和產(chǎn)品，為改善伸縮縫施工，提升材料性能提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及試驗(yàn)儀器

1) 瀝青。選用無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料為英國BJ型高分子聚合體改性瀝青膠結(jié)料。根據(jù)JT/T 1129-2017《橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料》要求，瀝青膠結(jié)料相關(guān)基本性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 瀝青膠結(jié)料基礎(chǔ)性能

2) 溫拌劑。選取4種瀝青溫拌添加劑對(duì)膠結(jié)料進(jìn)行改性，分別為2種有機(jī)添加劑(南非產(chǎn)Sasobit溫拌劑和國產(chǎn)MW-1溫拌劑)和2種乳化瀝青溫拌改性劑(美國產(chǎn)Evotherm和國產(chǎn)ACMP-1)；溫拌劑添加工藝方式采用濕拌法；添加劑量選用產(chǎn)品針對(duì)基質(zhì)瀝青的推薦用量，而針對(duì)高黏彈瀝青膠結(jié)料的最佳摻量取值還需進(jìn)一步研究對(duì)比。溫拌劑相關(guān)性能見表2。

表2 溫拌劑基礎(chǔ)性能

1.2 試驗(yàn)方案

1) 黏度試驗(yàn)。采用Discover HR-3型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，試驗(yàn)試件為DSR標(biāo)準(zhǔn)試件，瀝青試樣采用硅膠平板模具成型，高度2 mm，直徑25 mm；利用RPV進(jìn)行固定剪切速率下的黏溫曲線掃描，溫度從120～200 ℃，按10 ℃梯度升溫；根據(jù)RPV對(duì)基質(zhì)瀝青的使用經(jīng)驗(yàn)，采用固定剪切速率40 s-1得到的黏溫曲線與相應(yīng)混合料的最優(yōu)壓實(shí)度、最小空隙率的相關(guān)程度最大，因此剪切速率為固定剪切速率40 s-1。

2) 瀝青膠結(jié)料高溫性能試驗(yàn)。采用DSR對(duì)伸縮縫瀝青進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)。試驗(yàn)試件與黏度試驗(yàn)一致，使用25 mm 的轉(zhuǎn)子，試件厚度2 mm，應(yīng)變水平為0.5%，頻率為10 rad/s，試驗(yàn)采用58，64，70，76，82 ℃ 5個(gè)溫度；MSCR試驗(yàn)首先采用100 Pa的剪應(yīng)力加載1 s，卸載9 s，重復(fù)10個(gè)周期，接著采用3 200 Pa的剪應(yīng)力重復(fù)以上步驟，共20個(gè)周期。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 旋轉(zhuǎn)平板表觀黏度測(cè)試結(jié)果

瀝青混合料的拌和溫度主要取決于其膠結(jié)料黏度，瀝青黏度隨溫度升高而衰減變化的曲線稱為黏溫曲線，是定量評(píng)價(jià)瀝青拌和溫度的重要方法之一。旋轉(zhuǎn)平板表觀黏度法測(cè)定的原樣膠結(jié)料與4種改性后膠結(jié)料120～200 ℃的黏溫曲線見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)平板表觀黏度測(cè)試結(jié)果黏溫曲線

現(xiàn)場(chǎng)研究顯示，伸縮縫瀝青膠結(jié)料由于黏度過高，將其黏度下降至基質(zhì)瀝青的拌和黏度時(shí)所需加熱的溫度需要超過200 ℃，所以實(shí)際施工過程中一般選用190 ℃作為其拌和溫度，根據(jù)黏溫曲線對(duì)應(yīng)結(jié)果，此時(shí)材料黏度為4.14 Pa·s；壓實(shí)溫度約為180 ℃，對(duì)應(yīng)的黏度為6.12 Pa·s。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在原樣膠結(jié)料拌和黏度下，4種改性樣品對(duì)應(yīng)的拌和溫度分別為ACMP1-175 ℃、MW1-180 ℃、Sasobit-181 ℃和Evotherm-185 ℃；在壓實(shí)黏度下的對(duì)應(yīng)溫度分別為ACMP1-165 ℃、MW1-170 ℃、Sasobit-172 ℃和Evotherm-172 ℃。由試驗(yàn)結(jié)果可得，添加溫拌劑之后膠結(jié)料的黏度均有所下降；中低溫時(shí)膠結(jié)料黏度大，此時(shí)溫拌劑降黏效果越好；隨著溫度上升，膠結(jié)料的黏度迅速下降，降溫效果逐漸減弱；ACMP-1型溫拌劑降黏效果最好，降低溫度約15 ℃，說明該種溫拌劑與膠結(jié)料有較好的相容性。

2.2 MSCR試驗(yàn)指標(biāo)

高分子聚合體改性瀝青膠結(jié)料具有一定的延遲彈性恢復(fù)性能，在一定時(shí)間內(nèi)，恢復(fù)的變形量越大，則膠結(jié)料抵抗高溫變形的能力越好。多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)2種應(yīng)力加載模式下10個(gè)循環(huán)周期平均應(yīng)變恢復(fù)率分別為R0.1和R3.2，2種應(yīng)變恢復(fù)率相對(duì)差值為Rdiff，膠結(jié)料在不同溫度下恢復(fù)率相對(duì)差異試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 膠結(jié)料在不同溫度下恢復(fù)率相對(duì)差異

由圖2可知，在0.1 kPa作用下，5種試驗(yàn)樣品伸縮縫膠結(jié)料在試驗(yàn)溫度下平均恢復(fù)率均大于95%，且樣品之間的結(jié)果差距小于3%，改性后的膠結(jié)料的平均恢復(fù)率均略高于原樣膠結(jié)料，說明樣品膠結(jié)料在線彈性范圍內(nèi)均具有很好的回彈性能。在3.2 kPa作用條件下，膠結(jié)料的平均恢復(fù)率隨溫度的增加逐漸減小。當(dāng)試驗(yàn)溫度超過76 ℃時(shí)，原樣膠結(jié)料的R3.2下降速率變快，原因是在高溫高應(yīng)力的綜合作用下，膠結(jié)料從線性流變區(qū)域進(jìn)入非線性流變區(qū)域，材料性能隨溫度變化變得敏感。溫拌改性膠結(jié)料的R3.2相較于原樣膠結(jié)料均有明顯提升，4種改性后的膠結(jié)料在76 ℃以上時(shí)，恢復(fù)率提升10%～16%，效果提升排序：MW-1>Evotherm>Sasobit>ACMP-1。膠結(jié)料改性后對(duì)應(yīng)力的敏感性下降，在高溫狀態(tài)下材料抗變形能力更好，其中MW-1型溫拌改性劑對(duì)原材料的應(yīng)力敏感性改善效果最好。

膠結(jié)料受到應(yīng)力作用后，不可恢復(fù)的形變會(huì)逐漸累積形成車轍，MSCR試驗(yàn)中不可恢復(fù)應(yīng)變是評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料高溫抗車轍能力的重要指標(biāo)。2種應(yīng)力狀態(tài)下，10個(gè)循環(huán)周期平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠謩e為Jnr0.1和Jnr3.2，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康南鄬?duì)差值為Jnr-diff，膠結(jié)料在不同溫度下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎町愒囼?yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 膠結(jié)料在不同溫度下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎町?/p>

圖3結(jié)果表明，在線彈性范圍內(nèi)，膠結(jié)料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不可恢復(fù)蠕變與溫度上升成正比。試驗(yàn)溫度大于70 ℃之后，膠結(jié)料黏度下降，由應(yīng)力產(chǎn)生的變形快速增加。原樣膠結(jié)料溫度敏感性高，試驗(yàn)溫度大于76 ℃后不可恢復(fù)蠕變顯著上升；而經(jīng)過溫拌劑改性后，材料的高溫抗變形性能均有上升，特別是溫度大于76 ℃的實(shí)驗(yàn)條件，膠結(jié)料抗變形能力提升明顯。

試驗(yàn)結(jié)果表明，原樣膠結(jié)料適用于76 ℃以下的工作環(huán)境，經(jīng)過溫拌改性劑改性之后，膠結(jié)料高溫抗變形能力提升，可以適應(yīng)76～82 ℃的工作環(huán)境。綜合MSCR試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)，溫拌劑對(duì)材料的高溫抗變形能力提升效果排序?yàn)镾asobit>MW-1>Evotherm>ACMP-1。

3 結(jié)論

1) 溫拌劑的添加能夠有效降低高黏彈瀝青膠結(jié)料的黏度，降低高黏彈瀝青膠結(jié)料的施工拌和溫度和壓實(shí)溫度，降低施工難度。同時(shí)由于加熱溫度的降低，膠結(jié)料在施工過程中產(chǎn)生的短期老化效應(yīng)得到相應(yīng)改善，間接提升瀝青膠結(jié)料相關(guān)性能，使其能更好地適應(yīng)橋梁伸縮縫多變的工作環(huán)境。4種溫拌改性劑的降黏效果排序?yàn)锳CMP-1>MW-1>Sasobit>Evotherm。

2) MSCR多應(yīng)力重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果顯示，溫拌劑的添加能夠改善高黏彈瀝青膠結(jié)料的高溫性能，原材料在溫度上升至82 ℃時(shí)不可恢復(fù)蠕變上升，抗高溫變形能力快速下降；改性后的膠結(jié)料可適用于76 ℃～82 ℃以上的工作環(huán)境，對(duì)于橋梁伸縮縫的高溫工作環(huán)境材料實(shí)用性能提升明顯；4種溫拌材料的高溫改性效果排序：Sasobit>MW-1>Evotherm>ACMP-1；有機(jī)添加劑對(duì)高黏彈瀝青的高溫性能提升效果優(yōu)于乳化瀝青溫拌劑。改性后膠結(jié)料回彈性能和抗變形能力均有提升，并且能夠適應(yīng)80 ℃以上的工作環(huán)境。

3) 綜合黏度試驗(yàn)和MSCR試驗(yàn)結(jié)果，MW-1型溫拌改性劑用于高黏彈瀝青膠結(jié)料后能夠降低高黏彈瀝青膠結(jié)料施工過程中的拌和溫度和壓實(shí)溫度10 ℃，同時(shí)能夠較好地改善瀝青膠結(jié)料的高溫性能，提升10%左右的高溫性能，使膠結(jié)料能夠更好地適應(yīng)伸縮縫的工作環(huán)境。