瀝青冷補(bǔ)液的高低溫性能研究*

陳偉盛 秦靖閏 劉 剛 陳 昊 吳成浩

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1) 揭陽 515325) (武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

瀝青冷補(bǔ)料作為一種便捷高效的坑槽修補(bǔ)材料，適用于工期緊迫的瀝青路面的修補(bǔ)作業(yè)，同時(shí)在面對市政道路修補(bǔ)的復(fù)雜的施工環(huán)境時(shí)，利用瀝青冷補(bǔ)料進(jìn)行坑槽修補(bǔ)同樣是優(yōu)于熱拌瀝青混合料的修補(bǔ)[1-2].冷補(bǔ)料的工藝特點(diǎn)是修補(bǔ)迅速、不需加熱、開放交通快[3].王佳旭[4]對稀釋型冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行了坑槽修補(bǔ)性能的研究，探究了瀝青混合料修補(bǔ)的可行性.Khan等[5]在微觀尺度下探究了的礦料與粘結(jié)劑的相互作用影響，通過表面能關(guān)系解釋冷補(bǔ)瀝青混合料的粘附性特征.Ferrotti等[6]對稀釋型冷補(bǔ)瀝青混合料修補(bǔ)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律做了詳細(xì)的研究，其變化規(guī)律為隨著冷補(bǔ)料服役時(shí)間的增長，瀝青冷補(bǔ)混合料的強(qiáng)度會逐漸的發(fā)展較強(qiáng)，其強(qiáng)度變化程度與稀釋劑的揮發(fā)量有關(guān).

冷補(bǔ)瀝青混合料在路面坑槽修補(bǔ)中有很高的應(yīng)用價(jià)值，稀釋型瀝青冷補(bǔ)混合料修補(bǔ)性能與稀釋劑的揮發(fā)量有關(guān).文中通過對瀝青冷補(bǔ)液進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，模擬瀝青冷補(bǔ)液中的稀釋劑在自然環(huán)境中大部分揮發(fā)后的狀態(tài).對揮發(fā)后的瀝青冷補(bǔ)液中進(jìn)行高低溫性能研究，探究稀釋劑揮發(fā)后瀝青冷補(bǔ)液的性能變化，解釋說明瀝青冷補(bǔ)混合料強(qiáng)度隨著稀釋劑揮而增強(qiáng)的原因.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及其物理性質(zhì)

選用AH-70瀝青，物理性質(zhì)見表1.中石化0#柴油，自制冷補(bǔ)瀝青添加劑基本性質(zhì)見表2.

表1 AH-70道路瀝青性能指標(biāo)

表2 自制冷補(bǔ)瀝青添加劑性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1瀝青冷補(bǔ)液的制備

實(shí)驗(yàn)用瀝青冷補(bǔ)液，以70#基質(zhì)瀝青為基礎(chǔ)，在115 ℃，200 r/min的條件下進(jìn)行柴油稀釋劑以及冷補(bǔ)添加劑的配制，并攪拌30 min.其具體實(shí)驗(yàn)摻量見表3.

表3 瀝青冷補(bǔ)液制備配比方案 %

1.2.2瀝青冷補(bǔ)液的揮發(fā)實(shí)驗(yàn)

本文研究瀝青冷補(bǔ)液在稀釋劑大部分揮發(fā)后的性能.試驗(yàn)準(zhǔn)備，通過對瀝青冷補(bǔ)液進(jìn)行加熱處理，使稀釋劑高效的揮發(fā)脫離瀝青冷補(bǔ)液，模擬實(shí)際應(yīng)用中稀釋劑在自然環(huán)境中大部分揮發(fā)后的性狀.瀝青冷補(bǔ)液揮發(fā)模擬根據(jù)文獻(xiàn)[7]中瀝青蒸發(fā)損失試驗(yàn)進(jìn)行，1～3號瀝青冷補(bǔ)液試樣進(jìn)行揮發(fā)處理，4號為70#基質(zhì)瀝青揮發(fā)對照組，5號試樣為70#基質(zhì)瀝青對照組，不做任何處理.

1.2.3瀝青冷補(bǔ)液的高溫DSR測試

稀釋型冷補(bǔ)瀝青混合料的性能特征為初期強(qiáng)度低，高溫穩(wěn)定性差[8].隨著冷補(bǔ)料服役時(shí)間的增長，瀝青冷補(bǔ)液中的稀釋劑逐步揮發(fā)，冷補(bǔ)料的路用性能得到提高.高溫DSR測試，測定復(fù)合模量、相位角以及車轍因子隨溫度變化的關(guān)系.復(fù)合剪模量是指最大剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)變的比值，可以度量材料重復(fù)剪切變形時(shí)的總阻力大小，包括粘性部分和彈性部分[9].通過研究上述幾種瀝青冷補(bǔ)液在稀釋劑大部分揮發(fā)后的幾種參量隨溫度的變化關(guān)系，探究冷補(bǔ)瀝青液的高溫流變性能，解釋瀝青冷補(bǔ)料隨服役年限增長強(qiáng)度加強(qiáng)原因.

1.2.4瀝青冷補(bǔ)液的BBR低溫蠕變試驗(yàn)

BBR低溫蠕變試驗(yàn)是通過低溫彎曲流變儀自帶軟件進(jìn)行加載試驗(yàn)，利用勁度模量S及蠕變速率m這兩個(gè)參數(shù)值來評價(jià)瀝青的低溫使用性能[10].通過測定揮發(fā)后瀝青冷補(bǔ)液的勁度模量和蠕變速率對其進(jìn)行低溫性能研究，探究稀釋劑大部分揮發(fā)后瀝青冷補(bǔ)液的低溫性能.

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青冷補(bǔ)液蒸發(fā)損失分析

將制備完成的1～4號瀝青冷補(bǔ)液試樣置于163 ℃瀝青薄膜烘箱中，存放5 h，使其進(jìn)行揮發(fā)試驗(yàn)，5號試樣為70#基質(zhì)瀝青對比樣不進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn).試驗(yàn)后的質(zhì)量損失見表4.

由表4可知，通過文獻(xiàn)[7]中瀝青蒸發(fā)損失試驗(yàn)，質(zhì)量為49.84 g的70#基質(zhì)瀝青揮發(fā)量僅為0.09 g，揮發(fā)百分比只有0.1%.而瀝青冷補(bǔ)液的揮發(fā)損失量與原稀釋劑添加量相比占80%以上，由此可知，瀝青冷補(bǔ)液的揮發(fā)試驗(yàn)主要是對冷補(bǔ)瀝青液中的稀釋劑進(jìn)行，原有基質(zhì)瀝青干擾程度微小，可以忽略不計(jì).同時(shí)，通過瀝青冷補(bǔ)液的揮發(fā)量與原有稀釋劑添加量對比可得，在瀝青冷補(bǔ)液經(jīng)過蒸發(fā)損失試驗(yàn)后，原有瀝青冷補(bǔ)液中的稀釋劑揮發(fā)率達(dá)80%，已達(dá)到大部分揮發(fā)的程度，說明瀝青蒸發(fā)損失試驗(yàn)適合模擬在自然環(huán)境中稀釋劑大部分揮發(fā)后的冷補(bǔ)瀝青液性狀.

表4 瀝青冷補(bǔ)液經(jīng)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量損失

2.2 瀝青冷補(bǔ)液高溫性能分析

以30～80 ℃的溫度梯度對經(jīng)過揮發(fā)試驗(yàn)后的冷補(bǔ)瀝青液進(jìn)行高溫性能測試.通過對復(fù)合模量，相位角以及車轍因子的作圖比較分冷補(bǔ)瀝青液的高溫流變性能.圖1為瀝青冷補(bǔ)液隨溫度的變化，產(chǎn)生的相應(yīng)復(fù)合模量和相位角的變化關(guān)系.

圖1 瀝青冷補(bǔ)液高溫溫度掃描曲線

由圖1可知，在相應(yīng)的溫度掃描區(qū)間，復(fù)合模量隨著溫度的升高而減小，相位角隨著溫度的升高而加大.這是由于瀝青是粘彈性，瀝青冷補(bǔ)液會在溫度逐漸升高的情況下，自由體積增大，瀝青從低溫時(shí)的高彈性狀態(tài)向高溫時(shí)的粘流性狀態(tài)轉(zhuǎn)變[11]，導(dǎo)致瀝青在剪切試驗(yàn)中所受的最大剪切應(yīng)力變小，最大剪切應(yīng)變卻增大，故復(fù)合模量出現(xiàn)降低，相位角出現(xiàn)增大的現(xiàn)象.

經(jīng)過蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)后瀝青冷補(bǔ)液復(fù)合模量與未經(jīng)蒸發(fā)試驗(yàn)的70#基質(zhì)瀝青相近，甚至當(dāng)添加劑摻量為4%時(shí)瀝青冷補(bǔ)液的模量要高于基質(zhì)瀝青，這為瀝青冷補(bǔ)料隨著服役時(shí)間的增長其高溫性能提高提供了依據(jù).此外，圖1中復(fù)合模量最大的是同樣進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)的70#基質(zhì)瀝青對照試樣，這說明在蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)的過程中原有的70#基質(zhì)瀝青已經(jīng)出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，其復(fù)合模量增大.由此，也可以得出瀝青冷補(bǔ)料相較于基質(zhì)瀝青具有延緩老化的優(yōu)勢，由于稀釋劑的加入，對瀝青混合料起到了一定的抗老化功效.同時(shí)，通過不同摻量的稀釋劑、添加劑配比，其高溫性能在也不盡相同，特別是當(dāng)添加劑的摻量為4%時(shí)，瀝青冷補(bǔ)液的性能出現(xiàn)了突變，從這可以看出當(dāng)瀝青冷補(bǔ)液中應(yīng)用的稀釋劑與添加劑配比合理時(shí)，會對原有的基質(zhì)瀝青起到一定的改性作用.

瀝青混合料的高溫抗車轍性能可用瀝青的車轍因子(G*/sinδ)參數(shù)來進(jìn)行評價(jià)，對瀝青冷補(bǔ)液進(jìn)行車轍因子分析.圖2為瀝青冷補(bǔ)液的高溫轍因子曲線.

圖2 瀝青冷補(bǔ)液高溫轍因子曲線

在高溫區(qū)間，車轍因子越大，瀝青在高溫下抵抗車轍變形的能力越強(qiáng).由圖2可知，所有曲線呈現(xiàn)出車轍因子隨溫度的升高而減小的趨勢，表明溫度越高，瀝青材料的抗車轍變形的能力越差.由于4號試樣為已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象的70#基質(zhì)瀝青，故在相同的溫度下，其車轍因子相較于基質(zhì)瀝青增大.當(dāng)冷補(bǔ)添加劑摻量為4%時(shí)，瀝青冷補(bǔ)液的車轍因子明顯高于未老化的70#基質(zhì)瀝青，低于已老化的70#基質(zhì)瀝青，說明在此摻量配比下，瀝青冷補(bǔ)液的高溫抗車轍性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.而當(dāng)冷補(bǔ)添加劑摻量為2%，6%時(shí)，瀝青冷補(bǔ)液的車轍因子低于未老化的70#基質(zhì)瀝青，從這也可以看出這兩種添加劑與稀釋劑配比摻量的瀝青冷補(bǔ)液性能相較于基質(zhì)瀝青有所缺陷.綜合上述幾種情況分析，瀝青冷補(bǔ)液在經(jīng)過稀釋劑蒸發(fā)試驗(yàn)后，其高溫性能會得到改善.

2.3 瀝青冷補(bǔ)液低溫性能分析

根據(jù)瀝青PG分級原理[12]，瀝青冷補(bǔ)液的低溫性能利用BBR彎曲流變梁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試.試驗(yàn)選用測定的溫度為-12 ℃.圖3為瀝青冷補(bǔ)液的蠕變勁度S與瀝青基勁度變化率m的關(guān)系圖.

圖3 瀝青冷補(bǔ)液-12 ℃蠕變勁度與瀝青基勁度變化率的關(guān)系圖

根據(jù)路面使用要求，評定瀝青低溫抗開裂性能的依據(jù)為蠕變勁度S<300 MPa.由圖3a)可知，本次測試的所有瀝青均滿足此要求，且經(jīng)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)后瀝青冷補(bǔ)液的低溫蠕變勁度遠(yuǎn)小于70#基質(zhì)瀝青的蠕變勁度，此數(shù)據(jù)為瀝青冷補(bǔ)液的有著優(yōu)越的低溫抗開裂性能提供了有力的證實(shí).

根據(jù)路面使用要求，評定瀝青低溫抗開裂性能的依據(jù)為蠕變勁度變化率m>0.3，由圖3 b)可知，瀝青冷補(bǔ)液的m值均符合使用要求規(guī)范，因此瀝青冷補(bǔ)液在其稀釋劑大部分揮發(fā)后，低溫使用性能良好，滿足規(guī)范使用要求.

3 結(jié) 論

1) 利用文獻(xiàn)[7]中瀝青蒸發(fā)損失試驗(yàn)對瀝青冷補(bǔ)液進(jìn)行稀釋劑的揮發(fā)，其稀釋劑揮發(fā)量可達(dá)80%以上，且通過對比基質(zhì)瀝青揮發(fā)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青經(jīng)過揮發(fā)試驗(yàn)后質(zhì)量損失量僅為0.2%，相較于冷補(bǔ)液中稀釋劑的揮發(fā)量其影響可忽略不計(jì),因此，瀝青蒸發(fā)損失試驗(yàn)可滿足模擬在自然環(huán)境中瀝青冷補(bǔ)液中的稀釋劑大部分揮發(fā)的條件.

2) 瀝青冷補(bǔ)液在稀釋劑大部分揮發(fā)以后，其高溫性能得到明顯的改善.特別是當(dāng)瀝青冷補(bǔ)液中的稀釋劑與自制添加劑在配比合理的情況下，瀝青冷補(bǔ)液在稀釋劑揮發(fā)量達(dá)一定量時(shí)，其高溫性能相較于基質(zhì)瀝青有明顯的提高.這說明瀝青冷補(bǔ)液后期強(qiáng)度的發(fā)展不僅與稀釋劑的揮發(fā)有關(guān)，同時(shí)添加劑的使用也在其中產(chǎn)生了至關(guān)重要的作用，為瀝青冷補(bǔ)料后期強(qiáng)度的提高作出了解釋說明.

3) 瀝青冷補(bǔ)液在稀釋劑大部分揮發(fā)后，滿足路面低溫使用性能要求，相較于基質(zhì)瀝青具有更加優(yōu)越的低溫性能.

4) 經(jīng)過蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)的基質(zhì)瀝青出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，高溫掃描得到的復(fù)合模量有了明顯的提高，而瀝青冷補(bǔ)液的性能則與基質(zhì)瀝青相仿，這說明，瀝青冷補(bǔ)料具有一定延緩瀝青混合料老化的性能.

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