Sasobit摻量對再生半柔性路面路用性能影響研究

葉騰飛， 包惠明

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

0 引言

溫拌瀝青混合料(WMA)起源于歐洲，主要通過添加劑來降低混合料在拌和碾壓時(shí)的黏度，提高瀝青在低溫下壓實(shí)度[1-2]。溫拌瀝青混合料(WMA)較熱拌瀝青混合料(HMA)相比，其拌和碾壓溫度低，減少了有害氣體的排放，節(jié)約了大量能源且降低了有害氣體對施工人員的健康損害，溫拌瀝青路面是一種新型環(huán)保路面，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。廠拌熱再生技術(shù)能較好地恢復(fù)再生瀝青混合料(RAP)的性能，但會使得RAP材料發(fā)生二次老化，若將溫拌瀝青技術(shù)運(yùn)用于路面再生，可較好解決上述問題[4-5]。目前隨著溫拌技術(shù)的發(fā)展，溫拌劑的種類也逐漸增多，按作用機(jī)理可分為3種類型：①有機(jī)降黏型溫拌劑;②發(fā)泡瀝青降黏溫拌劑;③乳化分散瀝青降粘溫拌劑，Sasobit(沙索)是有機(jī)溫拌劑，大量試驗(yàn)結(jié)果表明：在普通瀝青混合料中，Sasobit與瀝青能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瀝青中的—OH和C—H反應(yīng)生成了芳香族C—O鍵，因此改變了瀝青的結(jié)構(gòu)和組分，顯著提升了瀝青混合料的高溫性能[6]。

半柔性路面是在大空隙瀝青混合料(20%～28%)中填充水泥砂漿形成的兼具瀝青路面舒適性和混凝土路面高溫穩(wěn)定性的高性能復(fù)合路面[7]，本工作將研究Sasobit摻量對溫拌再生半柔性路面路用性能影響研究，前期對最佳RAP摻量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：再生半柔性路面的RAP摻量可達(dá)30%，當(dāng)RAP摻量超過30%時(shí)，水穩(wěn)指標(biāo)凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)不滿足規(guī)程要求。因此本工作再生半柔性路面RAP摻量為30%，在此基礎(chǔ)上結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論分析溫拌劑摻量對路用性能的影響。

1 原材料

1.1 RAP

試驗(yàn)用RAP源自安徽省高速公路改造所銑刨回收廢料，經(jīng)晾曬篩分后分為4檔，本試驗(yàn)僅使用10～17 mm檔，經(jīng)抽提離心分離后測定該檔油石比為2.74%；環(huán)球法測定其軟化點(diǎn)為65.7 ℃；針入度為3.27 mm。通過對RAP材料進(jìn)行傅里葉紅外光譜(FTIR)測定發(fā)現(xiàn)：瀝青發(fā)生了老化，其中的芳香分和膠質(zhì)轉(zhuǎn)化了瀝青質(zhì)。

1.2 瀝青

試驗(yàn)瀝青采用中石化有限公司茂名分公司生產(chǎn)的70#石油瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[8]中的有關(guān)試驗(yàn)方法對基本指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，檢測指標(biāo)見表1。

表1 瀝青主要指標(biāo)檢測結(jié)果 Table 1 Test results of main indicators of asphalt類別針入度(25 ℃)100 g,5 s/(0.1 mm)軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃60 ℃動力黏度/(Pa·s)15 ℃ 延度/cm蠟含量(蒸餾法)/%閃點(diǎn)(開口)/℃溶解度(三氯乙烯)/%密度(15 ℃)/(g·cm-3)質(zhì)量指標(biāo)60～80≥46≥180≥100≤2.2≥260≥99.5實(shí)測檢測結(jié)果7948208>1001.9>30099.701.033試驗(yàn)方法T 0604-2011T 0606-2011T 0620-2011T 0605-2011T 0615-2011T 0611-2011T 0607-2011T 0603-2011

1.3 Sasobit

Sasobit(簡稱沙索)由德國Sasol—Wax公司于1997年研發(fā)，在南非生產(chǎn)的一種既能改性又能溫拌的瀝青添加劑，熔點(diǎn)為100 ℃，135 ℃黏度為5.62×10-3(Pa·s)，在溫拌條件下仍能保證優(yōu)良的壓實(shí)度，優(yōu)化施工條件，改善施工的和易性，采用濕法添加溫拌劑制備溫拌瀝青。

2 基于RAP半柔性路面級配設(shè)計(jì)

2.1 基體瀝青混合料級配設(shè)計(jì)

半柔性路面級配設(shè)計(jì)國內(nèi)外尚未確定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，國外主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而各地組成材料有較大差異，難以保證施工質(zhì)量的穩(wěn)定[9]，張肖寧[10]等基于材料體積特性，提出了瀝青混合料組成設(shè)計(jì)的CAVF法，CAVF法主要強(qiáng)調(diào)粗集料的擠嵌作用，而半柔性材料屬于骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，本次使用CAVF法設(shè)計(jì)本次基體瀝青混合料，設(shè)計(jì)空隙率為21%，RAP摻量為30%，僅摻加9.5～13.2 mm RAP粗集料，基體瀝青混合料級配見表2。

表2 再生半柔性路面基體瀝青混合料級配Table 2 Gradation of asphalt mixture for recycled semi-flexible pavement matrix 不同篩孔(mm)通過率/%13.29.504.752.361.180.600.300.150.075100.012.312.38.76.75.74.73.52.5

半柔性材料基體瀝青混合料為形成大空隙，以粗集料為主，本次級配設(shè)計(jì)粗集料占比達(dá)90%左右，若采用馬歇爾試驗(yàn)法確定最佳瀝青用量，會導(dǎo)致自由瀝青含量過多，因此國內(nèi)采用謝倫保析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)確定混合料的最大瀝青用量和最小瀝青用量，然后以兩者中值確定最佳瀝青用量。試驗(yàn)測定結(jié)果見圖1，以RAP摻量30%為例，其中η1為肯塔堡飛散損失，η2為謝倫保析漏損失，ω(瀝青)為瀝青用量，ω(RAP)為RAP摻量。

(a)飛散損失

(b) 析漏損失

繪制不同Sasobit摻量的瀝青的析漏損失與飛散損失曲線圖，曲線拐點(diǎn)處即為試驗(yàn)所確定的最大或最小瀝青用量，試驗(yàn)測定結(jié)果如下：最大瀝青用量為2.96%，最小瀝青用量為2.68%，最終確定30%RAP的最佳瀝青用量為2.82%。

2.2 砂漿級配設(shè)計(jì)

砂漿的級配對半柔性路面性能有著重要的影響，砂漿使得半柔性路面有較大的剛度，使其高溫性能和水穩(wěn)性能較普通瀝青路面有較大幅度的提升，砂漿應(yīng)具備較大的流動度同時(shí)兼具較高的強(qiáng)度[11]。我國的交通運(yùn)輸部發(fā)布了《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》[12]作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基本指標(biāo)要求如下：抗折強(qiáng)度≥2.0 MPa，抗壓強(qiáng)度≥15 MPa，7 d養(yǎng)生；初始流動度10～14 s；凝結(jié)時(shí)間≥120 min。

按規(guī)程推薦的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，砂漿組成材料簡單環(huán)保：水泥為廣西桂林產(chǎn)PC42.5硅酸鹽水泥；礦粉、粉煤灰為河南鞏義某凈水材料公司產(chǎn)，采用廈門艾斯歐公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂。具體配合比如下：水膠比0.5、礦粉摻量10%、粉煤灰摻量25%、砂摻量26.7%；按配合比測試結(jié)果如下：流動度11.5 s，抗壓強(qiáng)度18.6 MPa，抗折強(qiáng)度3.7 MPa，凝結(jié)時(shí)間176 min，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 溫拌再生半柔性路面路用性能

溫拌劑采用濕拌工藝，將瀝青加熱到135 ℃左右，按瀝青質(zhì)量比例添加溫拌劑，使用高速剪切機(jī)攪拌均勻，制備溫拌瀝青。相關(guān)研究表明砂漿在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d可達(dá)28 d強(qiáng)度的80%左右，半柔性路面砂漿養(yǎng)護(hù)7 d可實(shí)現(xiàn)快速通車要求，本次試驗(yàn)砂漿均只養(yǎng)護(hù) 7 d，溫拌再生半柔性路面性能如下。

a.水穩(wěn)定性能評價(jià)。通過前期研究發(fā)現(xiàn)，浸水馬歇爾試驗(yàn)評價(jià)半柔性路面水穩(wěn)性能存在一定局限性，主要表現(xiàn)為殘留穩(wěn)定度超過100%，因此建議使用凍融劈裂試驗(yàn)測定半柔性路面的水穩(wěn)性能，按規(guī)范成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件灌漿養(yǎng)護(hù)7 d，試驗(yàn)測定凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)見圖2。

圖2 不同溫拌劑摻量水穩(wěn)性能指標(biāo)Figure 2 Water stability index of different warm mixing amount

由圖2可知：在《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTG D50-2017)中，要求年降雨量≥500 mm地區(qū)，改性瀝青混合料的TSR≥80%，在未摻加Sasobit溫拌劑時(shí)，TSR僅為73.6%，不滿足規(guī)程要求；在摻加溫拌劑后，TSR與溫拌劑摻量呈正相關(guān)，均滿足規(guī)范要求；溫拌與熱拌瀝青混合料相比，熱拌時(shí)優(yōu)于未摻加溫拌劑時(shí)TSR，摻加溫拌劑后溫拌水穩(wěn)性能優(yōu)于熱拌，表明Sasobit 溫拌劑能有效改善半柔性路面水穩(wěn)性能。

b.高溫穩(wěn)定性評價(jià)。高溫穩(wěn)定性能一般采用車轍試驗(yàn)來評價(jià)，按規(guī)范成型標(biāo)準(zhǔn)車轍試件，車轍試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，儀器控溫60 ℃，輪壓0.7 MPa，使用試驗(yàn)測定的動穩(wěn)定度(DS)和車轍位移綜合評價(jià)半柔性路面高溫穩(wěn)定性能，試驗(yàn)測定結(jié)果見圖3。

圖3 不同溫拌劑摻量高溫性能指標(biāo) Figure 3 High temperature stability index of different warm mixing agent content

由圖3可知：從動穩(wěn)定度來看，在摻加Sasobit溫拌劑后，溫拌再生半柔性路面的DS指標(biāo)顯著上升，且與溫拌劑摻量呈成正相關(guān)，當(dāng)溫拌劑摻量超過3%時(shí)，溫拌時(shí)DS指標(biāo)超過熱拌時(shí)的DS，當(dāng)試驗(yàn)溫度低于Sasobit溫拌劑熔點(diǎn)時(shí)，Sasobit會在瀝青中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，從何提升了路面的高溫穩(wěn)定性能。而從不同摻量位移分析，溫拌比熱拌顯著增大了車轍位移深度，溫拌試驗(yàn)中車轍位移深度與摻量呈負(fù)相關(guān)，摻量在4%時(shí)位 移最小，此時(shí)也比熱拌時(shí)位移增大了30.7%，Sasobit溫拌劑能提升DS但增大了車轍位移。

c.低溫抗裂性評。半柔性路面低溫抗裂性能沒有統(tǒng)一的評價(jià)方法，瀝青混合料的抗裂性能主要評價(jià)方法有低溫小梁彎曲試驗(yàn)、低溫彎曲蠕變，以及低溫劈裂試驗(yàn)，在切割小梁試件時(shí)發(fā)現(xiàn)試件密閉空隙呈任意分布，個(gè)體差異較大，因此本次選用低溫劈裂試驗(yàn)測定半柔性路面的低溫抗裂性能。測定結(jié)果見圖4。

圖4 不同溫拌劑摻量的低溫抗裂性能指標(biāo)Figure 4 Low-temperature anti-cracking performance index of different warm mixing agent content

由圖4可知：參考規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2017)中選用應(yīng)變作為低溫抗裂性能的評價(jià)指標(biāo)，本次選用低溫劈裂的破壞拉伸應(yīng)變作為衡量其低溫性能指標(biāo)。在試驗(yàn)溫拌劑摻量范圍內(nèi)，添加溫拌劑使得半柔性路面低溫抗裂性能有所提升，破壞拉伸應(yīng)變隨溫拌劑摻量的增加呈現(xiàn)先增大后降低趨勢，在3%摻量性能最優(yōu)，綜合高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)性能，建議最優(yōu)溫拌劑摻量為3%。

3 Sasobit溫拌劑摻量與路用性能灰色關(guān)聯(lián)度分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度理論

灰色關(guān)聯(lián)分析模型以鄧聚龍教授提出的鄧氏灰色關(guān)聯(lián)模型為主要代表之一，其使用點(diǎn)距離來測定系統(tǒng)間因素關(guān)系強(qiáng)弱[13-15]。

鄧氏灰色關(guān)聯(lián)分析主要有以下5個(gè)步驟：

a.確定參考序列和比較序列。

本次灰色關(guān)聯(lián)分析以Sasobit溫拌劑的摻量為參考序列，以DS、車轍深度、TSR和破壞拉伸應(yīng)變作為比較序列。假定參考序列為X0，比較序列為Xi，其表達(dá)式：

X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)…X0(m)}

(1)

X1，X2，X3，X4…Xi;

Xi={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)…Xi(m)}

(i=1，2，3 …m)

(2)

b.對試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)無量綱處理。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理方法有多種，主要方法有極值劃處理、極差化處理和均值化處理等，本工作選用均值化處理方法。

(3)

(i=1，2，3 …m)

(4)

c.參考序列為X0與比較序列為Xi的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)計(jì)算式如下：

(5)

式中:k=1，2，3 …m，ρ為分辨系數(shù)，取值范圍為0～1，通常取0.5。

d.關(guān)聯(lián)度求解表達(dá)式如下:

(6)

e.分析關(guān)聯(lián)度強(qiáng)弱：xi與x0的γi值越大，表明發(fā)展趨勢相接近。

3.2 RAP摻量與路用性能灰色關(guān)聯(lián)度分析

按鄧氏灰色關(guān)聯(lián)分析模型，求解Sasobit溫拌劑的摻量與DS、車轍深度、TSR和破壞拉伸應(yīng)變的灰色關(guān)聯(lián)度見表3。

表3 不同溫拌劑摻量的路用性能指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度Table 3 Gray correlation degree of road performance indexes of different warm mixing agent content項(xiàng)目不同溫拌劑摻量的關(guān)聯(lián)系數(shù)0%2%3%4%關(guān)聯(lián)度DS/(次·mm-1)0.410 0.926 0.701 0.477 0.628車轍深度/mm0.352 0.829 0.621 0.410 0.553TSR/%0.401 0.852 0.678 0.456 0.597破壞拉伸應(yīng)變0.383 0.858 0.705 0.424 0.593

以DS、TSR和破壞拉伸應(yīng)變作為高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)性能，以及低溫抗裂性能的評價(jià)指標(biāo)，通過鄧氏灰色關(guān)聯(lián)分析Sasobit溫拌劑對路用性能影響強(qiáng)弱程度排序?yàn)椋焊邷胤€(wěn)定性能>水穩(wěn)性能>低溫抗裂性能，本次研究將溫拌再生技術(shù)首次運(yùn)用于再生半柔性路面，再生半柔性路面的相關(guān)路用性能仍表現(xiàn)良好，為高RAP摻量溫拌再生路面應(yīng)用開辟了新的方向，一種新型高溫抗車轍溫拌再生路面——溫拌再生半柔性路面應(yīng)運(yùn)而生。

4 結(jié)論

基于CAVF法和規(guī)程設(shè)計(jì)再生半柔性路面的級配和高性能砂漿級配，分析了Sasobit溫拌劑摻量對路用性能的影響，并通過灰色關(guān)聯(lián)分析得出結(jié)論如下：

a.在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，Sasobit溫拌劑能夠提升高溫抗車轍性能和抗水毀性能，且與摻量呈正相關(guān)。

b.Sasobit溫拌劑能夠提升溫拌半柔性路面低溫抗裂性能，在3%摻量性能最優(yōu)，摻量超過3%后，低溫抗裂性能下降，綜合分析各指標(biāo)，建議最佳溫拌劑摻量為3%。

c.Sasobit溫拌劑對路用性能影響強(qiáng)弱程度排序?yàn)椋焊邷胤€(wěn)定性能>水穩(wěn)性能>低溫抗裂性能。