溫拌型抗車轍劑改性瀝青流變性能

王 威

(山西省交通科技研發(fā)有限公司， 太原 030002)

車轍作為瀝青路面的典型病害之一，是瀝青混凝土在外部環(huán)境作用耦合反復行車荷載作用下的結(jié)果，其在瀝青路面早期破壞形式中占比較大[1]. 車轍的出現(xiàn)不僅影響行車安全性、舒適性，還會誘發(fā)其他病害從而縮短瀝青路面的服役壽命[2-3]. 車轍問題的本質(zhì)是瀝青路面在高溫環(huán)境下的抗剪切能力不足[4]. 如何提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，從而有效防治車轍問題的出現(xiàn)一直是道路研究領域的熱點和難點之一. 國內(nèi)外研究人員嘗試通過以下方案防治車轍病害：1)優(yōu)化設計級配，提升集料品質(zhì)，加強施工管控. 2)采用低標號瀝青、高黏瀝青以及改性瀝青. 3)添加纖維、抗車轍劑等添加劑[5]. 許多學者的研究表明抗車轍劑能夠有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能[6]. 工程實踐結(jié)果亦證實使用抗車轍劑的路段具有更優(yōu)異的抗車轍能力.

傳統(tǒng)抗車轍劑是一種由聚烯烴樹脂等聚合物組成的添加劑，其在應用過程中可通過對瀝青改性、集料包裹和嵌擠填充、纖維加筋及提高變形恢復等協(xié)同作用來顯著提升瀝青混凝土抵抗高溫變形的能力[7]. 抗車轍劑技術在歐洲得以廣泛應用并逐漸在我國興起，近年來廣大研究者對抗車轍劑產(chǎn)品的研發(fā)與升級方興未艾.

原油中天然存在的蠟組分被認為是對瀝青性能不利的成分，我國規(guī)范中也對瀝青中的蠟含量進行限制. 然而經(jīng)改性處理后的有機蠟非但不會損害瀝青的既有表現(xiàn)，還可對瀝青膠結(jié)料的技術性能進行針對性改善. 如高溫蠟可在不增加瀝青體系脆性的同時使瀝青軟化點提高10 ℃以上，低溫增黏、高溫降黏的特性使高溫蠟在有助于提高瀝青混凝土動穩(wěn)定度的同時亦可實現(xiàn)施工過程的節(jié)能減排. 如此特質(zhì)的高溫蠟能否用于溫拌型抗車轍劑產(chǎn)品的研發(fā)尚無相關研究報道.

為此本研究將高溫蠟與以聚烯烴樹脂為主體成分的抗車轍劑按不同質(zhì)量比例混合，通過螺桿擠出成型設備制備出系列溫拌型抗車轍劑，將其以不同比例加入基質(zhì)瀝青中實現(xiàn)抗車轍劑改性瀝青的制備，并對改性瀝青的流變性能進行深入研究. 本研究成果在啟發(fā)抗車轍劑類產(chǎn)品研發(fā)思路的同時亦有助于抗車轍劑改性瀝青流變性能評價指標的選擇.

1 試驗材料與方法

1.1 溫拌型抗車轍劑改性瀝青

1.1.1 溫拌型抗車轍劑制備

所用抗車轍劑來源為主體成分為聚烯烴類聚合物的國內(nèi)某品牌抗車轍劑，所用高溫蠟源自國內(nèi)某新材料有限公司，高溫蠟主要技術指標見表1.

表1 高溫蠟技術指標Table 1 Technical indicators of high temperature wax

溫拌型抗車轍劑制備工藝為：將高溫蠟與抗車轍劑分別按照1∶9、2∶8、3∶7的質(zhì)量比進入高混機混合均勻，而后投入雙螺桿擠出機進行混合成型，流程示意見圖1. 上述3種溫拌型抗車轍劑分別記為W-1、W-2和W-3，不含高溫蠟組分的純抗車轍劑記為W-0.

圖1 溫拌型抗車轍劑制備流程Fig.1 Process of warm-mixed anti-rutting agent

1.1.2 改性瀝青制備

首先將基質(zhì)石油瀝青加熱為流動狀態(tài)，將上述4種抗車轍劑分別按照3%、6%和9%基質(zhì)瀝青質(zhì)量的比例加入，在150～160 ℃下手動攪拌60 min，最終得到12種抗車轍劑改性瀝青.

1.2 動態(tài)剪切流變(dynamic shear rheometer,DSR)試驗

動態(tài)剪切流變測試中，這種周期性的應力或應變震蕩模式，剛好反映瀝青路面在車輛荷載作用下流變性能的變化. 測試所用儀器為美國TA公司生產(chǎn)的DHR-1動態(tài)剪切流變儀.

1.2.1 溫度掃描測試

溫度掃描起始溫度為40 ℃，每升高6 ℃獲取相應結(jié)果，荷載作用頻率為10.0 rad/s.

1.2.2 頻率掃描測試

瀝青路面在行車荷載作用下主要表現(xiàn)為動態(tài)加載效應. 不同荷載頻率作用下，瀝青膠結(jié)料會呈現(xiàn)出不同的黏彈特性. 頻率掃描的測試溫度選為60 ℃，荷載作用頻率范圍0.1～100.0 rad/s.

1.2.3 多應力蠕變恢復(multiple stress creep recovery,MSCR)測試

MSCR采用應力控制模式，包括加載和卸載2個過程，分別模擬瀝青膠結(jié)料在應力作用下的蠕變和恢復. 加載過程產(chǎn)生的變形會在卸載階段得以部分恢復，不可恢復的變形則會累積到下一個加載循環(huán). 整個MSCR的測試過程可以很好地模擬不同行車荷載的反復加載與卸載過程，能夠較準確地反映瀝青路面的高溫性能.

測試時先對瀝青膠結(jié)料施加0.1 kPa應力水平，而后加載1 s，卸載9 s，重復10個周期，繼續(xù)施加3.2 kPa應力水平，重復上述加載、卸載過程，整個操作耗時200 s. 分別將0.1、3.2 kPa應力下，10個蠕變恢復周期內(nèi)瀝青膠結(jié)料的蠕變恢復率記為R0.1和R3.2,同時10個周期內(nèi)不可恢復蠕變?nèi)崃科骄涤洖镴nr0.1和Jnr3.2. 瀝青膠結(jié)料的蠕變恢復率和不可恢復蠕變?nèi)崃康膽γ舾行灾笜朔謩e記為Rdiff和Jnr-diff，計算方法為

2 結(jié)果與討論

2.1 溫拌型抗車轍劑

熔體質(zhì)量流動速率(melt mass-flow rate,MFR)是抗車轍劑的一項重要技術指標，是指瀝青混凝土抗車轍劑在一定溫度和壓力下，熔體在10 min內(nèi)通過標準毛細管的質(zhì)量，單位為g/(10 min)[8]. MFR是一定溫度下抗車轍劑參與瀝青混合料拌和過程中熔融軟化和分散狀態(tài)的反應. MFR越大，表明抗車轍劑在拌和過程中的融化、分散性就越好. 試驗所用抗車轍劑中樹脂類有效成分含量高，其在130 ℃下的MFR結(jié)果就達7 g/(10 min)以上，顯示抗車轍劑相對易于與瀝青相容，由此使得本研究中僅攪拌操作即可實現(xiàn)抗車轍劑改性瀝青的制備. 為探索高溫蠟對抗車轍劑熔體流動性能的影響，試驗中對所研4種抗車轍劑進行熔體質(zhì)量流動速率測試.

圖2為2種溫度下溫拌型抗車轍劑中高溫蠟質(zhì)量分數(shù)與MFR間的關系. 整體上抗車轍劑在2種溫度下的MFR結(jié)果與其內(nèi)高溫蠟質(zhì)量分數(shù)具有線性相關性. 130 ℃時，MFR會隨抗車轍劑中高溫蠟質(zhì)量分數(shù)的升高而降低；150 ℃時，MFR會隨抗車轍劑中高溫蠟質(zhì)量分數(shù)的升高而增大. 由于試驗所用高溫蠟不同于以往常規(guī)熔點較低的蠟類材料，特殊改性工藝處理后使高溫蠟具有140 ℃以上的熔點，由此使得高溫蠟在2種溫度下對抗車轍劑MFR結(jié)果的影響不一致. 130 ℃時高溫蠟尚未融化，固體形式的存在狀態(tài)使其具有降低抗車轍劑流動性的效果；150 ℃時高溫蠟已處于熔融狀態(tài)，此階段高溫蠟的分散程度會強于聚烯烴樹脂，由此使得在高于高溫蠟熔點的溫度時，高溫蠟的存在會增強抗車轍劑在瀝青混合料中的流動性及其與瀝青體系的相容性. 鑒于此，研究所制溫拌型抗車轍劑既可以傳統(tǒng)外摻混合料的方式使用，亦可內(nèi)摻瀝青以改性瀝青的方式進行施工應用.

圖2 不同溫度下抗車轍劑高溫蠟質(zhì)量含量與MFR關系Fig.2 Relationship between high temperature wax mass content and MFR of anti-rutting agent under different temperatures

2.2 抗車轍劑改性瀝青溫度掃描

對于瀝青類膠結(jié)料的抗車轍性能，美國戰(zhàn)略公路研究計劃推薦采用荷載頻率為10.0 rad/s時所對應的車轍因子G*/sinδ來評價瀝青材料抵抗高溫變形的能力. 復合剪切模量G*為剪切應力的峰值絕對值與剪切應變的峰值絕對值之比，相位角δ為控制應變模式下施加的正弦應變和產(chǎn)生的正弦應力之間或在控制應力模式下施加的應力與產(chǎn)生的應變之間的夾角. 后續(xù)研究逐漸認為，車轍因子對改性瀝青高溫性能的評價存在局限性[9]. Shenoy[10]基于DSR分離出不可恢復柔量(1-1/(tanδ·sinδ))/G*作為評價指標. 美國聯(lián)邦公路管理局提出采用MSCR來評價瀝青膠結(jié)料的高溫性能[11].

事實上，瀝青作為典型的黏彈性材料，不同改性材料的作用機理大相徑庭，單一的評價指標很難適用于不同瀝青體系性能的評價，但某類改性瀝青應該有其適宜的評價體系. 為此研究中對12種抗車轍劑改性瀝青進行不同流變測試與分析，在解析高溫蠟組分對抗車轍劑熔體流動性影響的同時，探索出抗車轍劑改性瀝青體系適宜的流變學評價指標.

表2中數(shù)據(jù)顯示，4種類型抗車轍劑改性瀝青的車轍因子，均隨抗車轍劑摻量的增加而不斷增大，由此說明4種抗車轍劑均有助于提高瀝青膠結(jié)料抵抗車轍變形的能力. 表2中僅70 ℃下3%摻量的W-0型抗車轍劑改性瀝青的車轍因子不滿足≥1 kPa的要求，說明4種抗車轍劑，尤其是溫拌型抗車轍劑對瀝青車轍因子的提升極為顯著.

表2 抗車轍劑改性瀝青車轍因子Table 2 Rutting factors of anti-rutting agent modified asphalts

整體上，相同抗車轍劑摻量下，溫拌型抗車轍劑改性瀝青的車轍因子會隨抗車轍劑中高溫蠟比例的增多而增大，且W-2型和W-3型，尤其是W-3型抗車轍劑改性瀝青的車轍因子，均顯著高于相同條件下的其他抗車轍劑改性瀝青，說明溫拌型抗車轍劑中高溫蠟的加入有利于進一步提升其高溫性能，且高溫蠟比例越高提升程度越好.

Shenoy不可恢復柔量是對車轍因子的一種修正，可以在某種程度上彌補車轍因子中sinδ對瀝青彈性響應考慮的不足[12]. 由表3數(shù)據(jù)可見，試驗中任一類型抗車轍劑改性瀝青的Shenoy不可恢復柔量，均隨抗車轍劑摻量增多而呈下降趨勢，證實抗車轍劑的使用確實能提高改性瀝青體系的高溫性能. 相同條件下，W-3型抗車轍劑改性瀝青的Shenoy不可恢復柔量，低于其他3種類型抗車轍劑改性瀝青，證實W-3型抗車轍劑對瀝青膠結(jié)料高溫性能的改善最佳.

表3 抗車轍劑改性瀝青Shenoy不可恢復柔量Table 3 Non-recoverable compliance of anti-rutting agent modified asphalts

試驗范圍內(nèi)，絕大多數(shù)改性瀝青的Shenoy不可恢復柔量，會隨抗車轍劑中高溫蠟比例的增多而呈下降趨勢，少數(shù)改性瀝青會出現(xiàn)先升后降或先降后升的波動. 與此同時，對于同種類型抗車轍劑改性瀝青而言，絕大多數(shù)抗車轍劑改性瀝青的Shenoy不可恢復柔量，會隨溫度的升高而增大. 但W-3型抗車轍劑改性瀝青在6%和9%摻量下，會出現(xiàn)70 ℃ Shenoy不可恢復柔量小于64 ℃的反?，F(xiàn)象. Shenoy不可恢復柔量，在對于抗車轍劑改性瀝青高溫性能評判的規(guī)律性和穩(wěn)定性上，弱于車轍因子.

2.3 抗車轍劑改性瀝青頻率掃描

瀝青路面在行車荷載的作用下通常表現(xiàn)為動態(tài)加載效應，不同荷載作用頻率下瀝青黏彈特性不同. 圖3～5分別為3%、6%和9%抗車轍劑摻量下，4種類型抗車轍劑改性瀝青的車轍因子和Shenoy不可恢復柔量隨頻率的變化. 圖中可見，不同改性瀝青的車轍因子數(shù)值差距，以及Shenoy不可恢復柔量間的差距，均有隨頻率增加而縮小的表現(xiàn). 低頻意味著單次荷載作用下，瀝青與外加荷載的接觸時間更長，由此使得瀝青膠結(jié)料更易發(fā)生形變. 低頻下的瀝青材料模量較高頻作用時低，低頻下不同改性瀝青的車轍因子、Shenoy不可恢復柔量的數(shù)值及差距，也更適合反映瀝青膠結(jié)料抵抗變形能力的強弱.

圖3 3%摻量下4種類型抗車轍劑改性瀝青車轍因子和Shenoy不可恢復柔量Fig.3 Rutting factors and Shenoy non-recoverable compliances of four kinds of anti-rutting agents modified asphalts with 3% content

圖4 6%摻量下4種類型抗車轍劑改性瀝青車轍因子和Shenoy不可恢復柔量Fig.4 Rutting factors and Shenoy non-recoverable compliances of four kinds of anti-rutting agents modified asphalts with 6% content

圖5 9%摻量下4種類型抗車轍劑改性瀝青車轍因子和Shenoy不可恢復柔量Fig.5 Rutting factors and Shenoy non-recoverable compliances of four kinds of anti-rutting agents modified asphalts with 9% content

3種摻量下，4種類型抗車轍劑改性瀝青車轍因子從大到小的排序為：W-3、W-2、W-1、W-0. 其中3%和6%摻量下，W-3型抗車轍劑改性瀝青的車轍因子，遠高于其他3種類型抗車轍劑改性瀝青. 9%摻量下，W-2型抗車轍劑改性瀝青的車轍因子顯著增加，并逐漸向W-3型抗車轍劑改性瀝青靠攏. 說明抗車轍劑中高溫蠟的加入，有利于提高60 ℃下改性瀝青材料抵抗荷載變形的能力，且高溫蠟比例越高，這種提升程度愈明顯，且摻量會影響這種提升程度的展現(xiàn).

試驗范圍內(nèi)，不同抗車轍劑改性瀝青的Shenoy不可恢復柔量結(jié)果，并無車轍因子般規(guī)律. 尤其是6%摻量下的低頻區(qū)域，出現(xiàn)W-0型抗車轍劑改性瀝青的Shenoy不可恢復柔量，低于W-1和W-2型抗車轍劑改性瀝青的反常結(jié)果. 說明Shenoy不可恢復柔量，能否作為抗車轍劑改性瀝青抵抗變形能力的評價指標是有待商榷的.

總體上，無論是車轍因子還是Shenoy不可恢復柔量，都能較好地對試驗范圍的抗車轍劑改性瀝青的高溫性能進行趨勢評判，但對于評判結(jié)果的規(guī)律性把控方面，車轍因子評判穩(wěn)定性優(yōu)于Shenoy不可恢復柔量.

2.4 抗車轍劑改性瀝青MSCR

目前，MSCR試驗被廣泛用來進行瀝青膠結(jié)料抵抗永久變形能力的評價[13]. 有研究顯示，MSCR中不可恢復蠕變?nèi)崃吭u價指標Jnr，與加速加載足尺試驗得到的瀝青混合料車轍深度，相關性系數(shù)高達0.80以上；試驗段跟蹤結(jié)果亦顯示，Jnr與車轍深度的相關系數(shù)達0.75[14-16].

如圖6所示，對于任一類型抗車轍劑，均有抗車轍劑改性瀝青的Jnr3.2隨抗車轍劑摻量增加而減小的結(jié)果. 說明4種抗車轍劑的使用，均有利于降低瀝青膠結(jié)料在荷載作用下的不可恢復變形，從而提高瀝青膠結(jié)料的彈性變形能力，這對增強瀝青材料抵抗高溫變形能力極為有利. 相同摻量下，W-3型抗車轍劑改性瀝青的Jnr3.2低于其他3種類型抗車轍劑改性瀝青. 3%和6%摻量下，W-0、W-1和W-2型抗車轍劑改性瀝青的Jnr3.2較為相近；9%摻量下，W-0和W-1型抗車轍劑改性瀝青Jnr3.2較為相近，而W-2和W-3型抗車轍劑改性瀝青較為相近. 這與溫度掃描中，車轍因子隨抗車轍劑摻量的變化相似.Jnr3.2結(jié)果說明，任意摻量下，W-3型抗車轍劑改性瀝青，抵抗永久變形的能力相對最優(yōu). 在相對低摻量(3%和6%)下，高溫蠟質(zhì)量分數(shù)為20%以下的抗車轍劑，對抵抗永久變形的影響差異不十分顯著；較高摻量(9%)下，高溫蠟質(zhì)量分數(shù)對抗車轍劑提高改性瀝青抵抗永久變形能力的影響逐漸彰顯.

圖6 不同抗車轍劑改性瀝青在3.2 kPa應力水平下不可恢復蠕變?nèi)崃縁ig.6 Jnr3.2 of different anti-rutting agents modified asphalts

如圖7所示，無論對于何種抗車轍劑，3.2 kPa應力水平下，改性瀝青的蠕變恢復率R，均隨抗車轍劑摻量增多呈現(xiàn)升高趨勢. 證實抗車轍劑的加入，增強了瀝青膠結(jié)料的彈性行為特性，使得膠結(jié)料體系的變形恢復能力得以改善. 任意摻量下，W-3型抗車轍劑改性瀝青的R最大. 說明4種抗車轍劑中，W-3型抗車轍劑對瀝青彈性變形能力的提升最為顯著.

圖7 不同抗車轍劑改性瀝青在3.2 kPa應力水平下恢復率Fig.7 R3.2 of different anti-rutting agents modified asphalts

與Jnr3.2結(jié)果相似，3%和6%摻量下，W-0、W-1和W-2型抗車轍劑改性瀝青的恢復率較為相近，顯著低于W-3改性瀝青的恢復率. 9%摻量下，W-0和W-1型抗車轍劑改性瀝青的R值較為接近，而W-2型抗車轍劑改性瀝青的恢復率顯著提升，并靠近W-3型抗車轍劑改性瀝青. 由此說明，低摻量下，抗車轍劑中高溫蠟組分的含量，對瀝青膠結(jié)料彈性變形恢復能力的提升差異不顯著. 而摻量增多時，抗車轍劑中高溫蠟組分的含量，對瀝青膠結(jié)料彈性變形恢復能力的影響程度會愈發(fā)顯著. 3%和6%摻量下，抗車轍劑改性瀝青的R值，隨抗車轍劑中高溫蠟質(zhì)量分數(shù)的變化無明顯規(guī)律. 對于抗車轍劑改性瀝青高溫性能的評判可靠性上Jnr3.2優(yōu)于R3.2.

應力敏感性指標Rdiff和Jnr-diff，是瀝青膠結(jié)料的力學響應對不同應力水平的敏感性反應，其本質(zhì)是瀝青的非線性特征.Rdiff和Jnr-diff數(shù)值大小表明，材料由低應力水平過渡到高應力水平時的非線性特性的顯著程度，即瀝青膠結(jié)料的應力敏感性. 數(shù)值越大，則非線性特征的顯著程度越高，應力敏感性越強. 圖8結(jié)果顯示，Rdiff和Jnr-diff均未與抗車轍劑類型或摻量的改變呈規(guī)律性變化. 試驗范圍內(nèi)，抗車轍劑改性瀝青的Rdiff均高于常規(guī)基質(zhì)或改性瀝青，說明抗車轍劑改性瀝青的蠕變恢復率應力敏感性較傳統(tǒng)瀝青突出，其非線性黏彈性亦更為顯著.

圖8 不同抗車轍劑改性瀝青Rdiff和Jnr-diffFig.8 Rdiff and Jnr-diff of different anti-rutting agents modified asphalts

AASHTO規(guī)范中，對改性瀝青Jnr-diff的要求為不超過75%. 試驗范圍內(nèi)，僅3%摻量下的W-0和W-2型抗車轍劑改性瀝青的Jnr-diff滿足≤75%的要求，其余10種改性瀝青的Jnr-diff均大于75%，且尤以W-3型改性瀝青的超過程度最為顯著. 由此說明，絕大多數(shù)情況下，抗車轍劑的使用會使瀝青膠結(jié)料的應力敏感性增強，使得抗車轍劑改性瀝青可能處于蠕變破壞階段，不利于膠結(jié)料提升抵抗永久變形能力. 該結(jié)果說明，Jnr-diff和Jnr3.2對抗車轍劑改性瀝青抵抗永久變形能力的判斷可能相佐，由此佐證有研究者認為的，評價指標應視具體改性劑而定，而非適用于所有改性瀝青[17].

3 結(jié)論

1) 高溫蠟含量會對溫拌型抗車轍劑的MFR指標產(chǎn)生顯著影響. MFR測試溫度低于高溫蠟熔點時，MFR隨抗車轍劑中高溫蠟含量增加而下降；高于熔點時，MFR隨抗車轍劑中高溫蠟含量增加而升高.

2) 整體上，溫拌型抗車轍劑中高溫蠟的加入，有利于進一步增強抗車轍劑改性瀝青的高溫性能，高溫蠟含量越高，對改性瀝青高溫性能的提升越好. 與此同時，改性瀝青中抗車轍劑的摻量，會影響高溫蠟含量對抗車轍劑改性瀝青抵抗永久變形能力的提升程度.

3) 綜合比較不同流變評價參數(shù)，對于以高彈性特征為主體的抗車轍劑改性瀝青，DSR中的車轍因子和MSCR中的Jnr3.2，可能更適合作為此類改性瀝青高溫性能的評價指標.