溫拌瀝青膠漿高溫性能影響因素研究及預(yù)測(cè)

郭文玉，王玉蘭，曾俐豪

(1.昆明市五華區(qū)保障性住房管理服務(wù)中心，云南 昆明 650000； 2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250031； 3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引 言

近日，交通運(yùn)輸部印發(fā)的《加快推進(jìn)綠色循環(huán)低碳交通運(yùn)輸發(fā)展指導(dǎo)意見》指出，截至2020年年底，中國(guó)應(yīng)實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展，基本建成綠色循環(huán)低碳交通運(yùn)輸體系。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年年底，中國(guó)高速公路里程已超過13萬km，其中90%以上的高速公路均采用瀝青混合料進(jìn)行建設(shè)，每年產(chǎn)出的熱拌瀝青混合料數(shù)量過億噸，不僅消耗大量能源，還會(huì)排放大量廢氣和粉塵，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和施工人員的健康，降低公路建設(shè)碳排放已成為中國(guó)公路發(fā)展亟須解決的問題。

溫拌瀝青混合料(WMA)作為一種既滿足熱拌瀝青混合料性能又能降低大氣污染的新型技術(shù)，自1995年由歐洲Shell公司提出以來[1]，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其展開了大量研究：李華平等通過研究Sasobit溫拌劑對(duì)橡膠瀝青流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)其不僅可以降低橡膠瀝青施工溫度，還可提高橡膠瀝青高溫黏度[2]；李宏志等通過研究投料順序、溫拌劑種類對(duì)瀝青膠漿流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)投料順序?qū)r青膠漿性能無明顯影響[3]；Chaofanwu等研究溫拌劑對(duì)瀝青PG分級(jí)的影響發(fā)現(xiàn)，摻入Sasobit溫拌劑能有效提高瀝青PG等級(jí)[4]；Diefenderfer等研發(fā)多種不同類型溫拌劑，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究[5]；湯文等研究了不同回收料摻量對(duì)溫拌再生瀝青混合料性能的影響[6]；張海等研究了SEAM對(duì)瀝青流變特性的影響[7]；陸兆峰等研究了天然巖瀝青對(duì)瀝青流變特性的影響[8]。

縱觀近年對(duì)溫拌技術(shù)的研究重點(diǎn)，大都針對(duì)溫拌瀝青或混合料兩方面，鮮聞對(duì)溫拌瀝青的膠漿性能影響因素與預(yù)測(cè)研究，且瀝青混合料高溫性能影響因素繁多，難以一一定性分析。有研究表明瀝青膠漿對(duì)混合料高溫抗車轍性能影響較大，因此本文基于DSR試驗(yàn)測(cè)定不同瀝青膠漿試樣的車轍因子，并將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，與Buttlar公式預(yù)估數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為溫拌技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 原材料

1.1 瀝青

選用70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青，2類瀝青性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 溫拌劑

Sasobit與3G為目前市場(chǎng)常見的兩類溫拌劑。Sasobit是Fischer-Tropsch(FT)過程從煤氣化中生產(chǎn)的含有40～120個(gè)碳原子的長(zhǎng)鏈脂肪族烴，也被稱為FT固體石蠟；3G是美德維實(shí)偉克公司(MWV)的第三代技術(shù)產(chǎn)品，其含有的表面活性劑成分可改變?yōu)r青分子之間的極性、瀝青分子與集料之間的表面張力。兩類溫拌劑的性能指標(biāo)如表2所示。

表1 基質(zhì)瀝青與改性瀝青的性能指標(biāo)

表2 Sasobit與3G溫拌劑的性能指標(biāo)

2 溫拌瀝青膠漿的高溫性能

2.1 各因素對(duì)溫拌瀝青膠漿高溫性能的影響

為研究溫拌瀝青膠漿高溫性能的影響因素，采用上文所選原材料制備瀝青膠漿試樣，基于DSR試驗(yàn)掃描各試樣車轍因子(G*/sinδ)評(píng)價(jià)其高溫性能，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示[9-10]。后文中試樣按照瀝青種類-溫拌劑種類-摻量-粉膠比-試驗(yàn)溫度的形式表示，如A-S-4-1.2-65表示試驗(yàn)溫度為65 ℃下?lián)饺?%Sasobit且粉膠比為1.2的溫拌基質(zhì)瀝青膠漿。

2.1.1 瀝青類型的影響

瀝青種類對(duì)試樣車轍因子的影響如圖1所示，由表3、圖1可知：無論其他因素如何改變，SBS改性瀝青膠漿的抗車轍能力均優(yōu)于基質(zhì)瀝青膠漿，SBS改性瀝青膠漿車轍因子均值較基質(zhì)瀝青膠漿提高了626.4%。這主要是由于，SBS顆粒摻入后吸收瀝青中的油分發(fā)生溶脹反應(yīng)，SBS微粒逐漸形成相互貫穿的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，瀝青呈現(xiàn)出良好的彈塑性，此時(shí)瀝青高溫性能得到明顯改善。

表3 各因素對(duì)溫拌瀝青膠漿車轍因子影響

注：A為基質(zhì)瀝青，B為SBS改性瀝青；S為Sasobit溫拌劑，G為3G溫拌劑，N為未摻入溫拌劑。

圖1 瀝青種類對(duì)試樣車轍因子影響

2.1.2 溫拌劑類型影響分析

對(duì)比表3中編號(hào)為1、3、5與6、8、10兩組數(shù)據(jù)可知以下幾點(diǎn)。

(1)摻入Sasobit溫拌劑能有效提高瀝青膠漿的抗車轍性能，摻入Sasobit溫拌劑的試樣車轍因子較未摻溫拌劑的試樣提高了19%，說明Sasobit溫拌劑能有效改善瀝青膠漿的高溫性能。這是由于：當(dāng)溫度低于融點(diǎn)時(shí)，會(huì)在瀝青膠結(jié)料中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，增加瀝青膠結(jié)料的穩(wěn)定性，提高路面的抗車轍性能。因此Sasobit溫拌劑不僅可以降低瀝青混合料的施工溫度，還可提高常溫狀態(tài)下瀝青路面的抗車轍性能[11]。溫拌劑種類對(duì)試樣車轍因子影響如圖2所示。

圖2 溫拌劑種類對(duì)試樣車轍因子的影響

(2)摻入3G溫拌劑對(duì)瀝青膠漿高溫性能無改善效果。圖1中，摻入3G溫拌劑，SBS瀝青膠漿車轍因子反而有所下降，這是由于在常溫狀態(tài)下，3G溫拌劑為液態(tài)，其含有的表面活性劑成分改變了瀝青分子之間的極性，降低瀝青分子與礦粉之間的表面張力，從而導(dǎo)致瀝青膠漿黏度降低[12]。這說明3G溫拌劑雖然能降低瀝青混合料的施工溫度，但在常溫狀態(tài)下同時(shí)降低了瀝青路面的抗車轍性能。

2.1.3 溫拌劑摻量的影響

由上文可知，溫拌劑Sasobit對(duì)試樣高溫性能改善效果較3G顯著，為進(jìn)一步分析Sasobit摻量對(duì)試樣高溫性能的改善效果，對(duì)比表3中編號(hào)為1、11～15與6、16～20兩組數(shù)據(jù)，其車轍因子變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 溫拌劑摻量對(duì)試樣車轍因子的影響

由圖3可知：隨著溫拌劑Sasobit摻量增大，溫拌瀝青膠漿試樣的車轍因子整體呈上升趨勢(shì)，且SBS改性瀝青膠漿試樣的上升幅度較基質(zhì)瀝青明顯，基質(zhì)瀝青膠漿在溫拌劑摻量小于3%時(shí)，車轍因子增長(zhǎng)幅度較大，當(dāng)摻量大于3%時(shí)，車轍因子趨于穩(wěn)定；SBS改性瀝青膠漿在溫拌劑摻量為0～3%時(shí)，車轍因子增長(zhǎng)幅度較大，當(dāng)摻量大于3%時(shí)，車轍因子出現(xiàn)波動(dòng)，但波動(dòng)幅度不大。這表明Sasobit摻量對(duì)瀝青膠漿的高溫性能有顯著影響，隨著溫拌劑摻量的增大瀝青高溫性能逐步提高。

這是由于：Sasobit在高溫下吸附瀝青中與它結(jié)構(gòu)相近似的飽和組分，形成穩(wěn)定的溶液；當(dāng)溫度降低后，Sasobit與部分被它吸附的飽和組分一起逐漸結(jié)晶析出，進(jìn)而鎖定了這些飽和的油類、蠟類組分，降低了瀝青膠漿的流變性能；當(dāng)溫拌劑過量時(shí)，由于其鎖定的飽和組分有限，高溫性能趨于穩(wěn)定。這說明在一定范圍內(nèi)提高Sasobit溫拌劑的摻量可以提升瀝青路面的抗車轍能力，但摻量繼續(xù)增大不能進(jìn)一步提高瀝青路面的抗車轍性能。

2.1.4 粉膠比的影響

為研究粉膠比對(duì)溫拌瀝青膠漿高溫性能的影響，節(jié)選表3中編號(hào)為21～50的數(shù)據(jù)，各試樣車轍因子變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 膠粉比對(duì)試樣車轍因子的影響

由圖4可知：隨著粉膠比增大，各試樣車轍因子均呈逐漸增大的趨勢(shì)，且對(duì)SBS改性瀝青膠漿提升較明顯。這是因?yàn)?，隨著粉膠比的增大，礦粉需要更多瀝青去裹覆，結(jié)構(gòu)性瀝青增多，自由性瀝青減少，形成的溫拌瀝青膠漿的流動(dòng)性能降低。這說明提高粉膠比可以有效地改善溫拌瀝青路面的抗車轍性能。

2.1.5 試驗(yàn)溫度的影響

由圖4可知：各瀝青膠漿試樣隨著溫度升高，車轍因子呈逐漸降低趨勢(shì)，對(duì)于基質(zhì)瀝青膠漿試樣，試驗(yàn)溫度從65 ℃升高到75 ℃，再?gòu)?5 ℃升高到85 ℃，其車轍因子值分別降低76%、54%；對(duì)于SBS改性瀝青膠漿試樣，試驗(yàn)溫度從65 ℃升高75 ℃，再?gòu)?5 ℃升高到85 ℃，其車轍因子值分別降低59%、53%。這表明改變?cè)囼?yàn)溫度對(duì)溫拌瀝青膠漿試樣車轍因子有顯著影響，且SBS改性瀝青膠漿溫度敏感性較基質(zhì)瀝青膠漿差。

2.2 顯著性分析

為研究溫拌瀝青膠漿高溫性能影響因素的顯著程度，采用SPSS對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，假設(shè)顯著性水平α=0.05，其結(jié)果如表4所示。

由表4可知，對(duì)溫拌瀝青膠漿高溫性能影響的顯著性大小排序?yàn)椋簽r青種類、試驗(yàn)溫度、溫拌劑摻量、粉膠比，并且僅瀝青種類與試驗(yàn)溫度對(duì)其影響顯著。因此，建議在高溫地區(qū)使用溫拌瀝青混合料施工時(shí)采用一定抗車轍措施。

表4 各因素對(duì)溫拌瀝青膠漿高溫性能顯著性分析

注：由于溫拌劑種類試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)比組過少，故不考慮其對(duì)溫拌瀝青膠漿高溫性能的影響。

3 溫拌瀝青膠漿高溫性能預(yù)測(cè)分析

已知瀝青、礦粉和溫拌劑的特性，對(duì)溫拌瀝青膠漿的高溫性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于Buttlar公式對(duì)不同溫拌瀝青膠漿車轍因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)值對(duì)比后評(píng)價(jià)其相關(guān)性，Buttlar公式如下

(1)

其中A、B可按下式求得。

式中：Gm為瀝青膠漿的模量；Ga為瀝青的模量；φf為礦粉體積占瀝青膠漿體積的比例；A、B為相關(guān)系數(shù)。

為簡(jiǎn)化礦粉與瀝青之間物化關(guān)系對(duì)瀝青膠漿性能的影響，基于礦粉體積增強(qiáng)作用考慮瀝青與礦粉間的吸附關(guān)系，通過假定不同b/a值(a為礦粉的有效半徑，b為礦粉裹覆瀝青后的有效半徑)以預(yù)估瀝青膠漿性能，原理如圖5所示。

圖5 瀝青與礦粉等效體積增強(qiáng)原理

將不同粉膠比對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)φf擴(kuò)大(b/a)3倍作為其等效體積分?jǐn)?shù)，基于Buttlar公式計(jì)算預(yù)估值，以線性回歸相關(guān)性系數(shù)評(píng)價(jià)預(yù)估值與實(shí)測(cè)值的擬合性，具體結(jié)果如表5所示。

表5 等效體積增強(qiáng)作用下的預(yù)估值與實(shí)測(cè)值

注：R2范圍為0.1～0.3系弱相關(guān)，0.3～0.5系中等相關(guān)，0.5～1.0系強(qiáng)相關(guān)。

由表5可知：Buttlar公式預(yù)測(cè)溫拌瀝青膠漿高溫性能相關(guān)性較好，不同試樣預(yù)估值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)最低為0.87，屬?gòu)?qiáng)相關(guān)。分析不同瀝青種類、溫拌劑與試驗(yàn)溫度對(duì)預(yù)測(cè)擬合程度的影響，結(jié)果如圖6所示，得出結(jié)論如下。

圖6 不同因素對(duì)Buttlar公式擬合程度影響

(1)提高試驗(yàn)溫度將降低Buttlar公式擬合效果，試驗(yàn)溫度為65 ℃、77 ℃時(shí)，其相關(guān)性系數(shù)均值分別為0.943、0.938，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.039、0.047，說明Buttlar公式對(duì)65 ℃下溫拌瀝青膠漿車轍因子擬合程度較高。

(2)摻入溫拌劑將降低Buttlar公式的擬合效果，未摻溫拌劑與摻入溫拌劑試樣相關(guān)性系數(shù)均值分別為0.955、0.925，其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.03、0.048，說明Buttlar公式對(duì)未摻入溫拌劑的瀝青膠漿的預(yù)測(cè)擬合性高于溫拌瀝青膠漿。

(3)Buttlar公式對(duì)SBS改性瀝青膠漿的擬合效果更好，SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青的相關(guān)性系數(shù)均值分別為0.9、0.973，其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.03、0.01。

綜上可見，各因素的不同水平下Buttlar公式的擬合性存在差異，這可能是Buttlar公式中僅考慮了原瀝青復(fù)數(shù)模量Ga、礦粉φf兩因素對(duì)瀝青膠漿的影響，而未考慮試驗(yàn)溫度、原瀝青相位角等因素對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響。

4 結(jié) 語

(1)各因素對(duì)溫拌瀝青膠漿高溫性能的影響由大到小排序?yàn)椋簽r青種類、試驗(yàn)溫度、溫拌劑摻量、粉膠比。瀝青種類與試驗(yàn)溫度的影響顯著。

(2)溫拌劑Sasobit對(duì)瀝青膠漿高溫性能的提升效果明顯，而溫拌劑3G無明顯提升效果。

(3)增大溫拌劑Sasobit劑量對(duì)2種瀝青膠漿高溫性能均有改善，其對(duì)基質(zhì)瀝青膠漿高溫性能改善趨勢(shì)為先迅速后緩慢，對(duì)SBS改性瀝青膠漿高溫性能改善效果趨勢(shì)為，摻量增至3%時(shí)出現(xiàn)峰值，但繼續(xù)增大摻量后改善效果無規(guī)律。

(4)增大粉膠比對(duì)各瀝青膠漿高溫性能提升效果明顯，且對(duì)SBS改性瀝青膠漿車轍因子的提升較基質(zhì)瀝青膠漿更為明顯。

(5)各瀝青膠漿隨著溫度升高車轍因子呈逐漸降低趨勢(shì)，但對(duì)比可知SBS改性瀝青膠漿溫度敏感性較基質(zhì)瀝青差，因此建議在高溫地區(qū)選用SBS改性瀝青以提高溫拌瀝青路面的抗車轍能力。

(6)改變?cè)嚇有阅苡绊懸蛩貙?duì)Buttlar公式擬合效果影響較大，這可能是由于Buttlar公式中涉及因素變量較少的緣故，但總體來說預(yù)估值與實(shí)測(cè)值為強(qiáng)相關(guān)。