改性乳化瀝青冷拌碎石封層高溫性能研究

趙軒，倪富健，韓亞進(jìn)

(東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189)*

碎石封層，作為改善路表功能型病害的一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，具有成本低、開放交通時(shí)間短及施工方便等優(yōu)點(diǎn).傳統(tǒng)的碎石封層，采用撒布式施工的方式，瀝青由噴頭噴出，施工時(shí)容易出現(xiàn)噴灑范圍交疊的情況[1]，因此瀝青用量的“條帶狀”增加難以避免，當(dāng)氣溫較高、荷載水平較大時(shí)，極容易導(dǎo)致局部泛油的出現(xiàn).為此，本文研究的冷拌碎石封層采用拌和式的施工工藝，將乳化瀝青、集料、水泥等拌合均勻后攤鋪而成，因此有效改善了瀝青分布的均勻性.

泛油，作為碎石封層的關(guān)鍵病害之一，主要是由于瀝青粘結(jié)料高溫性能不足或?yàn)r青用量過多，當(dāng)夏季氣溫較高時(shí)，在渠化交通的作用下，瀝青變軟、膨脹，導(dǎo)致路表構(gòu)造深度顯著降低，從而引起路面抗滑水平的降低[2].目前，國內(nèi)對(duì)于瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)，主要以針入度及軟化點(diǎn)為主，而這兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)的測試溫度與路面實(shí)際溫度相去甚遠(yuǎn)，且與瀝青實(shí)際的力學(xué)性能無直接聯(lián)系[3].Superpave設(shè)計(jì)法中，采用抗車轍因子(G*/sinθ)評(píng)價(jià)瀝青粘結(jié)料的高溫穩(wěn)定性[4]，研究表明，對(duì)于普通瀝青，抗車轍因子與路面實(shí)際的高溫性能存在較好的相關(guān)性，而該指標(biāo)往往難以區(qū)分改性乳化瀝青的高溫性能，其主要原因是試驗(yàn)過程中的應(yīng)變水平過低，因此改性劑的作用難以充分調(diào)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致改性乳化瀝青的實(shí)際高溫性能被低估[5].

鑒于此，Bahia等提出利用重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(RCRT)代替抗車轍因子，來評(píng)價(jià)改性瀝青[6]；而D′angelo等研究認(rèn)為，重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)加載應(yīng)力水平較低，無法再現(xiàn)改性瀝青的實(shí)際受力狀態(tài)，因此提出了多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)，并以不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr及彈性恢復(fù)率R作為瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[7].研究表明，該指標(biāo)與瀝青混合料的高溫抗車轍性能存在較好的相關(guān)性，具備區(qū)分改性瀝青與普通瀝青的能力，且能夠分析溫度及應(yīng)力水平對(duì)測試結(jié)果的敏感性[8-11].

除瀝青高溫性能評(píng)價(jià)方法以外，目前對(duì)于如碎石封層、微表處、稀漿封層等封層的高溫性能研究，普遍采用負(fù)荷輪試驗(yàn)儀[12-13].常規(guī)的負(fù)荷輪試驗(yàn)在25℃下進(jìn)行，通過施加恒定荷載，模擬車輪在封層表面的作用，碾壓結(jié)束后，通過粘砂量評(píng)價(jià)封層泛油的嚴(yán)重程度.該評(píng)價(jià)方法最大的缺陷在于測試溫度與泛油實(shí)際發(fā)生的溫度不符，且粘砂量并不能準(zhǔn)確反映封層的泛油程度，這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中，需對(duì)試驗(yàn)輪刷油，防止粘輪，因此存在于封層表面的油劑必然會(huì)粘附試驗(yàn)砂，導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差.此外，圖像分析被用來確定碎石封層高溫泛油率[14-15]，通過對(duì)比泛油區(qū)域與未泛油區(qū)域的顏色差異，確定試件泛油的面積及占試件總面積的比值，以此表征碎石封層的高溫穩(wěn)定性.這種方法的機(jī)理，決定了其只適用于存在明顯顏色差異的試件分析，而本文研究的冷拌碎石封層采用拌和式施工方法，因此表面為單一的黑色，且碾壓后無顯著的顏色變化，因此圖像分析對(duì)評(píng)價(jià)冷拌碎石封層高溫性能是不適用的.

鑒于上述缺陷，本文首先研究不同改性劑用量的改性乳化瀝青高溫流變性能，包括不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr及蠕變恢復(fù)率R；通過改進(jìn)負(fù)荷輪試驗(yàn)，研究標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，冷拌碎石封層在60℃碾壓200次及25℃碾壓2 000次情況下的抗泛油性能，并以試驗(yàn)前后的構(gòu)造深度變化率進(jìn)行表征，并分析SBR膠乳用量及瀝青用量對(duì)構(gòu)造深度變化率的影響.

1 材料

1.1 改性劑及乳化瀝青

本文選用試驗(yàn)室自制的乳化瀝青，命名為A乳化瀝青，其基本性能指標(biāo)如下：賽波特粘度(25℃)為64 s；儲(chǔ)存穩(wěn)定度試驗(yàn)(24 h)為0.6%；破乳速度為慢裂快凝；粒子電荷測試為陽離子；蒸發(fā)殘留物為61.6%；蒸發(fā)殘留物的針入度(100g，25℃，5s)為5.1 mm、延度(5℃)為37 cm、軟化點(diǎn)為66℃.鑒于丁苯橡膠(SBR)對(duì)瀝青的高溫性能有較好的改善作用[16]，且與乳化瀝青的相容性較好，因此，本文利用SBR進(jìn)行A乳化瀝青的改性，SBR用量分別為乳化瀝青質(zhì)量比例的3%及6%.

1.2 集料

本文采用的集料為玄武巖集料，其主要的性能指標(biāo)為：表觀密度為2.55 g/cm3；松裝密度為1.54 g/cm3；松裝空隙率為39.8%；含水率為0.5%；含泥量為0.3%.集料的級(jí)配結(jié)果見圖1.

圖1 集料級(jí)配曲線

1.3 水泥

試驗(yàn)選用的水泥為普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)42.5，主要指標(biāo)為：標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.5%；初凝時(shí)間為88 min；終凝時(shí)間為175 min；安定性(沸煮法)為合格.

2 試驗(yàn)方案

2.1 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)

結(jié)合夏季路面實(shí)際溫度情況，MSCR試驗(yàn)分別選擇50、60℃作為測試溫度，研究不同溫度下A、A+3%SBR、A+6%SBR三種乳化瀝青殘留物的高溫流變性能指標(biāo).試驗(yàn)采用直徑25 mm、間距1mm的平板模具，分別在0.1及3.2 kPa兩個(gè)荷載等級(jí)下進(jìn)行測試，每種應(yīng)力水平下進(jìn)行10個(gè)循環(huán)序列的加載，每個(gè)循環(huán)包括1s的加載階段及9s的卸載階段，當(dāng)0.1 kPa應(yīng)力加載結(jié)束后，立即進(jìn)行3.2 kPa應(yīng)力水平下的加載，測試總時(shí)長為200s[17-18].根據(jù)試驗(yàn)過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以分別計(jì)算出不同應(yīng)力水平下的蠕變?nèi)崃縅n)及蠕變恢復(fù)率R，如式(1)、(2)所示.

(1)

(2)

式中，γp為加載過程的峰值應(yīng)變，γnr為加載后的殘留應(yīng)變，γ0為起始應(yīng)變，τ為加載應(yīng)力.

將兩種應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)的蠕變?nèi)崃考叭渥兓謴?fù)率分別表示為Jnr0.1，Jnr3.2，R0.1及R3.2，可以確定不同瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繎?yīng)力敏感性Jnr-diff及蠕變恢復(fù)率的應(yīng)力敏感性Rdiff，如式(3)、(4)所示.

(3)

(4)

2.2 負(fù)荷輪試驗(yàn)試件成型

本文認(rèn)為負(fù)荷輪試驗(yàn)試件，應(yīng)采用瀝青混合料車轍板作為封層的承載層，而非瀝青油毛氈，且測試溫度應(yīng)能夠符合夏季實(shí)際路表溫度，而高溫條件瀝青混合料車轍板在荷載作用下，必然會(huì)隨著封層共同產(chǎn)生變形，因此本文選用水泥車轍板作為冷拌碎石封層的承載層.首先將水泥板平置，并刷粘層油，隨后將集料、水泥、水及乳化瀝青依次拌合均勻，并攤鋪于水泥板上，試件的成型過程如圖2所示.

水泥車轍板

本文試驗(yàn)中，單個(gè)試件集料用量選為420 g，乳化瀝青用量分別為集料用量的12%、14%及16%，水泥用量為4.2 g，水的用量為8.4 g.成型后，應(yīng)將試件置于60℃烘箱中養(yǎng)生24 h.

2.3 負(fù)荷輪試驗(yàn)

按照2.2所述的成型方式進(jìn)行冷拌碎石封層的成型.養(yǎng)生結(jié)束后，待試件冷卻至室溫，利用鋪砂法[19]，確定試件的構(gòu)造深度，隨后將試件置于60℃烘箱中加熱至恒溫.測試前，首先根據(jù)負(fù)荷輪的載重及相應(yīng)載重對(duì)應(yīng)的膠輪接地面積，確定出不同載重對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)，如圖3所示，本文選用0.7MPa作為測試壓強(qiáng).試驗(yàn)時(shí)，將保溫的試件置于負(fù)荷輪下，重復(fù)碾壓200次；隨后將試件再次放入60℃的烘箱中，保溫至恒溫后，再次置于負(fù)荷輪下，位置與初次碾壓輪跡帶相接，重復(fù)碾壓200次.待試件在室溫下再次冷卻后，利用鋪砂法確定碾壓后兩條相鄰輪跡帶的構(gòu)造深度，如圖4所示.同時(shí)測定25℃條件下碾壓2 000次的構(gòu)造深度，并確定常溫碾壓前后構(gòu)造深度的變化率.

圖3 負(fù)荷輪接地面積及接地壓強(qiáng)

圖4 負(fù)荷輪試驗(yàn)后構(gòu)造深度測試

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 MSCR試驗(yàn)

由于MSCR試驗(yàn)包括0.1及3.2 kPa兩種應(yīng)力，且均包含10個(gè)周期的循環(huán)加載，為突出不同瀝青在一個(gè)加載周期內(nèi)蠕變恢復(fù)性能的差異，本文將10個(gè)周期的應(yīng)變值進(jìn)行平均化處理[4]，得到圖5所示的兩種應(yīng)力水平下瀝青在一個(gè)周期內(nèi)的平均蠕變恢復(fù)曲線；根據(jù)加載周期的剪切應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以確定三種乳化瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃考叭渥兓謴?fù)率，如圖6所示.

(a)0.1kPa@50℃

(a)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

由圖5可以看出，60℃對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)變均顯著大于50℃時(shí)的剪切應(yīng)變，且對(duì)于高應(yīng)力水平，如圖5(b)、5(d)所示，60℃瀝青殘留物在卸載階段的恢復(fù)率較小，其中對(duì)于A及A+3%SBR兩種乳化瀝青，基本無彈性恢復(fù)變形，這說明溫度的提高使瀝青材料變軟，在荷載的作用下變形較大，且難以恢復(fù)，這也是高溫天氣容易產(chǎn)生泛油的重要原因之一.兩種測試溫度下，A乳化瀝青殘留物加載后，產(chǎn)生的剪切應(yīng)變最大；隨著SBR膠乳摻量的逐漸增加，最大剪切應(yīng)變呈降低趨勢，尤其是SBR摻量為6%時(shí)，最大剪切應(yīng)變顯著降低，說明SBR膠乳對(duì)于改善瀝青的高溫穩(wěn)定性有重要的作用.

從圖6(a)可以看出，不同乳化瀝青的Jnr隨著SBR摻量的增加逐漸降低，當(dāng)SBR摻量達(dá)到6%時(shí)，各種測試條件下的Jnr均呈現(xiàn)較大幅度的降低，說明了SBR膠乳改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性，且不同溫度的Jnr隨SBR摻量的增加，逐漸靠近，如圖6(a)中0.1 kPa應(yīng)力水平下50℃與60℃的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，說明SBR膠乳摻量的增加降低了瀝青材料的溫度敏感性.

由圖6(b)可以看出，蠕變恢復(fù)率隨SBR摻量的增加逐漸提高，與Jnr的變化規(guī)律相似，當(dāng)SBR摻量達(dá)到6%時(shí)，瀝青殘留物的蠕變恢復(fù)率出現(xiàn)了陡然的增加，說明SBR有助于改善瀝青材料的彈性恢復(fù)性能.因而，SBR膠乳對(duì)于改善瀝青在高溫重載作用下的抗變形能力及彈性恢復(fù)能力有重要作用.

3.2 負(fù)荷輪試驗(yàn)

本試驗(yàn)中乳化瀝青用量分別為集料用量的12%、14%及16%，試驗(yàn)前首先測量不同SBR膠乳用量及乳化瀝青用量對(duì)應(yīng)的試件初始構(gòu)造深度，隨后分別將試件在60℃條件下碾壓200次、在25℃條件下碾壓2 000次，并測量碾壓后輪跡帶處的構(gòu)造深度，構(gòu)造深度變化情況如圖7所示.

3.2.1 SBR膠乳用量的影響

從圖7中可以看出，隨著SBR膠乳摻量的增加，相同乳化瀝青用量的試件初始構(gòu)造深度也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，本文認(rèn)為該情況發(fā)生的原因主要包括三個(gè)方面：一是因?yàn)镾BR膠乳的固含量相對(duì)較大，SBR摻量的增加，必然導(dǎo)致改性乳化瀝青固含量的提高，因此同等乳化瀝青用量條件下，SBR摻量高的乳化瀝青包含更多的瀝青殘留物，即相當(dāng)于提高了乳化瀝青的用量，從而導(dǎo)致初始構(gòu)造深度的降低；另一方面，SBR膠乳經(jīng)剪切作用，均勻地分散在乳化瀝青中，而這種分散作用主要是物理分散，基本無化學(xué)融合作用；改性乳化瀝青在破乳后，SBR膠乳聚集、結(jié)合成一層膜包裹在基質(zhì)瀝青殘留物表面[20]，提高了乳化瀝青的粘度，導(dǎo)致改性乳化瀝青難以完全下滲到集料底部，也在一定程度上降低了構(gòu)造深度.

(a)A乳化瀝青構(gòu)造深度

值得注意的是，雖然試件初始構(gòu)造深度隨SBR膠乳用量的增大而漸小，但無論是25℃還是60℃的測試溫度，碾壓后的試件最終構(gòu)造深度均呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，即最終構(gòu)造深度隨SBR膠乳用量的增大而增大.兩種測試溫度下碾壓后的的構(gòu)造深度變化率隨SBR膠乳用量的增大而減小，如圖8所示，尤其是當(dāng)SBR膠乳用量為6%時(shí)，60℃及25℃碾壓后構(gòu)造深度的變化率均小于30%，而SBR用量為3%及不加SBR的試件構(gòu)造深度變化率約為50%.這種情況主要是因?yàn)橄鄬?duì)于A+6%SBR乳化瀝青，A、A+3%SBR乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性略差，如圖6所示，這種高溫性能上的差距體現(xiàn)為冷拌碎石封層在荷載的重復(fù)作用下，瀝青材料更容易變形，且變形更大，因而流動(dòng)性相對(duì)也較大，導(dǎo)致集料間的間隙被進(jìn)一步填充，因此，試件的構(gòu)造深度在碾壓后降低幅度較大.

圖8 構(gòu)造深度變化率

3.2.2 乳化瀝青用量的影響

由圖7可以看出，隨著乳化瀝青用量的逐漸增加，三種乳化瀝青對(duì)應(yīng)的試件初始構(gòu)造深度近似呈線性降低的趨勢，這主要是因?yàn)闉r青用量的增加，使集料間更多的間隙被填充，即混合料的飽和度逐漸增大，導(dǎo)致表面構(gòu)造深度的降低.60℃碾壓200次與25℃碾壓2 000次后的構(gòu)造深度，近似呈現(xiàn)平行的關(guān)系，且同等條件下兩種構(gòu)造深度在數(shù)值上相差較小.此外，從圖8中可以看出，隨著乳化瀝青用量的提高，25℃及60℃碾壓后的構(gòu)造深度變化率逐漸變大，當(dāng)乳化瀝青用量達(dá)到16%時(shí)，碾壓后的構(gòu)造深度變化率顯著增大，說明當(dāng)乳化瀝青用量由14%增大到16%時(shí)，冷拌碎石封層出現(xiàn)泛油病害的可能性顯著增大.

4 結(jié)論

本文研究了不同SBR膠乳摻量的三種乳化瀝青殘留物高溫流變性能，同時(shí)利用負(fù)荷輪試驗(yàn)，研究了SBR膠乳摻量及乳化瀝青用量對(duì)冷拌碎石封層抗泛油性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)隨著SBR膠乳摻量的提高，乳化瀝青殘留物的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃砍尸F(xiàn)降低趨勢，蠕變恢復(fù)率呈現(xiàn)增大趨勢；當(dāng)SBR膠乳摻量為6%時(shí)，上述變化趨勢顯著增大；SBR膠乳摻量的增加降低了不同溫度間不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃考叭渥兓謴?fù)率的差值，即SBR膠乳降低了乳化瀝青殘留物的溫度敏感性；

(2)冷拌碎石封層試件構(gòu)造深度變化率，隨SBR膠乳摻量的增大逐漸降低，尤其是SBR膠乳摻量為6%時(shí)，構(gòu)造深度變化率小于30%，說明6%摻量的SBR膠乳有助于改善冷拌碎石封層的高溫穩(wěn)定性；

(3)隨著乳化瀝青用量的提高，冷拌碎石封層碾壓后的構(gòu)造深度變化率逐漸增大，當(dāng)用量由14%增大到16%時(shí)，構(gòu)造深度變化率增幅顯著，說明乳化瀝青用量的增加不利于冷拌碎石封層的高溫穩(wěn)定性，建議乳化瀝青用量為14%.