溫拌技術(shù)對(duì)成品高黏瀝青性能的影響

蘇衛(wèi)國(guó)，梁晨磊

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引言

溫拌技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種環(huán)保低碳、切合生態(tài)環(huán)保理念的筑路技術(shù)。相較于傳統(tǒng)熱拌瀝青路面，溫拌瀝青路面的整體性能與之相當(dāng)，卻可降低施工溫度30 ℃以上，同時(shí)大幅度減少SO2、NOX等有害氣體的排放[1-5]，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。文獻(xiàn)[6]研究了摻加Sasobit、Aspha-min、ZYF、Evotherm這4種溫拌劑對(duì)瀝青性能及混合料路用性能的影響。文獻(xiàn)[7]對(duì)溫拌和熱拌開級(jí)配抗滑磨耗層(open graded friction course，OGFC)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗剪切性能和抗疲勞性能等方面進(jìn)行了對(duì)比研究。但目前有關(guān)溫拌劑對(duì)高黏瀝青性能影響的研究還比較少見。本文首先對(duì)成品高黏瀝青分別采用不同的溫拌技術(shù)制得4種溫拌高黏瀝青，接著通過(guò)美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析了4種溫拌高黏瀝青的高低溫流變性能和抗疲勞性能，可為溫拌高黏瀝青的制備及混合料施工提供依據(jù)。

1 原材料及制備工藝

1.1 成品高黏瀝青

本文選用的成品高黏瀝青購(gòu)自江蘇省南通市通沙瀝青科技有限公司，各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果(見表1)均滿足要求[8]。

表1 成品高黏瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.2 溫拌技術(shù)方案

本文采用3種溫拌技術(shù)方案：有機(jī)降黏型溫拌技術(shù)、機(jī)械發(fā)泡瀝青降黏技術(shù)和乳化分散瀝青溫拌技術(shù)。有機(jī)降黏型溫拌技術(shù)選用Sasobit和EC120溫拌劑。Sasobit溫拌劑是一種窄分布的長(zhǎng)鏈脂肪族烴，外觀呈片狀或粉狀，融溫范圍為99～116 ℃。EC120溫拌劑是一種合成的直鏈脂肪族式的碳?xì)浠衔?，呈白色?xì)小顆粒狀，熔點(diǎn)為100 ℃左右，溫度超過(guò)110 ℃后能完全溶于瀝青中[9-11]。機(jī)械發(fā)泡瀝青降黏技術(shù)，選用徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司研制的XLB10P型泡沫瀝青試驗(yàn)機(jī)對(duì)瀝青進(jìn)行發(fā)泡。乳化分散瀝青溫拌技術(shù)選用美德維實(shí)偉克有限公司生產(chǎn)的Evotherm M1溫拌劑。

1.3 溫拌高黏瀝青制備工藝

溫拌高黏瀝青的制備分為兩類：一類為摻加溫拌劑的高黏瀝青的制備，流程見圖1；另一類為泡沫溫拌高黏瀝青的制備，流程見圖2。

圖1 摻加溫拌劑的高黏瀝青的制備流程

圖2 泡沫溫拌高黏瀝青的制備流程

通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高黏瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度和135 ℃黏度均普遍高于工程中常用的改性瀝青，因此將溫拌劑的摻量、發(fā)泡瀝青的用水量和瀝青加熱溫度進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整[12-14]。采用摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為7%的EC120溫拌劑，發(fā)泡用水量為4%的泡沫溫拌，Sasobit摻量為2%、聚乙烯蠟摻量為1%以及WM(采用Evotherm M1溫拌劑和一種晶體蠟A、一種鄰苯二甲酸二酯類B復(fù)合制備出一種新型溫拌劑摻量為3%作為溫拌技術(shù)方案，本文后續(xù)內(nèi)容皆基于上述4種溫拌技術(shù)方案和摻量進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 車轍因子G*/sin δ

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，對(duì)未老化和短期老化后的成品高黏瀝青和4種溫拌高黏瀝青進(jìn)行了溫度掃描試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)如下：溫度，46～88 ℃，間隔3 ℃測(cè)一次；頻率，10 rad/s；幾何參數(shù)，25 mm直徑，1 mm間隙；控制應(yīng)變，10%?？梢缘玫讲煌嚇釉诓煌瑴囟认碌能囖H因子值，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出不同試樣的車轍因子隨溫度變化的趨勢(shì)圖，見圖3。

如圖3所示，根據(jù)車轍因子-溫度這兩個(gè)變量建立坐標(biāo)圖形[15]，可以發(fā)現(xiàn)不同試樣的車轍因子和溫度之間存在明顯的線性關(guān)系。分別對(duì)未老化和短期老化后各試樣的車轍因子和溫度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得出對(duì)應(yīng)試樣的擬合曲線公式，如圖3a～圖3e所示。再將未老化和短期老化后車轍因子的規(guī)范要求值代入各自的擬合曲線公式，可求出滿足Superpave膠結(jié)料規(guī)范要求的臨界溫度，臨界溫度越大，表明相應(yīng)的高溫性能等級(jí)越高，高溫性能越好[16]。

不同溫拌高黏瀝青試樣未老化及短期老化后的臨界溫度見圖4。由圖4可知：相較于成品高黏瀝青，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青和EC120溫拌高黏瀝青的臨界溫度大幅提高，可見這兩種有機(jī)蠟類溫拌劑提高了成品高黏瀝青的高溫性能。根據(jù)溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：雖然泡沫溫拌并沒(méi)有使得高黏瀝青的高溫等級(jí)降低，但是其臨界溫度卻降低了，表明雖然泡沫溫拌高黏瀝青的高溫性能降低了，但仍然能保持之前的高溫等級(jí)，高溫性能受到的影響不大。WM是實(shí)驗(yàn)室自制的表面活性劑與有機(jī)蠟復(fù)合的溫拌劑，在成品高黏瀝青中摻入WM溫拌劑后，臨界溫度得到了一定程度的提升，說(shuō)明WM溫拌劑可以小幅提高高黏瀝青的高溫性能。

2.2 60 ℃零剪切黏度

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，對(duì)未老化和短期老化后的成品高黏瀝青以及4種溫拌高黏瀝青開展頻率掃描試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)如下：溫度，60 ℃；頻率，0.1～100 Hz；幾何參數(shù)，25 mm直徑，1 mm間隙；控制應(yīng)變，0.5%。不同試樣在不同荷載作用頻率下的復(fù)合黏度值如圖5所示。

圖4 不同溫拌高黏瀝青試樣未老化及短期老化后的臨界溫度

當(dāng)剪切頻率很小或者剪切頻率非常大時(shí)，瀝青呈現(xiàn)牛頓流體，相應(yīng)的區(qū)域分別稱為第一牛頓區(qū)域和第二牛頓區(qū)域[17]。由圖5可以發(fā)現(xiàn)：在0.1～100 Hz的剪切頻率下，無(wú)論是未老化還是短期老化后的試樣，復(fù)合黏度值均隨剪切頻率的增加而減小。為了得到剪切頻率接近0 Hz時(shí)的復(fù)合黏度即零剪切黏度，通過(guò)流變學(xué)模型對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可以將圖5中變化曲線延伸到第一牛頓區(qū)域，最終得出零剪切黏度，常見擬合黏度-頻率曲線的流變模型有Cross模型和Carreau模型。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，相較于Cross模型，Carreau模型計(jì)算出的零剪切黏度與加速加載試驗(yàn)的車轍相關(guān)性較好，故采用Carreau模型。復(fù)合黏度的計(jì)算公式[18]為：

其中：η為復(fù)合黏度，Pa·s；η0為零剪切黏度，Pa·s；ω為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的剪切頻率，s-1；k、m為材料參數(shù)。

本文采用Carreau模型對(duì)圖5中的曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：利用Carreau流變模型對(duì)不同溫拌高黏瀝青的復(fù)合黏度-頻率曲線進(jìn)行擬合后，可得到第一牛頓區(qū)域內(nèi)復(fù)合黏度與頻率的關(guān)系曲線。無(wú)論是未老化還是短期老化后的溫拌高黏瀝青，在第一牛頓區(qū)域內(nèi)的復(fù)合黏度均不再隨著剪切頻率的變化而變化，因而可以得到不同溫拌瀝青剪切頻率接近0 Hz時(shí)的復(fù)合黏度，即零剪切黏度。

圖7為不同瀝青試樣的60 ℃零剪切黏度。由圖7可見：經(jīng)過(guò)短期老化后的溫拌高黏瀝青60 ℃零剪切黏度通常要高于未老化的溫拌高黏瀝青，表明運(yùn)輸、攤鋪階段的老化可以提高溫拌高黏瀝青的高溫穩(wěn)定性。無(wú)論是未老化的，還是短期老化后的成品高黏瀝青，EC120溫拌劑對(duì)其60 ℃零剪切黏度的提升幅度均最大，分別達(dá)到了415%和303%，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑次之，提升幅度分別為127%和83%。這主要是由于EC120和Sasobit這兩種溫拌劑都是有機(jī)蠟類溫拌劑，低于熔點(diǎn)時(shí)在瀝青中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，使得瀝青模量增大，不易發(fā)生變形；泡沫溫拌高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度均略小于成品高黏瀝青，表明泡沫溫拌對(duì)高黏瀝青的高溫穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不利影響。實(shí)驗(yàn)室自制的WM溫拌劑可使未老化的成品高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度提高，提高幅度為43%，高溫性能變好，但是短期老化后的成品高黏瀝青卻有一定程度的降低，降低幅度為22%，高溫性能有一定程度的減弱。

圖7 不同瀝青試樣的60 ℃零剪切黏度

通過(guò)比較不同溫拌高黏瀝青未老化和短期老化后的60 ℃零剪切黏度，可以得出EC120溫拌高黏瀝青的高溫性能最好，其次是Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青。對(duì)于泡沫溫拌高黏瀝青和WM溫拌高黏瀝青，未老化前，后者的高溫性能要好于前者；短期老化后，前者的高溫性能要好于后者。

2.3 蠕變勁度和蠕變速率

利用彎曲梁流變儀，對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后的成品高黏瀝青和4種溫拌高黏瀝青在-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃下進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出不同溫拌高黏瀝青在不同試驗(yàn)溫度下的蠕變勁度和蠕變速率的變化曲線，如圖8所示。

由圖8a可知：隨著試驗(yàn)溫度的降低，各瀝青試樣的蠕變勁度都在不斷增大，說(shuō)明瀝青在溫度應(yīng)力的作用下更難以變形，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部積累了更多的剩余應(yīng)力，最終加大了瀝青開裂的可能性。但泡沫溫拌高黏瀝青的蠕變勁度曲線始終低于成品高黏瀝青，表明泡沫溫拌可以改善高黏瀝青的低溫性能，而另外3種溫拌高黏瀝青的低溫性能較成品高黏瀝青差。當(dāng)蠕變勁度不超過(guò)300 MPa時(shí)，瀝青膠結(jié)料的低溫性能方可滿足Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范的規(guī)定。在-6 ℃和-12 ℃這兩個(gè)試驗(yàn)溫度下，各瀝青試樣的蠕變勁度均小于300 MPa，低溫性能仍然滿足要求；當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到-18 ℃時(shí)，EC120溫拌高黏瀝青的蠕變勁度為320 MPa，此時(shí)已不能滿足低溫性能要求，而長(zhǎng)期老化后的成品高黏瀝青及另外3種溫拌高黏瀝青的蠕變勁度值仍然小于300 MPa，可以滿足低溫性能指標(biāo)要求。

由圖8b可見：隨著試驗(yàn)溫度的降低，各瀝青試樣的蠕變速率都在不斷減小，說(shuō)明瀝青在受到溫度應(yīng)力作用時(shí)應(yīng)力松弛性能降低，無(wú)法在短時(shí)間通過(guò)自身的變形釋放內(nèi)部的應(yīng)力，低溫開裂可能性增大。根據(jù)Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范規(guī)定，當(dāng)蠕變速率M>0.3時(shí)，瀝青的低溫性能滿足規(guī)范要求。在-6 ℃時(shí)，摻加EC120和Sasobit+聚乙烯蠟的溫拌高黏瀝青的M>0.3；在-18 ℃時(shí)，摻加WM溫拌劑的高黏瀝青的蠕變速率M<0.3。說(shuō)明摻加了WM溫拌劑的高黏瀝青的低溫性能要優(yōu)于摻加了EC120和Sasobit聚乙烯蠟的高黏瀝青的低溫性能，而泡沫溫拌高黏瀝青的蠕變速率始終大于成品高黏瀝青的蠕變速率，說(shuō)明泡沫溫拌可以一定程度上改善高黏瀝青的低溫性能。

根據(jù)以上分析可知，4種溫拌高黏瀝青的低溫性能排序如下：EC120溫拌

2.4 極限疲勞溫度

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，對(duì)長(zhǎng)期老化后的高黏瀝青和4種溫拌高黏瀝青進(jìn)行10～40 ℃的溫度掃描試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)如下：溫度，10～40 ℃，間隔3 ℃測(cè)一次；頻率，10 rad/s；幾何參數(shù)，8 mm直徑，2 mm間隙；控制應(yīng)變，1% 以內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到不同溫拌高黏瀝青疲勞因子隨試驗(yàn)溫度變化的趨勢(shì)圖，如圖9所示。

圖9 不同溫拌高黏瀝青的疲勞因子隨試驗(yàn)溫度變化的趨勢(shì)圖

Superpave瀝青技術(shù)規(guī)范中選用疲勞因子G*·sinδ參數(shù)的主要目的，是為了限制路面在循環(huán)往復(fù)的交通荷載作用過(guò)程中消耗掉的總能量，以減少疲勞開裂[19]。因此，同等溫度條件下，疲勞因子G*·sinδ越小，瀝青試樣的抗疲勞性能越好[20]。由圖9可以發(fā)現(xiàn)：泡沫溫拌高黏瀝青在10～40 ℃的疲勞因子均普遍小于成品高黏瀝青和其他溫拌高黏瀝青的疲勞，表現(xiàn)出相當(dāng)好的抗疲勞性能，說(shuō)明泡沫溫拌技術(shù)的使用有助于提升成品高黏瀝青的抗疲勞開裂能力。EC120溫拌高黏瀝青和WM溫拌高黏瀝青的疲勞因子G*·sinδ均大于成品高黏瀝青因子，說(shuō)明抗疲勞性能有所降低。在10～22 ℃可以觀察到EC120溫拌高黏瀝青的疲勞因子要略小于WM溫拌高黏瀝青；在22～40 ℃，兩者的疲勞因子相差不大，說(shuō)明其抗疲勞性能相近，但EC120溫拌高黏瀝青在相對(duì)低的溫度環(huán)境下的抗疲勞性能表現(xiàn)要好于WM溫拌高黏瀝青。Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的疲勞因子明顯大于其他瀝青試樣，說(shuō)明Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青是這些瀝青試樣中抗疲勞性能最差的，Sasobit+聚乙烯蠟的加入會(huì)明顯降低成品高黏瀝青的抗疲勞性能。

為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)各溫拌高黏瀝青的抗疲勞性能，建立疲勞因子-溫度的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系圖[21]，如圖10所示。

圖10 不同溫拌高黏瀝青的疲勞因子-溫度的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)關(guān)系圖

從圖10中可以發(fā)現(xiàn)：在疲勞因子-溫度的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，這兩者線性相關(guān)性很強(qiáng)，因此分別對(duì)不同溫拌高黏瀝青的疲勞因子-溫度進(jìn)行線性擬合，然后將G*sinδ=5 MPa代入求出極限疲勞溫度，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 疲勞因子與溫度關(guān)系的線性擬合結(jié)果

根據(jù)表2可知：成品高黏瀝青摻入Sasobit+聚乙烯蠟復(fù)合溫拌劑后極限疲勞溫度上升最多，因?yàn)闃O限疲勞溫度越低，抗疲勞性能越好，說(shuō)明Sasobit+聚乙烯蠟復(fù)合溫拌劑對(duì)成品高黏瀝青的抗疲勞性能影響最不利；EC120溫拌劑和WM溫拌劑對(duì)成品高黏瀝青抗疲勞性能也有一定程度地削弱；相反，泡沫溫拌可以改善成品高黏瀝青的抗疲勞性能，有效減少疲勞開裂的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1)在4種溫拌高黏瀝青中，EC120溫拌劑對(duì)成品高黏瀝青的高溫性能改善程度最大，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑次之；泡沫溫拌高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度略微降低，WM溫拌劑可以小幅提高成品高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度，高溫等級(jí)沒(méi)有變化，高溫性能得到一定程度的提升。

(2)WM溫拌高黏瀝青的低溫性能優(yōu)于EC120溫拌高黏瀝青和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青，而泡沫溫拌可一定程度改善高黏瀝青的低溫性能。4種溫拌高黏瀝青的低溫性能優(yōu)劣排序?yàn)椋篍C120溫拌

(3)Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的抗疲勞性能最差，EC120溫拌劑和WM溫拌劑對(duì)成品高黏瀝青抗疲勞性能也有一定程度地削弱，而泡沫溫拌可以改善成品高黏瀝青的抗疲勞性能。