溫拌瀝青及溫拌瀝青混合料性能研究

肖 鋒

(四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司 成都 610041)

溫拌瀝青混合料(WMA)能夠在溫度相對(duì)較低的環(huán)境下進(jìn)行施工，具有節(jié)能減耗、降低粉塵及有害氣體排放量、便于施工、延長施工季節(jié)、便于超薄攤鋪、降低瀝青老化程度從而提高瀝青路面的耐久性等特點(diǎn)[1-2]。但溫拌劑可能會(huì)對(duì)瀝青路面的路用性能產(chǎn)生不利影響，所以探究溫拌劑對(duì)瀝青及瀝青混合料的性能影響規(guī)律，研究不同溫拌劑的適用范圍，對(duì)提升溫拌瀝青路面的路用性能有著重要意義。

任曉剛等[3]運(yùn)用UTM進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)和間接拉伸疲勞試驗(yàn)對(duì)熱拌瀝青和4種溫拌瀝青的性能進(jìn)行對(duì)比，頻率掃描試驗(yàn)表明熱拌瀝青混合料(HMA)的高溫性能優(yōu)于溫拌瀝青混合料，間接拉伸疲勞試驗(yàn)表明熱拌瀝青混合料和Sasibot溫拌瀝青混合料的抗疲勞性能優(yōu)于其他3種溫拌瀝青混合料。袁飛云等[4]采用一系列PG流變?cè)囼?yàn)及雙邊缺口拉伸試驗(yàn)來測(cè)驗(yàn)2種溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一種溫拌劑能顯著增強(qiáng)溫拌瀝青的高溫抗車轍性能，對(duì)瀝青的抗疲勞性能、低溫抗裂性能略微不利，對(duì)瀝青的抗延性斷裂性能有減弱效果。第二種溫拌劑僅對(duì)瀝青的低溫抗裂性能體現(xiàn)出微小的不利影響。Luo等[5]研制了一種新型硅膠溫拌劑，通過臨界開裂溫度分析發(fā)現(xiàn)，該溫拌劑能大幅度降低瀝青的臨界開裂溫度，提升了瀝青的低溫抗裂性能。

在本研究中，2種溫拌劑均是高分子聚合物組成的表面活性類溫拌劑，但二者有著完全不同的降黏機(jī)理。為了探究這2種溫拌劑的適用場景，采用3大指標(biāo)評(píng)價(jià)其對(duì)瀝青性能的影響，運(yùn)用常規(guī)的布氏旋轉(zhuǎn)黏度評(píng)價(jià)其降黏效果。通過車轍試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)探究其對(duì)瀝青混合料的性能影響。

1 瀝青膠結(jié)料部分

1.1 試驗(yàn)原料

溫拌劑A為四川圣翔化工集團(tuán)生產(chǎn)的External溫拌劑ET-3100產(chǎn)品，為暗綠色油狀表面活性劑類瀝青添加劑，該溫拌劑是通過酯化反應(yīng)生成水，形成水膜在瀝青分子間進(jìn)行潤滑作用來降低黏度的；溫拌劑B為美國美德維實(shí)偉克生產(chǎn)的Evotherm溫拌劑M1，為暗黃色油狀液體的乳化分散型溫拌劑，該溫拌劑是與瀝青中的羧酸發(fā)生縮合反應(yīng)生成水來達(dá)到降黏目的。瀝青為廈門華特集團(tuán)生成的SBS改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS瀝青主要性能技術(shù)指標(biāo)

本研究中溫拌劑A選用了0.2%，0.5%，0.8% 3個(gè)摻量，溫拌劑B選用了0.5%，0.8%，1.0% 3個(gè)摻量。將SBS改性瀝青和不同摻量的溫拌劑在165 ℃下用高剪切分散乳化機(jī)進(jìn)行高速攪拌30～60 min后得到溫拌瀝青膠結(jié)料。

為研究方便，將包含0.2%溫拌劑A的SBS溫拌瀝青膠結(jié)料表示為SBS+0.2%A，其余瀝青的代號(hào)以此類推。

1.2 溫拌劑對(duì)改性瀝青三大指標(biāo)的影響

三大指標(biāo)法仍是目前最常用的瀝青性能檢測(cè)方法，包括針入度、延度和軟化點(diǎn)。

針入度表示針體在一定壓力下沒入瀝青試樣的深度，針入度反應(yīng)了瀝青的軟硬程度，針入度越高瀝青越軟。通常在寒冷地區(qū)選用針入度較高的瀝青，較炎熱的地區(qū)選用針入度較低的瀝青。

延度試驗(yàn)是將瀝青做成“8”字形標(biāo)準(zhǔn)試件后以一定速率拉至斷裂的長度。延度越高說明瀝青的可塑性強(qiáng)，可塑性強(qiáng)的瀝青有較好的抗疲勞性能。

試樣在規(guī)定尺寸的金屬環(huán)內(nèi)，上置規(guī)定尺寸與質(zhì)量的鋼球，放于有水或甘油的容器內(nèi)，然后以一定溫度加熱，鋼球接觸底部時(shí)的溫度即為軟化點(diǎn)。軟化點(diǎn)則是瀝青高溫穩(wěn)定性指標(biāo)，軟化點(diǎn)越高，瀝青高溫穩(wěn)定性越好[8]。

測(cè)得SBS原樣瀝青及6種溫拌瀝青的三大指標(biāo)變化,溫拌劑對(duì)三大指標(biāo)的影響見表2。

表2 溫拌劑對(duì)三大指標(biāo)的影響

由表2可見，溫拌劑的加入對(duì)SBS改性瀝青的性能有顯著影響。根據(jù)溫拌劑種類及摻量的不同三大指標(biāo)有如下變化。

1) A溫拌劑能提高改性瀝青的針入度，A的摻量在0.8%時(shí)的針入度最大，較原樣瀝青提升了18.0%。B的摻量對(duì)瀝青的針入度略有提高。針入度提高的原因可能是溫拌劑使瀝青內(nèi)產(chǎn)生了水，使瀝青軟化。較軟的瀝青通常在低溫下有足夠的黏性，不易發(fā)生脆性破壞。

2) A溫拌劑和B溫拌劑都能增加改性瀝青的延度，A的摻量在0.8%時(shí)改性瀝青的延度值最大，較原樣瀝青提高了18.6%。隨著B溫拌劑的摻量的提高，改性瀝青的延度值不斷增加，延度在0.8%的摻量下較原樣瀝青提高了26.8%。說明2種溫拌劑均能提高瀝青的可塑性，瀝青的抗疲勞性能得到強(qiáng)化。

3) A溫拌劑和B溫拌劑都略微降低了改性瀝青的軟化點(diǎn)。說明2種溫拌劑都略微弱化了瀝青的高溫穩(wěn)定性，A溫拌劑對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性的弱化程度更小。

1.3 溫拌劑對(duì)改性瀝青降黏效果

布氏旋轉(zhuǎn)黏度是利用轉(zhuǎn)子與流體之間產(chǎn)生的剪切和阻力之間的關(guān)系而得出的黏度值。采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度來探究這2種溫拌劑對(duì)改性瀝青的降黏效果。試驗(yàn)測(cè)得SBS原樣瀝青及6種溫拌瀝青在135 ℃和175 ℃的黏度，并繪制它們的黏溫曲線測(cè)得其拌和與壓實(shí)溫度。布氏旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 布氏黏度測(cè)試結(jié)果

由圖1可見，2種溫拌劑均具有良好的降黏效果，2種溫拌劑在最大摻量下，使改性瀝青在135 ℃時(shí)的黏度分別降低了46.0%和58.7%，使175 ℃時(shí)的黏度分別降低了48.6%和63.0%。

通過黏溫曲線計(jì)算，以(0.17±0.02)Pa·s時(shí)的溫度作為拌和溫度范圍，以(0.28±0.03)Pa·s時(shí)的溫度作為壓實(shí)溫度范圍。發(fā)現(xiàn)2種溫拌劑在最大摻量下對(duì)改性瀝青的拌和溫度和壓實(shí)溫度的降低超過了20 ℃。

2 瀝青混合料部分

2.1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

本研究中熱拌瀝青混合料與2種溫拌瀝青混合料采用了相同的配合比設(shè)計(jì)，粗細(xì)集料為玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉。經(jīng)過測(cè)試，所選用的集料與填料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。木質(zhì)纖維素與抗剝落劑的摻量均為0.4%。SBS瀝青用量為5.7%，A溫拌混合料的溫拌劑摻量為1%，B為0.8%。

試驗(yàn)采用SMA-13級(jí)配，參考了JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》確定每一檔礦料的用量。SMA-13的礦料級(jí)配見表3。

表3 SMA-13礦料級(jí)配

根據(jù)原樣瀝青與溫拌瀝青的黏溫曲線，熱拌瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度分別為185 ℃，175 ℃，溫拌瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度分別為165 ℃，155 ℃。壓實(shí)成型后的馬歇爾試件和車轍板的各項(xiàng)體積指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 溫拌劑對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

采用車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，高溫穩(wěn)定性是指車轍板試件(通常尺寸為300 mm×300 mm×50 mm)，在60 ℃的規(guī)定溫度下，以一個(gè)輪壓為0.7 MPa的實(shí)心橡膠輪胎在其上行走，測(cè)量試件在變形穩(wěn)定時(shí)期，每增加1 mm變形需要行走的次數(shù)。按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0719-2011進(jìn)行瀝青混合料車轍試驗(yàn)。瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算方法見式(1)。

(1)

式中：DS為瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，次/mm；d1為對(duì)應(yīng)于時(shí)間t1的變形量，mm；d2為對(duì)應(yīng)于時(shí)間t2的變形量，mm；C1，C2為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)和試件系數(shù)，N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度，通常為42 次/min。

熱拌瀝青混合料與溫拌瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果見表4，動(dòng)穩(wěn)定度越大則混合料的抗剪強(qiáng)度越高，高溫穩(wěn)定性越好。

表4 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果

由表4可見，A溫拌劑瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降低了8.7%，B溫拌劑瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了2.6%。說明A溫拌劑會(huì)降低混合料的高溫穩(wěn)定性，B溫拌劑會(huì)提高混合料的高溫穩(wěn)定性。熱拌瀝青與溫拌瀝青均充分滿足規(guī)范要求，主要原因是SMA混合料的礦料骨架有很大的內(nèi)摩擦角，從而SMA混合料有優(yōu)良的抗車轍性能[10]，一定程度上降低了溫拌劑對(duì)其高溫穩(wěn)定性的影響。

2.3 溫拌劑對(duì)瀝青混合料耐疲勞性能的影響

參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0739-2011進(jìn)行瀝青混合料的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)。試件兩端被固定住，中間的2個(gè)夾具會(huì)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該試驗(yàn)的示意見圖2。

圖2 4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意

該試驗(yàn)中需按式(2)～(7)測(cè)得一系列力學(xué)指標(biāo)。

σt=(L×P)/(w×h2)

(2)

εt=(12×δ×h)/(3×L2-4×α2)

(3)

S=σt/εt

(4)

φ=360×f×t

(5)

EDi=π×σt×εt×sinφ

(6)

(7)

式中：σt為最大拉應(yīng)力，Pa；L為梁跨距，即外端兩個(gè)夾具間距，m；w為梁寬，m；h為梁高，m；P為峰值荷載，N；εt為最大拉應(yīng)變；δ為梁中心最大應(yīng)變；α為相鄰?qiáng)A頭中間間距,m；S為彎曲勁度模量，Pa；φ為相位角(°)；f為加載頻率，Hz；t為應(yīng)變峰值滯后于應(yīng)力峰值的時(shí)間，s；EDi為單個(gè)循環(huán)耗散能，J/m3；ECD為疲勞試驗(yàn)過程中累積耗散能，J/m3。

四點(diǎn)彎曲梁的試驗(yàn)結(jié)果見圖3與圖4，初始模量越大則瀝青混合料的硬度越高，循環(huán)次數(shù)和累計(jì)耗散能越大則瀝青混合料的抗疲勞性能越好。通常較硬的材料，在重復(fù)荷載下更容易發(fā)生脆性破壞，降低瀝青混合料的模量，對(duì)提高瀝青混合料的疲勞壽命有一定積極作用。

圖3 混合料初始彎曲勁度模量

圖4 瀝青混合料的循環(huán)次數(shù)和累計(jì)耗散能

由圖3可見，2種溫拌瀝青混合料的初始模量均小于熱拌瀝青混合料，說明溫拌劑使瀝青軟化從而降低了混合料的模量。2種溫拌瀝青合料的初始彎曲勁度模量較熱拌瀝青混合料分別降低了14.3%和18.9%，初始彈性模量分別降低了14.2%和19.0%。在圖4中，2種溫拌瀝青混合料的循環(huán)次數(shù)和累計(jì)耗散能都有大幅提升，說明溫拌劑使混合料的韌性得到改善，疲勞壽命明顯增長。2種溫拌劑的循環(huán)次數(shù)分別增加了86.1%和95.3%，累計(jì)耗散能分別增加了52.4%和69.6%。

2.4 溫拌劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

國內(nèi)外研究認(rèn)為,瀝青混合料黏附性越好其抗水損害性能越好。集料的表面越粗糙、堿性越強(qiáng)、帶正電荷越多與瀝青黏附性越好[11]。在相同配合比設(shè)計(jì)下，瀝青與礦料之間的黏附性成為了瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。對(duì)混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)，可以探究溫拌劑對(duì)瀝青與礦料的黏附性的影響。

同時(shí)采用了浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損害性能。浸水馬歇爾試驗(yàn)是將圓柱形馬歇爾試件(直徑：(101.6±0.2) mm，高：(63.5±1.3) mm)在規(guī)定溫度的恒溫水槽里保溫48 h后用圓環(huán)形夾具將試件夾至破壞。凍融劈裂試驗(yàn)首先對(duì)馬歇爾試件在水中抽真空使其充分吸收，然后試件在-18 ℃左右保溫16 h，再在60 ℃水中保溫24 h后用條狀?yuàn)A具將其夾至破壞。浸水馬歇爾試驗(yàn)試和凍融劈裂試驗(yàn)分別參照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0709-2011和T 0729-2011的方式進(jìn)行。

瀝青混合料水穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見，2種溫拌劑對(duì)未浸水試件的馬歇爾穩(wěn)定度的提升分別高達(dá)51.1%和120%，對(duì)未凍融試件的劈裂抗拉強(qiáng)度也有略微提升。這可能是溫拌劑提升了瀝青混合料的黏聚力。但殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比較熱拌瀝青混合料略有降低，說明兩種溫拌劑對(duì)瀝青與礦料之間的黏附性有一定的負(fù)面影響。凍融劈裂試驗(yàn)中瀝青混合料有更大的拉應(yīng)力，更能直觀地反映瀝青與礦料之間的黏附性，所以B溫拌劑瀝青混合料的水穩(wěn)性能更好。

2.5 溫拌劑對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響

采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，該試驗(yàn)的示意圖見圖5。試驗(yàn)中首先將瀝青混合料板狀試件按規(guī)定切割成條狀，將條狀試件在-10 ℃的防凍液里保溫至少45 min后測(cè)其抗彎性能。參照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0715-2011進(jìn)行-10 ℃條件下瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)。

圖5 低溫彎曲試驗(yàn)示意

試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度RB和梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖計(jì)算方法見式(8)～(9)。

(8)

(9)

式中：RB為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度，MPa；εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變，μ×10-6；b為跨中斷面試件的寬度，mm；h為跨中斷面試件的高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；d為試件破壞時(shí)的跨中撓度，mm。

低溫彎曲試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見圖6。瀝青混合料低溫彎曲破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)酱蟆?qiáng)度越高，則瀝青混合料的低溫抗裂性能越好[12]。

圖6 低溫彎曲試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果

由圖6見，A溫拌劑瀝青混合料最大抗彎拉應(yīng)變和極限抗彎拉強(qiáng)度較熱拌瀝青混合料差別很小，說明A溫拌劑對(duì)瀝青混合料的低溫性能基本無影響。相比熱拌瀝青混合料，B溫拌劑瀝青混合料的最大抗彎拉應(yīng)變降低了30.8%，極限抗彎拉強(qiáng)度降低了12.7%。說明B溫拌劑會(huì)對(duì)瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)，JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》要求瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變不小于3 000，B溫拌劑導(dǎo)致瀝青混合料不滿足該要求。

3 結(jié)語

本文通過瀝青膠結(jié)料試驗(yàn)分析了溫拌劑的降黏機(jī)理、對(duì)瀝青性能的影響、降黏效果，再通過瀝青混合料試驗(yàn)驗(yàn)證了溫拌瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。根據(jù)這兩部分的試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論。

1) 2種溫拌劑均為表面活性類溫拌劑，B溫拌劑的降黏效果略優(yōu)，兩者均能降低超過20 ℃的施工溫度。

2) 對(duì)于較炎熱的地區(qū)，建議選用B溫拌劑。雖然B溫拌劑瀝青的軟化點(diǎn)略有降低，但B溫拌劑瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性卻有小幅提升。A溫拌劑會(huì)略微降低瀝青的軟化點(diǎn)，同時(shí)A溫拌瀝青混合料的高穩(wěn)定性也被弱化。

3) 對(duì)于重載交通路段，對(duì)路面疲勞壽命有較高要求的地區(qū)，建議選用B溫拌劑。B溫拌劑瀝青的延度高于A溫拌劑瀝青。2種溫拌瀝青混合料的疲勞壽命均遠(yuǎn)長于熱拌瀝青混合料，但B溫拌劑瀝青混合料的抗疲勞性能的表現(xiàn)更好。

4) 對(duì)常年多雨的地區(qū)，建議選用B溫拌劑。2種溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性都有一定削弱，但B溫拌劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性略好于A溫拌劑瀝青混合料。

5) 對(duì)于北方及高寒地區(qū)，建議選擇A溫拌劑。因?yàn)锳溫拌劑幾乎不會(huì)對(duì)瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生影響，而B溫拌劑會(huì)一定程度地削弱瀝青混合料的低溫性能。