溫拌成品高黏瀝青及其混合料性能研究

丁 鵬，吉澤中，徐 波,2，陳 軍，虞 浩

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098； 2.江蘇京滬高速公路有限公司， 江蘇 淮安 223005；3.江蘇省交通工程建設(shè)局， 南京 210008)

隨著綠色發(fā)展理念的深入人心，人們對(duì)道路交通建設(shè)過程中的生態(tài)環(huán)保要求越來越高。排水瀝青路面具有摩擦因數(shù)高、降噪、雨天行車安全度高的特性，以其優(yōu)異的安全效益和環(huán)境效益逐漸受到青睞[1-3]。然而，高黏瀝青作為排水瀝青混合料的膠結(jié)料，其135 ℃黏度高于普通瀝青膠結(jié)料，無疑會(huì)加大施工難度，增加施工能耗和有害氣體排放，在一定程度上限制了排水路面在我國大范圍的推廣[4]。

溫拌技術(shù)能夠降低瀝青黏度來改善混合料的施工和易性，將施工溫度控制在較低的水平，是一種綠色的道路施工技術(shù)[5]。將溫拌技術(shù)與排水路面相結(jié)合，既能滿足建設(shè)功能型路面的需要，又能對(duì)生態(tài)保護(hù)大有裨益，具有顯著的社會(huì)意義和環(huán)境效益[6]。然而，不同溫拌技術(shù)的使用是否會(huì)對(duì)成品高黏瀝青的性能產(chǎn)生不良影響是值得進(jìn)一步研究的問題。吳立新等[7]研究了溫拌排水路面瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)溫拌排水路面瀝青混合料路用性能與熱拌瀝青混合料相當(dāng)。F.Frigio等[8]研究了溫拌排水瀝青混合料老化前后的模量和疲勞性能，發(fā)現(xiàn)溫拌技術(shù)的使用降低了施工溫度，削弱了混合料模量，長期老化后的混合料抗疲勞性能未受影響。

目前對(duì)溫拌排水瀝青路面的研究較少，對(duì)溫拌成品高黏瀝青的研究尚屬空白，從節(jié)能減排、材料性能方面考慮，將溫拌技術(shù)與排水瀝青路面結(jié)合將具有廣闊的應(yīng)用前景。因此,本文研究不同溫拌技術(shù)對(duì)成品高黏瀝青及其混合料性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青

研究采用江蘇通沙成品高黏瀝青，成品高黏瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可知，成品高黏瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

表1 成品高黏瀝青性能指標(biāo)

1.1.2 溫拌技術(shù)

研究采用的溫拌技術(shù)主要包括添加溫拌劑和發(fā)泡方式。試驗(yàn)選用南非Sosal的Sasobit溫拌劑、深圳海川的EC120溫拌劑，主要技術(shù)信息見表2。

表2 不同溫拌劑的技術(shù)信息

1.1.3溫拌高黏瀝青的制備

摻加溫拌劑的高黏瀝青的室內(nèi)制備工藝如圖1所示，不同溫拌劑的摻量如表3所示。

研究采用XLB10P泡沫瀝青試驗(yàn)機(jī)在室內(nèi)對(duì)成品高黏瀝青進(jìn)行發(fā)泡。試驗(yàn)發(fā)泡用水為普通自來水，發(fā)泡參數(shù)為：發(fā)泡用水量為4%，成品高黏瀝青加熱溫度為180 ℃，水溫為30 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高溫性能

SHRP瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范中提出采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的高溫性能，以失效溫度作為瀝青膠結(jié)料高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),失效溫度越低，表明高溫性能越好[9-11]。

研究表明，采用60 ℃零剪切黏度(zero shear viscosity，ZSV)來評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的高溫性能比較合理[12]。試驗(yàn)采用C.Desmazes等[13]提出的蠕變恢復(fù)試驗(yàn)法得到溫拌高黏瀝青的60 ℃ ZSV。

試驗(yàn)采用美國TA-1500EX動(dòng)態(tài)剪切流變儀。

1.2.2 低溫性能

美國SHRP瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能，提出了彎曲梁流變儀(BBR)的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，現(xiàn)在被廣泛用來測(cè)試瀝青結(jié)合料的低溫勁度模量[14]。評(píng)價(jià)指標(biāo)采用Surperpave設(shè)計(jì)體系規(guī)范中要求的60 s時(shí)的蠕變速率(M值)和蠕變勁度(S值)[15]。試驗(yàn)采用美國CANNON公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀。

1.2.3 抗疲勞性能

為了可以在室內(nèi)模擬瀝青的疲勞性能，SHAP研究計(jì)劃提出了疲勞因子的概念，即G″=G*sinδ，當(dāng)G*或者δ增大時(shí)，疲勞因子相應(yīng)增大，表明瀝青由于黏性成分的存在需要消耗掉更多的能量來消解外力作用，相應(yīng)地，疲勞開裂或任何其他損害產(chǎn)生的幾率就越高[16]。基于上述瀝青疲勞機(jī)理，試驗(yàn)采用RTFO及PAV后的成品高黏瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)。為了更好地評(píng)價(jià)不同瀝青試樣的抗疲勞性能，對(duì)動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)得出的疲勞因子對(duì)數(shù)和溫度的關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合，并根據(jù)線性擬合得出對(duì)應(yīng)公式，最后將G*sinδ=5 MPa代入公式得出的溫度即為極限疲勞溫度，極限疲勞溫度越低，瀝青的抗疲勞性能越好[17-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫性能

2.1.1 失效溫度

分別對(duì)未老化和短期老化后的成品高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)(46～88 ℃，步長為3 ℃)，確定不同溫度下10 rad/s時(shí)的G*/(sinδ)，然后建立車轍因子對(duì)數(shù)(log(G*/(sinδ)))與溫度T的半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線圖，對(duì)得到的曲線進(jìn)行回歸分析，如圖2～5所示。

圖2 成品高黏瀝青車轍因子對(duì)數(shù)與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系

圖3 EC120溫拌高黏瀝青車轍因子對(duì)數(shù)與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系

圖4 泡沫溫拌高黏瀝青車轍因子對(duì)數(shù)與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系

圖5 Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青車轍因子對(duì)數(shù)與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系

根據(jù)擬合的回歸直線，得到不同溫拌高黏瀝青在G*/(sinδ)=1.0 kPa和G*/(sinδ)=1.2 kPa時(shí)的失效溫度，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：摻加了EC120和Sasobit+聚乙烯蠟這2種有機(jī)蠟類溫拌劑的成品高黏瀝青的失效溫度升高非常明顯，高溫等級(jí)從PG-70上升到PG-82，上升了2個(gè)高溫等級(jí)，高溫性能得到顯著提高。這是因?yàn)橛袡C(jī)蠟類溫拌劑熔點(diǎn)高，它與部分被它吸附又融解它的飽和組分一起逐漸結(jié)晶析出，進(jìn)而鎖定了這些油類組分，共同形成網(wǎng)狀的晶體結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的存在大大減小了瀝青在高溫時(shí)的流動(dòng)變形能力，極大地改善了高黏瀝青的高溫性能。泡沫溫拌使高黏瀝青的失效溫度降低了，說明泡沫溫拌技術(shù)削弱了成品高黏瀝青的高溫性能，但是仍然能保持之前的高溫等級(jí)。

圖6 不同溫拌高黏瀝青的失效溫度

2.1.2 60 ℃零剪切黏度

分別對(duì)未老化和短期老化后的成品高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進(jìn)行頻率范圍為0.1～100 Hz的頻率掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，控制應(yīng)變?yōu)?.5%。通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀60 ℃頻率掃描試驗(yàn)可以獲得不同試樣在不同荷載作用頻率下的復(fù)合黏度值。采用Carreau模型對(duì)復(fù)合黏度和頻率曲線圖進(jìn)行擬合[19]，Carreau模型如式(1)所示，擬合結(jié)果如圖7、8所示。

(1)

式中：η為黏度(Pa·s)；η0為零剪切黏度(Pa·s)；η∞為無限大速率黏度(Pa·s)；ω為剪切速率(1/s)；k、m為材料參數(shù)。

由圖7、8可以看出：使用Carreau模型對(duì)不同溫拌高黏瀝青的復(fù)合黏度-頻率曲線進(jìn)行擬合后可以得到第一牛頓區(qū)域內(nèi)復(fù)合黏度與頻率的關(guān)系曲線。在這一區(qū)域內(nèi)，瀝青的復(fù)合黏度不再隨著剪切頻率的變化而變化，因此可以得到剪切頻率接近于0時(shí)的復(fù)合黏度，即零剪切黏度，各溫拌高黏瀝青的未老化和短期老化后的零剪切黏度結(jié)果如圖9所示。

圖7 未老化高黏瀝青的復(fù)合黏度

圖8 短期老化后高黏瀝青的復(fù)合黏度

圖9 溫拌高黏瀝青零剪切黏度

由圖9可以看出：未老化高黏瀝青的ZSV要普遍小于短期老化后的高黏瀝青，表明運(yùn)輸、攤鋪機(jī)壓實(shí)階段的老化有助于溫拌高黏瀝青的高溫穩(wěn)定性的提升。EC120溫拌劑和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑可以大幅提高未老化及老化后成品高黏瀝青的零剪切黏度，高溫穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)，這主要是因?yàn)橛袡C(jī)蠟類溫拌劑在低于熔點(diǎn)的溫度條件下會(huì)在瀝青中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，使瀝青模量增大，在較高溫度下不易產(chǎn)生變形。泡沫溫拌使得未老化及老化后成品高黏瀝青的ZSV均略小于原樣瀝青，說明泡沫溫拌對(duì)成品高黏瀝青的高溫性能有不利影響，推測(cè)可能是因?yàn)榕菽瓰r青發(fā)泡之后殘留的微量水分使得瀝青的模量降低，抵抗變形能力有一定程度的下降。

2.2 低溫性能

分別對(duì)經(jīng)過短期老化及長期老化后的未摻加溫拌劑的高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進(jìn)行-6、-12及-18 ℃彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 不同溫度下的蠕變勁度

圖11 不同溫度下的蠕變速率

由圖10、11可以發(fā)現(xiàn)：不同溫拌高黏瀝青長期老化后的試樣的蠕變勁度S隨著溫度的降低而不斷增大，蠕變速率M隨著溫度的降低不斷減小，說明隨著試驗(yàn)溫度的降低，瀝青在溫度應(yīng)力的作用下變形變小，導(dǎo)致更多的剩余應(yīng)力在瀝青內(nèi)部積累，且瀝青在溫度應(yīng)力的作用下變形變小，導(dǎo)致更多的剩余應(yīng)力在瀝青內(nèi)部積累，瀝青低溫開裂的可能性增大。

泡沫溫拌瀝青的蠕變勁度S在3種測(cè)試溫度下均小于原樣瀝青，泡沫溫拌瀝青的M值在3個(gè)試驗(yàn)溫度下均大于原樣瀝青，說明泡沫溫拌可以提高成品高黏瀝青的低溫性能，而EC120、Sasobit+聚乙烯蠟的摻入均使得成品高黏瀝青的低溫性能變差。按照Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范規(guī)定，只有當(dāng)S≤300 MPa和M≥0.3時(shí)，瀝青膠結(jié)料的低溫性能才算是合格的。由圖10、11可知，只有泡沫溫拌高黏瀝青和成品高黏瀝青在不同溫度下的S和M滿足要求。

綜合不同溫拌技術(shù)對(duì)瀝青低溫蠕變勁度和速率的影響分析可以得出，原樣瀝青和泡沫溫拌高黏瀝青的低溫等級(jí)為PG-28，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的低溫等級(jí)為PG-16，EC120溫拌高黏瀝青的低溫等級(jí)則低于PG-16，按照低溫性能的優(yōu)劣排序依次為：泡沫溫拌>原樣>Sasobit+聚乙烯蠟溫拌>EC120溫拌。

2.3 抗疲勞性能

分別對(duì)長期老化后的高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)(10～40 ℃，步長為 3 ℃)，8 mm平行板的間距取4.0 mm，得到頻率10 rad/s時(shí)的G*/(sinδ)，然后建立車轍因子對(duì)數(shù)(log(G*/(sinδ)))與溫度T的半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線圖，回歸分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 溫拌高黏瀝青車轍因子對(duì)數(shù)與溫度的半對(duì)數(shù)關(guān)系

根據(jù)擬合的回歸直線，得到不同溫拌成品高黏瀝青在G*·sinδ=5.0 MPa時(shí)的極限疲勞溫度，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同溫拌高黏瀝青的極限疲勞溫度

通過圖13可以看出：泡沫溫拌高黏瀝青的極限疲勞溫度最低，說明泡沫溫拌可以在一定程度上提升成品高黏瀝青的抗疲勞性能，能夠在19.7 ℃及其以上的溫度條件下有效減少疲勞開裂的產(chǎn)生；EC120溫拌劑、Sasobit+聚乙烯蠟復(fù)合溫拌劑均使高黏瀝青的極限疲勞溫度升高，因此均對(duì)成品高黏瀝青的抗疲勞性能有不同程度的削弱作用，疲勞開裂發(fā)生的幾率增加。

3 溫拌成品高黏瀝青混合料路用性能驗(yàn)證

選擇SMA-13型混合料作為路用性能驗(yàn)證級(jí)配，根據(jù)SMA-13混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，在適宜的成型溫度下制作試件，然后分別對(duì)不同溫拌技術(shù)的瀝青混合料以及原樣瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比研究，分析不同溫拌技術(shù)混合料路用性能。

3.1 高溫穩(wěn)定性

對(duì)SMA-13瀝青混合料在60±1 ℃、0.7±0.05 MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)以檢驗(yàn)混合料的高溫穩(wěn)定性，動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4分析可知：EC120、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于原樣成品高黏瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度，高溫性能得到明顯的改善；泡沫溫拌瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度略高于原樣瀝青混合料，說明泡沫溫拌技術(shù)雖對(duì)原樣瀝青的高溫性能造成削弱作用，但是并沒有對(duì)混合料的高溫性能造成削弱作用。

3.2 低溫抗裂性

對(duì)原樣瀝青及不同溫拌瀝青混合料按規(guī)范要求成型車轍板試件，并切割小梁試件，在-10 ℃條件下進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知，泡沫溫拌技術(shù)提升了瀝青混合料的低溫性能，分析其原因：一方面，可能因?yàn)榕菽瓬匕杩梢燥@著降低施工溫度，一定程度減緩了膠結(jié)料的老化程度，因而相對(duì)熱拌混合料，低溫變形能力增強(qiáng)；另一方面，可能因?yàn)榕菽瓬匕柚械乃峙c瀝青形成了特殊的水-油二相混合體系，使瀝青在低溫條件下具有更好的延展性。EC120、Sasobit+聚乙烯蠟的摻入削弱了瀝青混合料的低溫抗裂性能，與溫拌技術(shù)對(duì)高黏瀝青低溫性能的影響一致。

3.3 水穩(wěn)定性

為了驗(yàn)證原樣瀝青及不同溫拌瀝青混合料的抗水損害性能，在180 ℃的條件下成型馬歇爾試件，并對(duì)試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6、7。

表4 車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度

表6 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

分析表中數(shù)據(jù)，泡沫溫拌、EC120溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌瀝青混合料相較于原樣瀝青混合料，殘留穩(wěn)定度、TSR均提高，說明3種溫拌技術(shù)可以一定程度地提高排水路面瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1) 摻入EC120和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑可以提升成品高黏瀝青2個(gè)高溫等級(jí)，高溫性能得到顯著提高；泡沫溫拌技術(shù)降低了成品高黏瀝青的高溫性能，但是仍然能保持先前的高溫等級(jí)。

2) 泡沫溫拌技術(shù)可以一定程度地提高成品高黏瀝青的低溫性能，摻入EC120溫拌劑、Sasobit+聚乙烯蠟復(fù)合溫拌劑削弱了高黏瀝青的低溫性能，原樣瀝青和泡沫溫拌高黏瀝青的低溫等級(jí)為PG-28，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的低溫等級(jí)為PG-16，EC120溫拌高黏瀝青的低溫等級(jí)則低于PG-16。按照低溫性能的優(yōu)劣排序依次為：泡沫溫拌>原樣>Sasobit+聚乙烯蠟溫拌>EC120溫拌。

3) 泡沫溫拌可以一定程度上提升高黏瀝青的抗疲勞性能，EC120、Sasobit+聚乙烯蠟均削弱了高黏瀝青的抗疲勞性能。

4) 泡沫溫拌技術(shù)對(duì)瀝青混合料性能影響不顯著，低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能得到一定程度提升；摻入EC120和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑改善了瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能，低溫抗裂性能變差。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許斌.排水瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2016.

[2] 孟坤.排水路面高黏瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2017.

[3] 姜平忠,林頎棟,吳海,等.基于排水路面的環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究[J].交通世界,2017(29):25-27.

[4] 楊勁.高粘度改性劑對(duì)排水瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響[D].重慶： 重慶交通大學(xué),2015.

[5] 王如先.瀝青路面低溫施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2017(4)：38-42.

[6] 陳愛華.溫拌瀝青路面技術(shù)在公路施工中的應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材,2016(12)：96.

[7] 吳立新,黃杰,張業(yè)茂.溫拌排水瀝青混合料性能研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2014,42(15):151-155.

[8] FRIGIO F,RASCHIA S,STEINER D,et al.Aging effects on recycled WMA porous asphalt mixtures[J].Construction & Building Materials,2016,123:712-718.

[9] 鐘志鋒,郭興文,周浩.粉膠比對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,33(1):20-23.

[10] 美國瀝青協(xié)會(huì).高性能瀝青路面(Superpave)基礎(chǔ)參考手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社,2005.

[11] 梁星敏,黃康旭,朱林.TLA摻量對(duì)湖瀝青改性瀝青高、低溫性能的影響[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,34(4):614-618.

[12] 羅怡琳,于新,孫文浩.橡膠瀝青零剪切粘度確定方法的研究[J].公路工程,2012,37 (5):218-221.

[13] DESMAZES C,LECOMTE M,LESUEUR D，et al.A protocol for reliable measurement of zero-shear-viscosity in order to evaluate the anti-rutting performance of binders,2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress Barcelona[Z].2000.

[14] Annual book of ASTM standards[Z].section4,2002.

[15] 徐波，馮逸，劉運(yùn)新.濕度對(duì)瀝青膠結(jié)料老化性能的影響研究[J].中外公路，2015，35(3)：267-270.

[16] 王超.瀝青結(jié)合料路用性能的流變學(xué)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2015.

[17] 張黎紅,羅有權(quán),董則軍,等.泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,38(2):59-62.

[18] 王超.瀝青結(jié)合料路用性能的流變學(xué)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué),2015.

[19] 祝爭艷,江瑞齡,孟令國.60 ℃零剪切黏度ZSV指標(biāo)在高速公路養(yǎng)護(hù)瀝青評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].森林工程,2017,33(2):83-87.