溫拌條件下瀝青－潮濕集料交互作用的影響因素分析

孫立霞，譚憶秋，周沛延

（1.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引 言

溫拌瀝青混合料一般是采用物理或化學(xué)方法來降低瀝青的黏度，使其能在較低的溫度下進(jìn)行拌合施工，并具有較好的流動(dòng)性與潤(rùn)滑性。溫拌瀝青混合料在整個(gè)生產(chǎn)和施工過程中具有可減少有害氣體排放、節(jié)約能源、減輕瀝青的老化程度、延長(zhǎng)可施工時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)；但由于拌合溫度降低，易造成集料干燥不徹底，導(dǎo)致集料與瀝青之間的相互作用能力下降，從而影響混合料的路用性能［1］。

溫拌瀝青混合料當(dāng)中瀝青與集料之間的交互作用同時(shí)受到材料特性和外部環(huán)境因素的影響，外部環(huán)境因素主要是通過測(cè)試條件來影響瀝青與集料的交互作用，所以只要能夠嚴(yán)格且合理化模擬真實(shí)條件下瀝青與集料之間的交互作用，就可以消除環(huán)境因素的影響。因此，材料特性是影響瀝青與集料之間交互作用能力的核心因素［2－3］。目前國內(nèi)研究大多是從瀝青性質(zhì)和集料性質(zhì)出發(fā)，單獨(dú)分析集料拌合溫度和集料含水率對(duì)瀝青與集料之間交互作用能力的影響。其中，對(duì)含水率對(duì)集料與瀝青之間的相互作用的影響研究亟待進(jìn)一步深入和提高。本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀嚴(yán)格控制試驗(yàn)外部環(huán)境條件，并且在試驗(yàn)階段將集料的拌合溫度與集料含水率二者進(jìn)行耦合控制，對(duì)中溫拌合下瀝青－潮濕集料交互作用的影響因素進(jìn)行高精度的分析。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 集料與瀝青

本文所采用的集料為0.3mm玄武巖細(xì)集料，所采用的瀝青為遼河90?；|(zhì)瀝青，其常規(guī)性能指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青的常規(guī)性能

1.2 溫拌劑

溫拌劑采用的是Sasobit型和AM6505型。Sasobit是一種合成飽和碳?xì)浠衔锘旌衔?，?huì)引起瀝青中蠟含量偏高從而影響瀝青材料性能［4－7］。當(dāng)溫度高于115℃時(shí)Sasobit將會(huì)完全融解，使瀝青的黏度降低，從而降低瀝青混合料的拌合與壓實(shí)溫度；在溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，則可在瀝青中形成網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)，提高路面抗車轍性能。AM6505是無水表面活性溫拌劑，主要成分為潤(rùn)滑劑，使用時(shí)可直接加入到瀝青中，降低瀝青的黏度，從而使瀝青混合料在溫度較低的條件下仍有較好的施工性能。溫拌劑的物理性質(zhì)見表2。

表2 溫拌劑物性參數(shù)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

瀝青膠結(jié)料是一種黏彈性材料，瀝青與填料之間的交互作用能力很大程度上影響著其流變特性。瀝青膠結(jié)料體系中填料的表面瀝青呈現(xiàn)出“自由態(tài)”和“結(jié)構(gòu)態(tài)”2種狀態(tài)，其中結(jié)構(gòu)態(tài)瀝青的比例越大則瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)剪切模量G＊和復(fù)數(shù)黏度系數(shù)η＊越大，相位角δ反而越小，因此可以用G＊／sinδ來反映膠結(jié)料的性能，即抗車轍能力。G＊／sinδ越大，瀝青與集料交互作用能力越強(qiáng)。因此，本文從瀝青膠結(jié)料的流變特性出發(fā)，以復(fù)數(shù)黏度系數(shù)η＊、復(fù)數(shù)模量G＊、相位角δ等參數(shù)評(píng)價(jià)溫拌狀況下瀝青與潮濕集料之間的交互作用能力。

為了研究溫拌條件下不同含水率的集料與瀝青交互作用能力，本文采用遼河90＃基質(zhì)瀝青、0.3 mm的細(xì)集料和Sasobit、AM6505兩種溫拌劑制備瀝青膠結(jié)料。其中，溫拌劑的摻量為瀝青質(zhì)量的3%，細(xì)集料用量為瀝青質(zhì)量的50%。每組試樣的混合體積不小于50mL，使用布氏黏度儀剪切攪拌，當(dāng)瀝青膠結(jié)料表面不再有氣體產(chǎn)生時(shí)即為瀝青膠結(jié)料的攪拌終止時(shí)間［8－10］。瀝青膠料黏度的變化曲線如圖1所示。

圖1 不同集料拱干時(shí)間下溫拌膠結(jié)體黏度與攪拌時(shí)間的關(guān)系

由圖1得到：潮濕集料烘干1h時(shí)，膠結(jié)體攪拌時(shí)間是8min；集料烘干2h時(shí)，膠結(jié)體攪拌時(shí)間是5min；瀝青集料烘干3.5h時(shí)，瀝青膠結(jié)體攪拌時(shí)間小于3min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的變化規(guī)律

復(fù)數(shù)剪切模量G＊包含黏性和彈性兩部分，實(shí)數(shù)部分代表瀝青材料形變過程中彈性形變貯存的能量；虛數(shù)部分代表黏性形變所損耗的能量大小。G＊越大，則瀝青材料勁度越大，即抗流動(dòng)變形能力越強(qiáng)。不同烘干程度下，集料在2種溫拌瀝青膠結(jié)料中復(fù)數(shù)剪切模量G＊隨溫度T的變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，集料烘干時(shí)間越長(zhǎng)，含水率越小，溫拌瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)剪切模量G＊越大，集料烘干時(shí)間在3.5h和2h之間時(shí)，含水率變化并不大，但是Sasobit膠結(jié)體復(fù)數(shù)剪切模量G＊變化較大，而AM6505變化較小，可以說明集料含水率對(duì)Sasobit型溫拌膠結(jié)料的復(fù)數(shù)剪切模量G＊的影響比較大，對(duì)AM6505型溫拌膠結(jié)料的影響較小。

圖2 不同烘干時(shí)間下瀝青溫拌膠結(jié)體G＊－T曲線

3.2 相位角δ隨溫度的變化規(guī)律

瀝青在通常狀況下是一種彈性固體與黏性流體共存的黏彈性體系，因此瀝青的應(yīng)變將會(huì)滯后一個(gè)相位角δ，其范圍是0°＜δ＜90°。相位角δ越大，黏性成分越多；δ越小，彈性成分越多。因此，本文采用δ表示瀝青膠結(jié)料的變形狀況。瀝青相位角δ越大表征其低溫狀況較好，具有較強(qiáng)的變形能力；相位角δ越小則彈性較大，高溫性能越好，抵抗變形能力越強(qiáng)。不同烘干時(shí)間的集料所制備的2種膠結(jié)料相位角δ隨溫度的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知：隨著集料烘干時(shí)間的增加，含水率減小，溫拌瀝青膠結(jié)體的相位角δ減小；集料烘干時(shí)間在3.5h和2h之間時(shí)，含水率變化并不大，但是Sasobit膠結(jié)體的相位角δ變化較小，而AM6505膠結(jié)體變化較大，可以說明集料含水率對(duì)Sasobit型溫拌膠結(jié)料δ的影響比較小，對(duì)AM6505型溫拌膠結(jié)料的影響較大。

圖3 不同烘干時(shí)間溫拌膠結(jié)體δ－T曲線

3.3 抗車轍因子G＊／sinδ隨溫度的變化規(guī)律

當(dāng)荷載作用在瀝青膠結(jié)料上會(huì)出現(xiàn)彈性（可恢復(fù)）和黏性（不可恢復(fù)）2種效應(yīng)，Superpave以車轍因子G＊／sinδ來表征瀝青膠結(jié)料的抗車轍能力。瀝青與集料的交互作用就越強(qiáng)，瀝青膠結(jié)料的流變性能就越差，車轍因子就越大，則混合料的高溫性能越好。不同烘干時(shí)間的集料所制備的2種膠結(jié)料的抗車轍因子G＊／sinδ隨溫度的變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著填料烘干時(shí)間延長(zhǎng)，集料含水率降低，抗車轍因子G＊／sinδ越大，即抗車轍能力越強(qiáng)，說明G＊／sinδ完全可以評(píng)價(jià)溫拌瀝青與潮濕集料的交互作用能力。

3.4 復(fù)數(shù)黏度系數(shù)η＊隨溫度的變化規(guī)律

瀝青與集料發(fā)生交互作用后，瀝青的化學(xué)組分將重新排列。溫拌及集料潮濕2個(gè)因素都會(huì)影響到“結(jié)構(gòu)瀝青”和“自由瀝青”的比例，因此不同烘干時(shí)間的集料所制備的瀝青膠漿的流動(dòng)性也有很大區(qū)別，從而導(dǎo)致瀝青膠漿的黏度不同。不同烘干時(shí)間的集料所制備的2種膠結(jié)料的復(fù)數(shù)黏度系數(shù)η＊隨溫度變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著集料含水率增大，膠結(jié)料的η＊將減小，即集料與瀝青的交互作用減弱。在2～3.5h的烘干時(shí)間下，集料含水率變化不大，對(duì)Sasobit型溫拌膠結(jié)料的η＊影響比較小，對(duì)AM6505型溫拌膠結(jié)料的影響較大。因此，集料含水率變化對(duì)膠結(jié)體的相位角η＊影響比較顯著，對(duì)AM6505型膠結(jié)料的影響較大。

圖4 不同烘干時(shí)間溫拌膠結(jié)體G＊／sinδ與溫度的關(guān)系曲線

圖5 不同烘干時(shí)間溫拌膠結(jié)體η＊－T曲線

3.5 各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料的靈敏度分析

為了評(píng)價(jià)含水率、試驗(yàn)溫度及溫拌劑種類與瀝青－潮濕集料交互作用能力分析指標(biāo)（δ、G＊、G＊／sinδ、η＊）的相關(guān)程度，應(yīng)用Spearman相關(guān)分析方法做相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示。

表3 Spearman分析結(jié)果

由表3可知以下幾點(diǎn)。

（1）含水率、試驗(yàn)溫度及溫拌劑種類對(duì)δ的Spearman相關(guān)系數(shù)分別為0.610、0.362、0.113，其相關(guān)性程度由大到小排列為含水率、試驗(yàn)溫度、溫拌劑。因此，含水率增大會(huì)削弱瀝青與集料的交互作用。

（2）含水率、試驗(yàn)溫度及溫拌劑種類對(duì)G＊的Spearman相關(guān)系數(shù)分別為－0.908、－0.33、0.134，其相關(guān)性程度由大到小為含水率、試驗(yàn)溫度、溫拌劑。G＊隨含水率增大而減小，會(huì)削弱瀝青與集料的交互作用。

（3）含水率、試驗(yàn)溫度及溫拌劑對(duì)G＊／sinδ的Spearman相關(guān)系數(shù)分別為－0.906、－0.337、0.133，其相關(guān)性程度由大到小為含水率、試驗(yàn)溫度、溫拌劑。G＊／sinδ隨含水率的增大而減小，會(huì)削弱瀝青與集料的交互作用。

（4）含水率、試驗(yàn)溫度及溫拌劑對(duì)η＊的Spearman相關(guān)系數(shù)分別為－0.92、－0.333、0.132，其相關(guān)性程度由大到小為含水率、試驗(yàn)溫度、溫拌劑。η＊隨含水率增大而減小，會(huì)削弱瀝青與集料的交互作用。

分析結(jié)果表明，含水率、溫拌劑種類、試驗(yàn)溫度與溫拌瀝青和集料交互作用能力評(píng)價(jià)指標(biāo)（δ、G＊、G＊／sinδ、η＊）均顯著相關(guān)，且含水率相關(guān)程度最大。因此，在采用溫拌技術(shù)時(shí)，應(yīng)盡量降低集料的含水率，從而增大集料與瀝青的交互作用。

4 結(jié) 語

（1）集料的含水率大，將影響瀝青與集料的裹附性，會(huì)造成瀝青混合料的水損害，從而嚴(yán)重影響瀝青路面的使用壽命。

（2）含水率隨著集料烘干時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，當(dāng)集料烘干時(shí)間在2～3.5h，含水率對(duì)Sasobit型溫拌膠結(jié)料的復(fù)數(shù)剪切模量G＊、δ、η＊影響比較大，對(duì)AM6505型溫拌膠結(jié)料的影響較小，說明集料的含水率對(duì)不同溫拌瀝青膠結(jié)料的每一個(gè)指標(biāo)影響程度不同。

（3）對(duì)溫拌劑種類、試驗(yàn)溫度、含水率與復(fù)數(shù)剪切模量G＊、復(fù)數(shù)黏度系數(shù)η＊、抗車轍因子G＊／sinδ、相位角δ作了Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果均表現(xiàn)出顯著相關(guān)，且相關(guān)程度由大到小依次為含水率、試驗(yàn)溫度、溫拌劑種類。

（4）復(fù)數(shù)剪切模量G＊和復(fù)數(shù)黏度系數(shù)η＊在評(píng)價(jià)瀝青與集料交互作用能力時(shí)表現(xiàn)最為敏銳。