鹽凍融循環(huán)下添加劑對瀝青流變性能的影響

殷金俠，馬慶偉， 張紹泉，郭 平

(1.中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119； 2.西安公路研究院，陜西 西安 710065；3.山東科達(dá)基建有限公司，山東 東營 257000)

0 引 言

中國北方大部分地區(qū)冬季降雪頻繁，隨著溫度降低，路面上容易產(chǎn)生積雪結(jié)冰現(xiàn)象，這嚴(yán)重阻礙了交通，對路面結(jié)構(gòu)也有較大損害[1]。現(xiàn)階段中國主要通過清除法和融化法來除去路面冰雪，其中融化法又包括化學(xué)融化法和熱融化法，考慮到熱融化法的成本較高，中國大部分地區(qū)還是主要采用化學(xué)融化法，即撒布融雪鹽的方法[2-3]。然而，隨著融雪鹽的使用，冬季晝夜溫度也會交替變化，這樣容易導(dǎo)致鹽溶液浸入瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，不斷損害瀝青路面，降低其使用壽命，因此有必要采取相關(guān)措施減少其破壞。

目前主要通過改善瀝青以及瀝青混合料的性能來改善融雪鹽對瀝青及其混合料的損害。崔亞楠等通過研究鹽凍融循環(huán)對瀝青性能的影響得知，冰凍溫度、鹽溶液濃度和凍融循環(huán)次數(shù)都會影響瀝青的溫度敏感性，使瀝青的高低溫性能降低，并對瀝青微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響[4]；Kumar、Nejad等研究發(fā)現(xiàn)摻加消石灰可以改善混合料的水穩(wěn)定性[5]；葉中辰等研究了纖維對瀝青膠漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維對瀝青的高溫和低溫性能都有較大改善[6]；陳子健研究了橡膠對瀝青低溫性能的改善作用，結(jié)果表明與SBS改性瀝青和70號基質(zhì)瀝青相比,橡膠瀝青具有更好的低溫性能[7]；趙可等研究了添加不同化學(xué)助劑的幾種PE復(fù)合改性瀝青的技術(shù)性能、加工工藝及影響因素，PE 復(fù)合改性瀝青不僅具有優(yōu)良的性能，而且在熱貯存過程中不發(fā)生離析，達(dá)到行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]；楊新春等研究了巖瀝青對基質(zhì)瀝青的性能影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)摻量的巖瀝青能有效改善瀝青的溫度敏感性和抗疲勞性能[9]。

以上研究多停留在常規(guī)環(huán)境下，并未考慮鹽凍融循環(huán)的影響，并且只是對一種或者一類添加劑進(jìn)行研究，涉及到鹽凍融循環(huán)條件時，也只是研究了不同環(huán)境條件對瀝青常規(guī)性能指標(biāo)的影響，而對幾類添加劑在鹽凍融條件下的流變性能缺乏系統(tǒng)的研究。本文針對鹽凍融循環(huán)條件的特點，選擇木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、熱塑性樹脂PE、消石灰、巖瀝青、膠粉等6種添加劑，通過在8%的鹽溶液中凍融循環(huán)15次來模擬北方寒冷地區(qū)融雪鹽對路面的損害，然后對6種瀝青膠結(jié)料分別進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(DSR)、彎曲梁流變試驗(BBR)以及疲勞試驗，研究不同添加劑對瀝青流變性能的影響，為改善鹽凍融地區(qū)瀝青路面的性能提供參考。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗采用東明A-70#瀝青，其相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)及要求

1.2 添加劑

1.2.1 纖維

本文采用的纖維有木質(zhì)素纖維、聚酯纖維，纖維摻量為8%，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.2.2 橡膠

膠粉采用西安中軒膠粉加工廠生產(chǎn)的30目膠粉，膠粉摻量為20%，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3。

1.2.3 PE

PE是由乙烯單體聚合而成的線性聚合物，其分子結(jié)構(gòu)式為-[CH2-CH2]n-。本文所用的是線性低密度聚乙烯(LLDPE)，PE摻量為8%，其相關(guān)指標(biāo)見表4。

1.2.4 巖瀝青

巖瀝青在常溫下呈黑色，有光澤，外觀像黑曜石，易脆，易被碾成黑棕色粉末，摻量為8%，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表5。

表2 纖維技術(shù)指標(biāo)

表3 膠粉技術(shù)指標(biāo)

表4 PE技術(shù)指標(biāo)

1.2.5 消石灰

消石灰中有效成分MgO和CaO含量為68%，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對消石灰(MgO和CaO)含量大于65%的要求，其摻量為2%。

表5 巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

2 試驗方案及試驗方法

2.1 試驗方案

已有研究表明，在一定濃度的NaCl溶液中，瀝青膠結(jié)料凍融循環(huán)15次后，其性能衰減幅度越來越小，且當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)固定，鹽溶液濃度超過8%后，瀝青的各項性能衰減較為緩慢[10]，因此本文以在濃度為8%的鹽溶液中凍融循環(huán)15次來模擬北方寒冷地區(qū)鹽凍融循環(huán)對瀝青的損害。鹽凍融循環(huán)過程為：將制作好的瀝青膠結(jié)料試樣先放在配制好的鹽溶液中浸泡12 h，然后將試樣在-10 ℃的低溫箱中冰凍3 h，隨后將試樣取出放入40 ℃的鹽溶液浴中融化2 h，如此反復(fù)進(jìn)行15次鹽凍融循環(huán)。增加1組無添加劑的對比組，對7組試樣分別進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗、彎曲梁流變試驗以及疲勞試驗。

2.2 試驗方法

對摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、橡膠粉、PE、巖瀝青和消石灰等添加劑的瀝青進(jìn)行流變試驗，采用動態(tài)剪切試驗(DSR)研究不同瀝青膠結(jié)料的高溫流變性質(zhì)，低溫流變性質(zhì)研究采用彎曲梁流變試驗(BBR)，并通過動態(tài)剪切流變儀(DSR)，選取應(yīng)力控制，在確定的應(yīng)變水平下測試瀝青結(jié)合料的疲勞性能，由初始復(fù)數(shù)剪切模量計算出對應(yīng)的應(yīng)力水平，然后在此應(yīng)力水平下進(jìn)行應(yīng)力控制加載，待瀝青模量衰減至初始模量的50%時，將荷載作用次數(shù)作為評價指標(biāo)，對不同瀝青膠結(jié)料的疲勞性能進(jìn)行分析。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 動態(tài)剪切流變試驗

摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、橡膠粉、PE、巖瀝青和消石灰等添加劑的瀝青膠結(jié)料的抗車轍因子G*/sinδ和相位角δ隨溫度的變化趨勢如圖1、2所示。

圖1 不同瀝青膠結(jié)料的抗車轍因子G*/sin δ

從圖1老化前后摻加不同添加劑的瀝青膠結(jié)料的抗車轍因子G*/sinδ結(jié)果可知，隨著溫度升高，老化前后摻加不同添加劑的瀝青膠結(jié)料的抗車轍因子G*/sinδ逐漸減小，表明摻加不同添加劑后，瀝青膠結(jié)料在鹽凍融循環(huán)后的高溫抗變形能力隨著溫度升高而逐漸降低，且隨著溫度越來越高，降低幅度越來越小。

由圖1(a)可知，與未摻加添加劑的瀝青相比，摻加6種添加劑后，其抗車轍因子G*/sinδ都有不同程度的提高。以64 ℃為例進(jìn)一步說明不同添加劑對鹽凍融循環(huán)下瀝青高溫性能的影響。不同瀝青老化前經(jīng)過鹽凍融循環(huán)的作用后，摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、橡膠粉、PE、巖瀝青、消石灰的瀝青的抗車轍因子G*/sinδ分別增加了3.8%、4.8%、9.8%、11.3%、3.9%、5.8%?？梢?，PE、膠粉改善鹽凍融循環(huán)條件下瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性能較好，其他4種添加劑對鹽凍融作用后瀝青的高溫性能改善效果基本相同。RTFOT后摻加幾種添加劑的瀝青的抗車轍因子G*/sinδ分別增加了3.1%、4.8%、10.3%、12.5%、2.9%、1.9%，從不同添加劑的RTFOT瀝青膠結(jié)料經(jīng)過鹽凍融循環(huán)作用后的高溫性能來看，PE、膠粉對瀝青的高溫性能改善效果顯著，消石灰與巖瀝青對鹽凍融循環(huán)后的瀝青高溫抗變形能力改善最不明顯。

從圖2可知，與未摻加添加劑的瀝青相比，摻加6種添加劑后，其相位角都有不同程度的降低。以64 ℃為例進(jìn)一步說明不同添加劑對鹽凍融循環(huán)下瀝青相位角的影響。不同瀝青老化前經(jīng)過鹽凍融循環(huán)的作用后，摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、橡膠粉、PE、巖瀝青、消石灰的瀝青的抗車轍因子G*/sinδ分別降低了23.83%、26.58%、24.45%、30.54%、1.0%、5.3%，老化后只有巖瀝青的相位角增加了2.8%；摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、橡膠粉、PE、消石灰的瀝青的相位角分別降低了13.8%、27.8%、31.8%、29.5%、5.3%。由此可知：摻加不同添加劑后，老化前后瀝青膠結(jié)料的相位角均不同程度地有所增加，表明經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，摻加添加劑的瀝青黏性成分有所減少，而彈性成分有所增加。其中經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，老化前后摻加消石灰和巖瀝青的瀝青老化前后的相位角變化不明顯，而摻入其他4種添加劑的瀝青的相位角變化趨勢基本相同，都變現(xiàn)出了不小的降低。

3.2 彎曲梁流變試驗

本文選取-12 ℃、-18 ℃為試驗溫度，選取t=60 s時的蠕變勁度S和荷載作用時的瀝青勁度變化率m評價不同瀝青膠結(jié)料經(jīng)過鹽凍融循環(huán)作用后的低溫性能，利用BBR測得瀝青在240 s內(nèi)的跨中撓度[11]，通過式(1)計算出瀝青勁度模量，并擬合試驗數(shù)據(jù)得到回歸系數(shù)，求得m值與時間的關(guān)系，試驗結(jié)果如圖3、4所示。

(1)

式中：St為蠕變勁度模量；P為集中荷載；L為梁跨距(102 mm)；b為梁寬(12.5 mm)；h為梁高(6.25 mm)；δt為跨中撓度。

圖3 不同瀝青膠結(jié)料的勁度模量

圖4 不同瀝青膠結(jié)料m值

從圖3可以看出，不同溫度下?lián)郊犹砑觿┖鬄r青的勁度模量相比于未摻加均有所降低。-12 ℃下，摻加巖瀝青、聚酯纖維、膠粉、消石灰、木質(zhì)素纖維以及PE的瀝青的勁度模量較未摻加分別降低了8.9%、20.2%、11.9%、5.6%、14.8%、8.1%。由此可知，經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，摻加添加劑的瀝青的低溫抗裂性能也有不同程度的改善，其中聚酯纖維、木質(zhì)素纖維對鹽凍融循環(huán)后瀝青的低溫性能改善最顯著，消石灰對經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后瀝青的低溫性能改善最不顯著。在-18 ℃，摻加巖瀝青、聚酯纖維、膠粉、消石灰、木質(zhì)素纖維以及PE的瀝青的勁度模量分別降低了15.8%、25.1%、15.2%、7.2%、21.2%、17.3%?？梢钥闯?，除了消石灰對其低溫性能改善不明顯外，在較低溫度下其余幾種改性劑對鹽凍融循環(huán)后瀝青的低溫抗裂性能均有較大改善，尤其是纖維類改性劑對其改善更為明顯。

m值反映了不同瀝青膠結(jié)料勁度模量對變形的響應(yīng)能力。由圖4可知，摻加添加劑后瀝青的m值均有不同程度的增大，表明瀝青經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后其勁度模量對變形的響應(yīng)能力增強(qiáng)。在-12 ℃的溫度下，相較于未摻加添加劑的瀝青，摻加巖瀝青、聚酯纖維、膠粉、消石灰、木質(zhì)素纖維以及PE的瀝青的m值分別升高了7.3%、12.4%、27.8%、23.9%、21.4%、16.8%，由此可以看出，瀝青膠結(jié)料經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，不同添加劑對瀝青勁度模量的響應(yīng)能力由強(qiáng)到弱依次為膠粉、消石灰、木質(zhì)素纖維、PE、聚酯纖維、巖瀝青。而在-18 ℃的試驗溫度下，摻加巖瀝青、聚酯纖維、膠粉、消石灰、木質(zhì)素纖維以及PE的瀝青的m值分別升高了6.1%、10.5%、13.1%、19.4%、10.0%、11.6%，不同添加劑對瀝青勁度模量的響應(yīng)能力由強(qiáng)到弱依次為消石灰、膠粉、PE、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維、巖瀝青。從不同試驗溫度下瀝青膠結(jié)料經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后的m值可以看出，在鹽凍融循環(huán)條件下，摻加消石灰與膠粉后瀝青的勁度模量對變形的響應(yīng)能力最強(qiáng)，而摻加巖瀝青后，其勁度模量對變形的響應(yīng)能力最弱。整體而言，摻加不同種類的添加劑后，瀝青經(jīng)過鹽凍融循環(huán)，其勁度模量對變形的響應(yīng)能力有所增強(qiáng)，試驗溫度越低，摻加添加劑的瀝青勁度模量對變形的敏感性越小。

3.3 疲勞試驗結(jié)果與分析

使用動態(tài)剪切流變儀，選取應(yīng)力控制，在確定的應(yīng)力水平下測試瀝青結(jié)合料的疲勞性能，應(yīng)力水平取300 kPa，待瀝青模量衰減至初始模量的50%時，將荷載作用次數(shù)作為評價指標(biāo)，試驗溫度為15 ℃，加載波為正弦波，頻率為10 Hz[12]，將各種瀝青膠結(jié)料試樣在8%的NaCl溶液中凍融循環(huán)15次后進(jìn)行瀝青疲勞試驗，7種瀝青膠結(jié)料疲勞試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同瀝青膠結(jié)料疲勞壽命

從圖5可以看出，經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，摻加添加劑的瀝青的疲勞壽命明顯高于基質(zhì)瀝青，在鹽凍融循環(huán)條件下，摻加巖瀝青、聚酯纖維、膠粉、消石灰、木質(zhì)素纖維以及PE的瀝青的疲勞壽命較未摻加添加劑的瀝青分別升高了30.3%、40.1%、26.3%、13.8%、21.1%、37.5%，不同添加劑對瀝青疲勞壽命的改善效果從大到小依次為聚酯纖維、PE 、巖瀝青、膠粉、木質(zhì)素纖維、消石灰。消石灰對瀝青的疲勞性能雖然有所改善，但是相比其他幾種改性劑，其改善相對不明顯，聚酯纖維與PE對鹽凍融循環(huán)后的瀝青膠結(jié)料的疲勞性能改善最為顯著。

綜合以上研究可知：瀝青膠結(jié)料經(jīng)過鹽凍融循環(huán)作用后，PE、膠粉對瀝青的高溫性能改善顯著，消石灰與巖瀝青對鹽凍融循環(huán)后的瀝青高溫抗變形能力改善最不明顯，聚酯纖維對瀝青的高溫性能改善較為顯著；纖維類改性劑對瀝青的低溫性能改善更為明顯；聚酯纖維與PE對鹽凍融循環(huán)后的瀝青膠結(jié)料的疲勞性能改善最為顯著。因此，建議在寒冷地區(qū)優(yōu)先采用聚酯纖維或PE來改善瀝青的各項性能，以減輕路面因鹽凍融循環(huán)作用而產(chǎn)生的破壞。

4 結(jié) 語

本文對摻加不同添加劑的瀝青進(jìn)行鹽凍融循環(huán)后，采用動態(tài)剪切流變試驗(DSR)、彎曲梁流變試驗(BBR)以及瀝青疲勞試驗研究及各項性能，得到的結(jié)論如下。

(1)動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果表明：經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，不同添加劑均能提高瀝青膠結(jié)料老化前后的高溫抗變形能力，PE、膠粉對瀝青的高溫性能改善效果顯著，消石灰與巖瀝青的改善最不明顯；且摻加添加劑的瀝青的相位角明顯減小，其黏性成分有所減少，彈性成分有所增加，其中摻加消石灰和巖瀝青的瀝青老化前后的相位角變化不明顯，而摻入其他4種添加劑的瀝青的相位角都有較大幅度降低。

(2)彎曲梁流變試驗結(jié)果表明，經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，消石灰對瀝青的低溫性能改善最不明顯，在較低溫度下巖瀝青、聚酯纖維、膠粉、木質(zhì)素纖維以及PE對鹽凍融循環(huán)后瀝青的低溫抗裂性能均有較大改善，尤其是纖維類改性劑對其改善更為明顯；摻加消石灰與膠粉的瀝青的勁度模量對變形的響應(yīng)能力最強(qiáng)，纖維類改性劑次之，摻加巖瀝青后，瀝青勁度模量對變形的響應(yīng)能力最弱。

(3)經(jīng)過鹽凍融循環(huán)后，摻加消石灰對瀝青的疲勞性能雖然有所改善，但是相比其他幾種改性劑，其改善相對不明顯，聚酯纖維與PE對鹽凍融循環(huán)后的瀝青膠結(jié)料的疲勞性能改善最為顯著。

(4)在寒冷地區(qū)，建議采用聚酯纖維或PE來改善瀝青的各項性能，以減輕路面因鹽凍融循環(huán)作用而產(chǎn)生的破壞。