不同拌和溫度對(duì)瀝青結(jié)合料的耐久性影響研究

高濤濤，張金雷

(1.重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶市 402260；2.林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司)

1 引言

溫拌瀝青技術(shù)，即通過(guò)一定的技術(shù)措施，在保證良好路用性能的前提下，以低于傳統(tǒng)熱拌瀝青的作業(yè)溫度進(jìn)行施工作業(yè)。溫拌瀝青技術(shù)的發(fā)明得益于人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，其創(chuàng)新點(diǎn)在通過(guò)較低的拌和及壓實(shí)溫度等施工作業(yè)溫度，實(shí)現(xiàn)較少的溫室氣體排放量，由于世界各國(guó)對(duì)于溫拌瀝青的施工要求各不相同，導(dǎo)致其節(jié)能減排效果也不盡相同。通常來(lái)說(shuō)，北美地區(qū)對(duì)溫拌瀝青的施工溫度定義為降溫幅度在28 ℃左右，而中國(guó)和歐洲部分國(guó)家采用的標(biāo)準(zhǔn)為20～40 ℃。

目前圍繞溫拌瀝青和溫拌瀝青混合料技術(shù)的研究通常集中于混合料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新材料的研發(fā)，針對(duì)溫拌瀝青耐久性的影響研究相對(duì)較少。Gandhi等利用Sasobit制備溫拌瀝青混合料，在試驗(yàn)室條件下研究其長(zhǎng)期耐久性，得出溫拌瀝青混合料能表現(xiàn)出更好的抗車轍性和更強(qiáng)抗壓性的結(jié)論；Rashwan等研究120 ℃拌和溫度下溫拌瀝青混合料的長(zhǎng)期耐久性，指出相比于熱拌瀝青，溫拌瀝青混合料的路用性能會(huì)略微降低，但耐久性顯著增強(qiáng)；Abbas等利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜試驗(yàn)等手段，同時(shí)研究了瀝青結(jié)合料的短期和長(zhǎng)期耐久性，結(jié)果表明溫拌瀝青相比于傳統(tǒng)熱拌瀝青表現(xiàn)出更好的長(zhǎng)期耐久性能；秦永春利用瀝青回收技術(shù)，分析不同施工溫度溫拌瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)，認(rèn)為溫拌技術(shù)可大大緩解瀝青混合料的短期老化程度。綜上所述，之前的研究對(duì)瀝青結(jié)合料和瀝青混合料都有涉獵，而且部分研究成果證明溫拌瀝青確實(shí)能提高瀝青的長(zhǎng)期耐久性；但很少有研究關(guān)注不同施工溫度對(duì)瀝青結(jié)合料長(zhǎng)期老化性能的影響。

該文選取兩種基質(zhì)瀝青，基于兩種瀝青流變學(xué)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模，研究不同溫度對(duì)瀝青結(jié)合料長(zhǎng)期耐久性的影響。

2 試驗(yàn)材料及方法

該研究選取兩種70#基質(zhì)瀝青，分別命名為70A和70B，其三大指標(biāo)見(jiàn)表1。根據(jù)美國(guó)SHRP規(guī)范，對(duì)兩種基質(zhì)瀝青分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)(短期老化)和壓力老化試驗(yàn)(長(zhǎng)期老化)，旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為123、143和163 ℃，短期老化后的瀝青試樣編號(hào)為R-70A-123、R-70A-143、R-70A-163。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的20 h壓力老化試驗(yàn)，相應(yīng)的瀝青樣品被命名為P-70A-123，P-70A-143和P-70A-163，70B瀝青的編號(hào)規(guī)則與此相同。該文中所使用的試驗(yàn)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均滿足中國(guó)現(xiàn)有JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

表1 基質(zhì)瀝青三大指標(biāo)

對(duì)基質(zhì)瀝青和老化后的瀝青樣本分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)(DSR)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)，以確定其高溫和低溫流變學(xué)性能，其中短期老化的瀝青試樣僅進(jìn)行DSR試驗(yàn)。DSR試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀完成，該試驗(yàn)通過(guò)上平板施加正弦模式的剪切振蕩，測(cè)定該條件下材料的力學(xué)響應(yīng)，以獲得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)剪切模量|G*|和相位角δ。為保證瀝青試樣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)發(fā)生在線性黏彈性范圍內(nèi)，首先采用應(yīng)變掃描確定每組試樣的線性黏彈性應(yīng)變范疇。等溫條件下頻率掃描試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度設(shè)置為0～80 ℃，間隔為10 ℃，試驗(yàn)頻率為0.1～10 Hz；其中，0～40 ℃的試驗(yàn)采用8 mm直徑平板，而30～80 ℃的試驗(yàn)利用25 mm直徑平板進(jìn)行。BBR試驗(yàn)利用彎曲梁流變儀進(jìn)行，該試驗(yàn)通過(guò)低溫條件下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)量瀝青結(jié)合料在蠕變荷載作用下的勁度，并計(jì)算相應(yīng)的勁度模量S和勁度模量變化率m值。試驗(yàn)加載時(shí)間240 s，試驗(yàn)溫度為-6、-12、-18、-24 ℃。上述兩種試驗(yàn)的每種試驗(yàn)樣本至少進(jìn)行兩組平行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 主曲線的構(gòu)建和時(shí)-溫等效原理

根據(jù)DSR試驗(yàn)在等溫條件下頻率掃描試驗(yàn)中測(cè)得的結(jié)果，可以在給定參考溫度下擬合出一條主曲線，該曲線以圖形的形式較為直觀地反映黏彈性材料的力學(xué)響應(yīng)，可以在一個(gè)較廣的溫度和頻率域內(nèi)評(píng)估材料的流變學(xué)特征。此外，在主曲線的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步計(jì)算材料的相關(guān)流變學(xué)參數(shù)：如Glover-Rowe 參數(shù)和交叉溫度等。因此，在瀝青結(jié)合料性能分析領(lǐng)域，主曲線是一種廣泛使用的方法。該文采用Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型，建立瀝青結(jié)合料的復(fù)變剪切模量|G*|和相位角δ的主曲線。模型表達(dá)式如下：

(1)

(2)

式中：Ge為ω→0時(shí)的平衡模量，由于該文研究對(duì)象為瀝青結(jié)合料，故該值為0；Gg為ω→∞時(shí)的瞬時(shí)模量；f為試驗(yàn)頻率；fc為位置參數(shù)；k、me為控制主曲線形狀的無(wú)量綱參數(shù)；aT為溫度的位移因子，由式(3)WLF方程決定。

由于該研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在不同溫度下獲得，因此需利用時(shí)-溫等效原理，結(jié)合熱力學(xué)Williams-Landel-Ferry(WLF)方程，來(lái)構(gòu)建主曲線方程，WLF模型的表達(dá)式為：

(3)

根據(jù)上述3個(gè)公式，擬合所有瀝青結(jié)合料的DSR試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別生成其復(fù)變剪切模量|G*|和相位角δ的主曲線。圖1為瀝青結(jié)合料P-70A-123的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與模型預(yù)測(cè)值之間主曲線的對(duì)比分析。

圖1 瀝青結(jié)合料P-70A-123實(shí)測(cè)和模型預(yù)測(cè)主曲線對(duì)比

從圖1可以看出：模型預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果的擬合程度相當(dāng)高，表明CAM模型能較好地反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以70A瀝青為例，給出不同老化條件下各瀝青結(jié)合料黏彈性主曲線圖，其中復(fù)變模量主曲線的縱軸采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸表達(dá)，兩個(gè)主曲線圖的橫軸均采用頻率的對(duì)數(shù)表示，見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出:基質(zhì)瀝青表現(xiàn)出最低的復(fù)變模量和最高的相位角曲線；隨著老化溫度的升高和老化程度的加深，各瀝青試樣的復(fù)變模量和相位角曲線分別表現(xiàn)出逐漸升高和降低的趨勢(shì)，這與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相符，表明CAM模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的擬合程度較好。整體而言，不同老化溫度下，短期老化瀝青間的差異遠(yuǎn)大于長(zhǎng)期老化的條件。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短期老化溫度為123 ℃和143 ℃時(shí)，其復(fù)變模量和相位角的主曲線相對(duì)接近基質(zhì)瀝青的曲線，而與傳統(tǒng)熱拌瀝青的主曲線差異較為顯著，這表明溫拌瀝青的降溫過(guò)程能對(duì)瀝青結(jié)合料的短期耐久性產(chǎn)生顯著影響。針對(duì)長(zhǎng)期老化的瀝青結(jié)合料主曲線而言，不同老化溫度下瀝青結(jié)合料的流變學(xué)特征較為相似，各曲線間的差距并非很顯著；仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，123 ℃和163 ℃兩種老化溫度下復(fù)變模量的主曲線有較為明顯的差異，而相位角主曲線間的差距不甚顯著。如前文所述，主曲線僅能提供簡(jiǎn)單的視覺(jué)對(duì)比，很難量化判斷老化溫度對(duì)瀝青結(jié)合料耐久性能的影響是否顯著，因此需要引入新的流變學(xué)參數(shù)來(lái)進(jìn)一步討論其影響。

圖2 瀝青結(jié)合料70A不同老化條件下的主曲線

3.2 Glover-Rowe 參數(shù)和交叉溫度

利用時(shí)-溫等效原理和主曲線方程，計(jì)算出所有瀝青結(jié)合料的G-R參數(shù)，并得出相對(duì)傳統(tǒng)熱拌瀝青的耐久性增加比例，結(jié)果見(jiàn)表2。同時(shí)，在Black圖(橫軸為δ，縱軸為G*)下繪制各瀝青結(jié)合料在15 ℃和0.000 5 rad/s條件下測(cè)定的G*和相位δ。該圖通過(guò)可視化的方式，可以非常直觀地反映出瀝青結(jié)合料的老化程度；即當(dāng)材料處于相對(duì)較高的老化程度時(shí)，由于G*的升高和δ的降低，在圖中顯示為向左上方移動(dòng)。仍然以70A瀝青為例，見(jiàn)圖3。

由圖3可知：所有的瀝青黏合劑都位于損傷區(qū)以下，因此它們都不易受到表面損傷的影響。進(jìn)一步觀察短期老化的瀝青結(jié)合料發(fā)現(xiàn)，3個(gè)散點(diǎn)近乎均勻分布，163 ℃的點(diǎn)與其他兩點(diǎn)距離稍遠(yuǎn)；對(duì)長(zhǎng)期老化的瀝青結(jié)合料而言，163 ℃和143 ℃兩點(diǎn)距離較近，123 ℃的點(diǎn)遠(yuǎn)離以上兩點(diǎn)處于右下方?？梢远ㄐ缘贸鼋Y(jié)論：溫拌瀝青的降溫作業(yè)過(guò)程能夠明顯增加瀝青結(jié)合料的短期耐久性，而當(dāng)降溫幅度達(dá)到40 ℃時(shí)才能較為顯著地影響材料長(zhǎng)期老化性能。表2為耐久性變化的定量分析結(jié)果，同時(shí)也佐證了圖3的結(jié)論，即降溫20 ℃或40 ℃均可對(duì)瀝青結(jié)合料的短期耐久性產(chǎn)生顯著影響，而只有降溫幅度高至40 ℃時(shí)才能顯著提升瀝青結(jié)合料的長(zhǎng)期耐久性能。

表2 兩種瀝青結(jié)合料的G-R參數(shù)及耐久性增加率比較

圖3 不同老化條件瀝青結(jié)合料70A在Blcak圖下的G-R參數(shù)

交叉溫度可用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青材料的脆性，一般作為Superpave瀝青結(jié)合料PG分級(jí)(Performance Grading)系統(tǒng)的補(bǔ)充參數(shù)使用，可以較為直觀地反映瀝青材料的抗疲勞性能，在瀝青結(jié)合料老化性能評(píng)估方面應(yīng)用較廣。交叉溫度在數(shù)學(xué)上的表達(dá)為儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″相等時(shí)的溫度值；換言之，即參考頻率下相位角等于45°時(shí)的溫度。該文中的參考頻率定義為1.59 Hz，該頻率與車輛以90 km/h速度行駛時(shí)對(duì)路面材料的剪切作用相當(dāng)。根據(jù)時(shí)-溫等效原理和主曲線方程，計(jì)算得出兩種瀝青結(jié)合料不同老化條件下的交叉溫度，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知:兩種瀝青黏合劑在同一老化水平中，均表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。對(duì)于短期和長(zhǎng)期老化的瀝青結(jié)合料而言，交叉溫度的最大差值總是存在于123 ℃；而143 ℃和163 ℃兩組材料的溫差均小于2 ℃。即當(dāng)降溫僅有20 ℃時(shí)，相比傳統(tǒng)熱拌瀝青，溫拌瀝青的短期和長(zhǎng)期耐久性改善并不明顯；而當(dāng)降溫幅度達(dá)到40 ℃時(shí)，其耐久性能則得到大幅提高。雖然該結(jié)果與G-R參數(shù)的對(duì)短期老化性能的評(píng)價(jià)有一定沖突，但對(duì)于長(zhǎng)期耐久性的評(píng)價(jià)結(jié)果則完全一致。

表3 兩種瀝青結(jié)合料的交叉溫度和差值比較

3.3 ΔTc指標(biāo)

根據(jù)美國(guó)ASTM D6648規(guī)范要求，選取試驗(yàn)進(jìn)行到60 s時(shí)的S和m值，分別計(jì)算出S=300 MPa和m=0.3時(shí)的低溫臨界溫度(Tc)。如上文所述，S和m分別為瀝青材料的低溫變形能力和低溫應(yīng)力松弛能力，而兩者的差值ΔTc=Tc(S)-Tc(m)能反映瀝青結(jié)合料的耐久性，其物理意義是瀝青材料松弛模量的損失值，隨著材料老化程度的加深，ΔTc值也相對(duì)更負(fù)。以70A瀝青結(jié)合料為例，繪制不同溫度條件下各瀝青結(jié)合料的S和m實(shí)測(cè)值，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同老化條件瀝青結(jié)合料70A 在不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可看出:隨著試驗(yàn)溫度的降低和老化溫度的提高，勁度模量S呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，而勁度模量變化率m則同步減小。此外，各組試驗(yàn)誤差都在可接受范圍內(nèi)波動(dòng)，表明試驗(yàn)結(jié)果可靠性較高。在此基礎(chǔ)上計(jì)算各瀝青結(jié)合料的ΔTc值，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出:隨著老化溫度的升高，兩種瀝青結(jié)合料的ΔTc值均表現(xiàn)出更負(fù)的趨勢(shì)，表明材料的耐久性逐漸削弱。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，143 ℃和163 ℃的ΔTc值差距非常小，而老化溫度為123 ℃時(shí)的ΔTc值與163 ℃的差值較大。這與降溫幅度達(dá)到40 ℃時(shí)，材料的低溫耐久性能得到顯著提高結(jié)論相同。

表4 兩種瀝青結(jié)合料的ΔTc值

4 結(jié)論

該文針對(duì)兩種70#基質(zhì)瀝青在不同老化溫度下的瀝青結(jié)合料試樣，根據(jù)動(dòng)態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)的結(jié)果，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出3個(gè)流變學(xué)參數(shù)：G-R參數(shù)、交叉溫度和ΔTc指標(biāo)，評(píng)估了老化溫度對(duì)瀝青結(jié)合料耐久性能的影響。得出以下結(jié)論：

(1)CAM模型能夠較好地?cái)M合主曲線方程，利用時(shí)-溫等效原理和主曲線計(jì)算得出的Glover-Rowe參數(shù)和交叉溫度可以量化評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的耐久性。降溫能夠顯著提升瀝青結(jié)合料的短期老化性能，而只有當(dāng)降溫幅度達(dá)到40 ℃時(shí)，才能明顯改善瀝青結(jié)合料的長(zhǎng)期耐久性。

(2)采用BBR試驗(yàn)得到瀝青的低溫抗裂性能，計(jì)算得出ΔTc指標(biāo)用以評(píng)價(jià)材料的低溫耐久性，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用該指標(biāo)對(duì)瀝青長(zhǎng)期耐久性的評(píng)價(jià)結(jié)果與利用DSR試驗(yàn)得出的結(jié)論相同。

(3)應(yīng)用G-R參數(shù)、交叉溫度和ΔTc指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料耐久性是合理且準(zhǔn)確的。這些指標(biāo)不僅有明確的物理意義，且不同指標(biāo)對(duì)于長(zhǎng)期耐久性的評(píng)價(jià)結(jié)果具有良好的相關(guān)性；此外，上述指標(biāo)能夠反映瀝青結(jié)合料在一個(gè)較廣溫度領(lǐng)域內(nèi)的耐久性特征。

(4)如果在溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)過(guò)程中以低于傳統(tǒng)熱拌瀝青40 ℃的溫度進(jìn)行作業(yè)，不僅能顯著提高道路的整體壽命，而且對(duì)于減少溫室氣體排放也有顯著影響。該研究?jī)H針對(duì)瀝青結(jié)合料進(jìn)行，可進(jìn)一步擴(kuò)展到瀝青混合料中。