Sasobit溫拌瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

徐加秋，陽(yáng)恩慧，王世法，李世佳

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；3. 西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外瀝青路面施工多采用的是熱拌瀝青混合料技術(shù)，其應(yīng)用效果有目共睹。但其使用過程中因拌和溫度高導(dǎo)致的高能耗，以及粉塵、瀝青煙、CO、SO2、CO2等有毒有害物質(zhì)的排放等問題也引起越來越多道路工作者的重視[1-3]。而溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt, WMA)是瀝青行業(yè)為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖、能源消耗等問題而誕生的新型技術(shù)[4-5]。溫拌瀝青混合料指的是通過溫拌劑的添加使混合料的拌和溫度和施工溫度能降低不小于20 ℃而同時(shí)能保持和熱拌瀝青混合料一樣的路用性能的新型瀝青混合料的總稱[6]。由于其優(yōu)異的性能，溫拌瀝青混合料具有非常廣闊的應(yīng)用前景，在我國(guó)北方寒冷地區(qū)的使用也越來越廣泛。而作為一種道路新型技術(shù)，溫拌瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)并未出現(xiàn)較好的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，也未形成較完善的低溫性能評(píng)價(jià)體系。在現(xiàn)階段，低溫針入度、低溫延度、脆點(diǎn)和當(dāng)量脆點(diǎn)及玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度等指標(biāo)是我國(guó)主要的溫拌瀝青低溫性能指標(biāo)。但相關(guān)研究表明，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)均存在一定局限性，與瀝青混合料的實(shí)際低溫路用性能關(guān)聯(lián)度較小[7-9]。對(duì)于基質(zhì)瀝青的低溫性能，美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)提出通過瀝青彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)得到的勁度模量S和勁度模量變化率m兩項(xiàng)指標(biāo)來對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)外研究人員利用BBR試驗(yàn)對(duì)瀝青和瀝青膠結(jié)料的低溫性能作了大量的研究[10-12]。但單方面考慮瀝青的模量或松弛能力，只通過勁度模量或勁度模量變化率來評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能是片面的[13]，因而需綜合考慮瀝青的模量與松弛能力。本研究通過瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)對(duì)溫拌瀝青低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析并比選勁度模量S、勁度模量變化率m、低溫連續(xù)分級(jí)溫度Tc、k指標(biāo)及低溫性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)J，以期為溫拌瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)和推廣使用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 溫拌劑

本研究采用的溫拌劑為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的有機(jī)降黏型溫拌劑Sasobit。Sasobit是采用Fischer-Tropsch (FT)方法從煤炭液化中取得的一種高碳數(shù)脂肪烴類固體蠟顆粒[14-15]，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 Sasobit產(chǎn)品性能指標(biāo)

1.2 基質(zhì)瀝青

本研究共選用了3種瀝青，其性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 基質(zhì)瀝青性能測(cè)試結(jié)果

1.3 溫拌改性瀝青的制備

將A類瀝青加熱至165 ℃、B類和C類瀝青加熱至170 ℃呈流動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)用高速剪切攪拌機(jī)制備溫拌改性瀝青。分別將1%，2%，3%摻量(質(zhì)量比)的Sasobit產(chǎn)品加入至加熱后的瀝青中，高速攪拌30～60 min，待其自然冷卻，即可制得溫拌改性瀝青。為了方便后續(xù)的研究分析，A類瀝青加入1%摻量的Sasobit用A+1%S表示，其余溫拌改性瀝青皆采用此類表示方法。

1.4 試驗(yàn)方法

為模擬實(shí)際路面經(jīng)長(zhǎng)期老化后的瀝青，對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備好的溫拌改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜老化(RTFO)和壓力箱老化(PAV)，并按照ASTM D 6648[16]對(duì)老化后的溫拌瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn)。BBR試驗(yàn)的測(cè)試溫度和低溫養(yǎng)護(hù)溫度為瀝青低溫等級(jí)最低溫度以上10 ℃，本次試驗(yàn)所采用3類瀝青的低溫連續(xù)分級(jí)溫度分別為-27.2，-28.9，-29.6 ℃，因此低溫養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)置為-18 ℃。本次試驗(yàn)共設(shè)置了兩個(gè)測(cè)試溫度，分別為-18 ℃(瀝青低溫等級(jí)以上10 ℃)和-12 ℃(瀝青低溫等級(jí)以上16 ℃)，用于比較不同測(cè)試溫度對(duì)試驗(yàn)的影響。每次BBR試驗(yàn)取3個(gè)平行試件，分別測(cè)得不同測(cè)試溫度下每類瀝青膠結(jié)料的勁度模量S和勁度模量變化率m。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 勁度模量及勁度模量變化率結(jié)果分析

-12 ℃和-18 ℃溫度條件下各瀝青膠結(jié)料的勁度模量和勁度模量變化率測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同測(cè)試溫度下溫拌瀝青的勁度模量

圖2 不同測(cè)試溫度下溫拌瀝青的勁度模量變化率

瀝青的勁度模量S值及其變化率m值分別表征了瀝青低溫時(shí)的變形能力和應(yīng)力松弛能力。S值越小，m值越大，表示瀝青低溫條件下的性能越優(yōu)異。由圖1、圖2可知，隨著溫拌劑摻量的增大，兩個(gè)試驗(yàn)溫度下溫拌瀝青的S值均有一定程度的上升，m值均呈一定程度的下降?？梢?，溫拌劑的加入削弱了瀝青的低溫性能。

但相關(guān)研究表明，僅單獨(dú)考慮瀝青的低溫變形能力或應(yīng)力松弛能力來評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能存在一定的局限性[13]，應(yīng)綜合考慮低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力來評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青的低溫性能。

2.2 PG連續(xù)分級(jí)溫度的結(jié)果分析

瀝青的PG分級(jí)是美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)提出的一套瀝青性能評(píng)價(jià)方法，它建立在瀝青材料的各項(xiàng)路用性能基礎(chǔ)上，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和有效性，可用來較可靠地評(píng)價(jià)普通瀝青和改性瀝青的高低溫性能。但采用PG分級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能也存在一定的局限性，PG分級(jí)的低溫等級(jí)每6 ℃設(shè)1檔，處于同一檔的兩種瀝青的低溫性能可能會(huì)存在一定差異。因此，參照ASTM D 7643—10[17], 使用PG連續(xù)分級(jí)溫度Tc來評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青和溫拌改性瀝青的低溫抗裂性能。ASTM D 7643—10通過測(cè)試不同溫度下瀝青膠結(jié)料的特定性能指標(biāo)值，再通過插值來確定連續(xù)分級(jí)溫度Tc。

對(duì)于除m值以外的性能指標(biāo)，插值公式為：

(1)

式中，Tc為連續(xù)分級(jí)溫度；T1和T2分別為兩種測(cè)試溫度中的較高者和較低者；P1和P2分別為T1和T2測(cè)試溫度下特定性能指標(biāo)的測(cè)試值；Ps為特定性能指標(biāo)的要求值，BBR試驗(yàn)要求加載60 s后的勁度模量不得大于300 MPa且勁度模量變化率不得小于0.3，因此對(duì)于S指標(biāo)和m指標(biāo)，Ps分別取300和0.3。

m值指標(biāo)的插值公式為：

(2)

將不同測(cè)試溫度下基質(zhì)瀝青和溫拌改性瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果分別代入式(1)～式(2)中，取S指標(biāo)和m指標(biāo)得到的兩個(gè)低溫連續(xù)分級(jí)溫度中的較高者作為Tc，則基質(zhì)瀝青和溫拌改性瀝青的Tc結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫拌瀝青的低溫連續(xù)分級(jí)溫度

由低溫連續(xù)分級(jí)溫度Tc的結(jié)果可知，隨著溫拌劑摻量的增加，瀝青低溫連續(xù)分級(jí)呈不斷升高的趨勢(shì)，溫拌產(chǎn)品的加入削弱了瀝青的低溫抗裂性能，這與瀝青的勁度模量S值及其變化率m值得出的結(jié)論是一致的。由Tc指標(biāo)的定義可知，該指標(biāo)在一定程度上綜合考慮了瀝青低溫條件下的變形能力和應(yīng)力松弛能力，能更精確地評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青的低溫抗裂性能。

2.3 k指標(biāo)的建立與結(jié)果分析

BBR試驗(yàn)所得S值和m值分別表征了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，且S值越小、m值越大，瀝青的低溫抗裂性能越好。譚憶秋等[13]采用S值和m值兩項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建的新指標(biāo)k的表達(dá)式為：

(3)

因此k值越小，瀝青的低溫性能越好。各瀝青膠結(jié)料的k指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫拌瀝青的k指標(biāo)

溫拌改性瀝青的k指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表明，溫拌產(chǎn)品的加入削弱了瀝青的低溫性能，與上述低溫連續(xù)分級(jí)溫度結(jié)論類似。由k指標(biāo)的定義可知，該指標(biāo)兼顧考慮了瀝青的低溫變形能力與應(yīng)力松弛能力，可更精確地評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青的低溫抗裂性能。

2.4 J指標(biāo)的建立及結(jié)果分析

2.4.1基于Buegers模型的黏彈參數(shù)分析

Burgers模型可看作由一個(gè)經(jīng)典Maxwell模型和一個(gè)經(jīng)典Kelvin模型串聯(lián)而成，可較好地反映瀝青材料的黏彈特性。Burgers模型中蠕變?nèi)崃侩S時(shí)間t的變化關(guān)系可表示為：

(4)

式中，J(t)為蠕變?nèi)崃?；E1和η1分別為Maxwell模型中的瞬時(shí)彈性模量和黏性流動(dòng)參數(shù)；E2和η2分別為Kelvin模型中的延遲彈性模量和延遲黏性參數(shù)。

將BBR試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)利用1stopt軟件進(jìn)行參數(shù)擬合，可得到各溫拌改性瀝青的Burgers模型的E1,η1,E2,η2這4個(gè)黏彈參數(shù)值，如圖5所示。

圖5 溫拌瀝青的4個(gè)指標(biāo)

溫拌產(chǎn)品的加入使Burgers模型4個(gè)黏彈參數(shù)的值皆呈增大趨勢(shì)，黏彈參數(shù)值越大，其抵抗變化的能力越弱，即瀝青的低溫抗裂性能越差。這個(gè)結(jié)果與前文低溫連續(xù)分級(jí)溫度、k指標(biāo)所得結(jié)果類似，但4個(gè)黏彈參數(shù)指標(biāo)都是考慮瀝青的單方面性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)其低溫性能，存在一定的片面性。

2.4.2J指標(biāo)的構(gòu)建

Burgers模型中蠕變?nèi)崃侩S時(shí)間的變化關(guān)系也可表示為：

(5)

蠕變?nèi)崃靠煞譃樗矔r(shí)彈性部分Je、延遲彈性部分Jd和黏性部分Jv這3個(gè)部分[18]。作為一種黏彈性材料，在溫度較低的情況下，瀝青的彈性比例占主導(dǎo)地位。但此時(shí)瀝青的黏性特性非常重要，因?yàn)樗赏ㄟ^流動(dòng)的方式松弛拉應(yīng)力從而減少低溫開裂[19]。蠕變?nèi)崃拷M成中，黏性部分Jv所占比例和值越大，瀝青的低溫性能越好。因而構(gòu)建溫拌改性瀝青低溫性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)J如下：

(6)

各溫拌改性瀝青的指標(biāo)J計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫拌瀝青的低溫性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

由圖6中數(shù)據(jù)可得，隨著溫拌產(chǎn)品摻量的增加，溫拌改性瀝青的J指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，因而溫拌產(chǎn)品的加入削弱了瀝青的低溫抗裂性能，與前文各項(xiàng)指標(biāo)所得結(jié)論一致。不同于Burgers模型的4個(gè)參數(shù)指標(biāo)，由指標(biāo)J的定義可知，該指標(biāo)考慮了黏性變形占總變形的比例及黏性特性的強(qiáng)弱，綜合考慮了溫拌改性瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，能更精確地評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青的低溫性能。

2.5 低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)比選

2.5.1瀝青混合料彎曲應(yīng)變能密度結(jié)果

張美坤等[20]的研究結(jié)果表明，瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度指標(biāo)可較好地評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能。本研究選用SMA-13級(jí)配中值，以設(shè)計(jì)孔隙率為4%確定各瀝青的最佳瀝青用量，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行瀝青混合料在-10 ℃條件下的低溫彎曲試驗(yàn)。

利用彎曲試驗(yàn)所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算的各溫拌瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度如圖7所示。

圖7 溫拌瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度

可以看出，隨著溫拌劑摻量的增加，瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度呈下降趨勢(shì)，可知溫拌產(chǎn)品的加入削弱了混合料的低溫抗裂性能。這與前文膠結(jié)料的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)得出的結(jié)論是一致的。

2.5.2相關(guān)性分析和指標(biāo)比選

混合料的低溫抗裂性能80%由瀝青性質(zhì)決定[21]，所以混合料的低溫性能可較好地反映瀝青的低溫性能。因而本研究將小梁低溫彎曲試驗(yàn)作為溫拌瀝青低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)的驗(yàn)證試驗(yàn)，通過將混合料的低溫彎曲應(yīng)變能密度指標(biāo)與前文溫拌瀝青的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，并結(jié)合各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)試精度、物理意義、數(shù)據(jù)處理難易程度、試驗(yàn)量大小等來進(jìn)行分析，優(yōu)選出較合適的溫拌瀝青低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。

表3 低溫性能指標(biāo)相關(guān)性

由表3數(shù)據(jù)可知：

(1)-12 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級(jí)以上16 ℃)測(cè)試溫度下的相關(guān)系數(shù)均大于-18 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級(jí)以上10 ℃)測(cè)試溫度下，因而采用-12 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級(jí)以上16 ℃)的測(cè)試溫度更具有實(shí)用性，推薦基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級(jí)以上16 ℃的測(cè)試溫度作為Sasobit溫拌改性瀝青的BBR試驗(yàn)測(cè)試溫度。

(2)無論在-12 ℃還是-18 ℃的測(cè)試溫度下，指標(biāo)k、綜合指標(biāo)J及低溫連續(xù)分級(jí)指標(biāo)Tc的相關(guān)性均要好于勁度模量S和勁度模量變化率m，其原因在于前3項(xiàng)指標(biāo)皆綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，而后兩項(xiàng)指標(biāo)皆是單方面考慮一項(xiàng)性能，存在片面性。

本研究在進(jìn)行溫拌改性瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)時(shí)，共采用了勁度模量S和勁度模量變化率m、低溫連續(xù)分級(jí)指標(biāo)Tc、指標(biāo)k、綜合指標(biāo)J這5項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行比選如下。

(1)勁度模量S和勁度模量變化率m：傳統(tǒng)BBR試驗(yàn)提出的兩項(xiàng)瀝青低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)物理意義明確，試驗(yàn)測(cè)試方法較為簡(jiǎn)便，僅1個(gè)測(cè)試溫度條件，且無需進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。但其與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性是最低的，原因在于僅單方面考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，存在一定局限性。

(2)低溫連續(xù)分級(jí)溫度指標(biāo)Tc：美國(guó)SHRP計(jì)劃提出的1項(xiàng)瀝青低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)通過BBR試驗(yàn)可得，物理意義明確，綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性較高。但至少需要兩個(gè)測(cè)試溫度，試驗(yàn)量增大。

(3)指標(biāo)k：直接由傳統(tǒng)的S和m兩項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建而成，計(jì)算簡(jiǎn)便，把瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力兩個(gè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合到一起，與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性較高，可更精確地評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青的低溫性能。但關(guān)于k指標(biāo)的明確物理意義需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(4)綜合指標(biāo)J：基于Burgers模型，對(duì)BBR試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合構(gòu)建而成，物理意義明確，綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性最高，可用于更精確地評(píng)價(jià)溫拌瀝青的低溫抗裂能力。但進(jìn)行參數(shù)擬合時(shí)數(shù)據(jù)處理較為繁瑣。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)溫拌改性瀝青BBR試驗(yàn)的系統(tǒng)研究，驗(yàn)證了Sasobit溫拌產(chǎn)品的加入會(huì)削弱瀝青的低溫抗裂性能，且隨著摻量的增加，削弱程度呈上升趨勢(shì)。在Sasobit產(chǎn)品最大摻量(3%)時(shí)，B類瀝青和C類瀝青的低溫分級(jí)皆上升了1個(gè)等級(jí)，連續(xù)分級(jí)值增加接近6 ℃，低溫性能降低明顯。

(2)本次BBR試驗(yàn)共設(shè)置了兩個(gè)試驗(yàn)溫度，分別為-12 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級(jí)以上16 ℃)和-18 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級(jí)以上10 ℃)。在兩個(gè)試驗(yàn)溫度下，溫拌改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)的總體變化趨勢(shì)基本相同，但-12 ℃情況下各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果更具有規(guī)律性。在與瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變能密度結(jié)果相關(guān)性分析中，-12 ℃溫度條件下的指標(biāo)結(jié)果相關(guān)性更高。因此，推薦把基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級(jí)以上16 ℃作為Sasobit溫拌改性瀝青BBR試驗(yàn)的測(cè)試溫度。

(3)針對(duì)傳統(tǒng)BBR試驗(yàn)所得勁度模量S和勁度模量變化率m兩項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)瀝青低溫性能方面的局限性，本研究分析并采用了低溫連續(xù)分級(jí)指標(biāo)Tc、指標(biāo)k及綜合指標(biāo)J來評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青的低溫性能。此3項(xiàng)指標(biāo)皆綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，且與混合料的低溫彎曲應(yīng)變能密度結(jié)果相關(guān)性較高，可用于更精確地評(píng)價(jià)溫拌改性瀝青的低溫性能。但得到低溫連續(xù)分級(jí)指標(biāo)至少需要兩個(gè)測(cè)試溫度，試驗(yàn)量增大。

(4)針對(duì)本研究分析并構(gòu)建的指標(biāo)k及綜合指標(biāo)J，由于指標(biāo)k計(jì)算簡(jiǎn)便但物理意義需進(jìn)一步進(jìn)行研究，推薦工程單位計(jì)算優(yōu)先采用，由于綜合指標(biāo)J物理意義明確但計(jì)算較為繁瑣，推薦科研工作研究?jī)?yōu)先采用。