基于布氏黏度與MSCR的溫拌改性瀝青性能評價

謝振文,莊寶利,虢曙安

(1.湖南省建工交通建設有限公司,湖南 長沙 410014;2.湖南省交通科學研究院有限公司,湖南 長沙 410015)

0 引言

公路瀝青路面建設中熱拌瀝青混合料是傳統(tǒng)工程生產中應用較多的一種混合料，但隨著節(jié)能環(huán)保的需求，如何提升瀝青路面建設中的能源消耗、減少污染物和廢棄物的排放是現(xiàn)階段公路建設的熱點。目前，相較于熱拌瀝青混合料高溫生產和施工的工作環(huán)境，溫拌改性瀝青逐漸成為另一種選擇并廣泛應用于瀝青路面建設中[1-4]。溫拌瀝青技術原理為通過在瀝青中添加溫拌改性劑進而降低瀝青的黏度，從而達到在較低溫度下進行拌和、碾壓成型瀝青混合料的一種技術方法[5-7]。一般而言，采用溫拌改性技術可比同條件下的熱拌瀝青混合料施工溫度降低約15 ℃～30 ℃，同時也能較好地保證瀝青混合料的路用性能不受影響[4]。龍云霄[8]等采用對阻燃改性劑進行表面改性進而制備得到新型復合溫拌劑，最后通過路用性能試驗和微觀性能試驗分析了新制備的表面活性溫拌劑的使用效果。宋云連[9]采用表面活性溫拌劑對不同瀝青的高溫和低溫性能進行了分析。鄭新[10]等對泡沫型溫拌瀝青的黏溫特性和拌制的混合料的疲勞性能進行了研究。溫彥凱[11]等采用泡沫改性的方式制備溫拌瀝青并添加礦粉得到瀝青膠漿，最終分析了泡沫溫拌瀝青膠漿的流變性能。從現(xiàn)有研究可以看出，部分研究單獨對表面活性或泡沫型溫拌改性瀝青的性能進行分析，尚未綜合比較2種類型溫拌劑的實際效果。因此，本文通過選取3種溫拌劑類型，并在不同摻量下研究溫拌改性瀝青的實際應用效果，以布氏旋轉黏度評價其高溫黏度性能，以多重應力蠕變恢復試驗評價其高溫性能，并最終優(yōu)選溫拌劑和確定最佳摻量，通過本研究為實際溫拌改性瀝青混合料的制備提供技術指導，同時這對于溫拌劑的應用研究也同樣具有推進作用。

1 試驗材料和制備過程

1.1 瀝青

本次選用的SBS改性瀝青為I-D型，SBS改性瀝青的各項基本指標按照我國瀝青路面施工技術規(guī)范的要求進行測試。如表1所示，針入度、軟化點和延度指標均滿足規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of SBS modified asphalt類別針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)延度(10 ℃,5 cm/min)/cm軟化點/℃檢測結果55.239.081.1規(guī)范要求40～60≥20≥60

1.2 溫拌劑

為了選擇最佳的溫拌劑，本次研究了市面3種典型的溫拌劑：Evothem溫拌劑、LKW溫拌劑和TEGO溫拌劑，代號分別為A、B、C。其中A、B為表面活性類型的溫拌劑，C為泡沫型溫拌劑，3種改性劑的基本物理性質如表2所示。根據(jù)產品使用說明，3種不同的溫拌劑，均有各自最佳摻量范圍。為了研究3種溫拌劑在其最佳摻量范圍內對瀝青性能的提升效果，進而確定各溫拌劑在對瀝青性能提升時的最佳摻量，每種溫拌劑根據(jù)其使用說明在最佳摻量范圍內設定了3個對比摻量，如表3所示，其中摻量為0的試驗組為對照組。需要說明的是，本研究所采用的改性劑摻量比例為改性劑與瀝青的質量之比。

表2 溫拌劑基本物理性質Table 2 Basic physical properties of warm mix agent改性劑類型外觀形態(tài)密度/(g·cm-3)黏度/(mPa·s)A白色液態(tài)1.00100～300B黃色液態(tài)0.9150～250C黃色液態(tài)0.8720～40

表3 溫拌改性劑摻量比例方案Table 3 Proportion scheme of warm mixing modifier改性劑種類改性劑摻量/%A00.10.20.3B00.20.40.6C00.30.50.7

1.3 溫拌改性瀝青的制備過程

本文采用的溫拌劑為表面活性和泡沫類溫拌劑，此種類型溫拌劑與傳統(tǒng)采用發(fā)泡的形式制備泡沫瀝青有所不同，其制備方法不是采用加熱瀝青再加水的方式進行發(fā)泡生產，而是與制備改性瀝青類似，在瀝青中加入溫拌劑再進行攪拌，待溫拌劑與瀝青混合均勻后即可制備溫拌改性瀝青，本文中采用的3種溫拌劑均是以這樣的方法制備溫拌改性瀝青。制備溫拌改性瀝青需要按照一定的工藝順序，本研究采用如下方法制備溫拌SBS改性瀝青：

a.首先將SBS改性瀝青置于烘箱中加熱，待其軟化成流動態(tài)后，采用金屬罐稱取一定質量的流動態(tài)瀝青，之后將其放置于電熱套中，并在170 ℃下保持溫度恒定。

b.在SBS瀝青加熱完成后，分別按照表3的摻量稱取一定劑量的溫拌劑，并加入到SBS瀝青金屬罐中，在加入改性劑的過程中低速啟動攪拌器，轉速控制在600轉/s左右。

c.在溫拌劑添加完成后按照2 400轉/s的轉速啟動攪拌器，使得溫拌劑均勻混合在SBS瀝青中，選取的攪拌時間為5 min。

2 溫拌改性瀝青的黏溫性能分析

對于溫拌改性瀝青而言，其性能的優(yōu)劣與其高溫黏度密切相關，為了評價各改性劑，以及在不同摻量下的降黏效果，一般采用布氏黏度儀測試不同溫度下的溫拌改性瀝青的黏度值[12-13]。布氏黏度儀的測試原理為通過測試瀝青在轉子作用下產生的力矩大小來評定，瀝青的表觀黏度越大，則轉子在轉動過程中所需的力也就越大，通過轉子傳感器檢測出力的大小并以此計算出瀝青的黏度。本研究進行黏度測試時選定的轉子為21#，設定的測試溫度為115 ℃、135 ℃、155 ℃和175 ℃，根據(jù)溫度和預估瀝青黏度設定相對應的轉速，分別為5、10、15和20轉/min。通過試驗最終得到3種溫拌改性瀝青在不同摻量下的黏度結果如圖1～圖3所示。

圖1 不同溫度下添加溫拌劑A的SBS改性瀝青黏度值Figure 1 Viscosity value of SBS modified asphalt with warm modifier A at different temperatures

圖2 不同溫度下添加溫拌劑B的SBS改性瀝青黏度值Figure 2 Viscosity value of SBS modified asphalt with warm modifier B at different temperatures

圖3 不同溫度下添加溫拌劑C的SBS改性瀝青黏度值Figure 3 Viscosity value of SBS modified asphalt with warm modifier C at different temperatures

由圖1～圖3可知，對于表明活性溫拌劑A和B而言，隨著溫度的增加，各摻量下SBS改性瀝青的黏度下降較為明顯，同時，同一溫度下隨著2種溫拌劑摻量的增加，SBS改性瀝青的黏度值減小，以175 ℃下的數(shù)據(jù)為例，添加0.3%A的SBS改性瀝青與未添加溫拌劑的SBS瀝青相比，黏度值下降近20%，相對應地添加0.4%B的SBS改性瀝青黏度值下降50%，說明2種改性劑具有良好的降黏效果。對于泡沫型溫拌劑C而言，雖然隨著溫度的升高，各摻量下的SBS改性瀝青黏度值也在降低，但隨著摻量的增加，其黏度值降低效果并不明顯，且與未添加溫拌劑的SBS瀝青相比，各溫度下的黏度也比較接近，說明泡沫型溫拌劑不能在SBS瀝青的溫拌降黏過程中發(fā)揮作用。究其原因可能是泡沫型溫拌劑在實際應用中需要加入一定量的水，進而才能在發(fā)泡過程中起到“低溫”降黏的作用。

通過布氏黏度試驗得到了3種溫拌改性SBS瀝青在不同溫拌劑摻量、不同溫度下的黏度值，這為分析溫拌劑性能有了初步的判斷標準，但為了進一步選取最佳的溫拌劑和確定溫拌劑摻量，需要進一步根據(jù)溫拌改性后的SBS瀝青路用性能來確定，下面將進一步通過高溫性能試驗確定最佳溫拌劑類型和最佳摻量。

3 溫拌改性瀝青高溫性能評價

目前國內外評價瀝青材料的高溫性能試驗方法主要有軟化點、PG高溫和MSCR試驗，軟化點試驗屬于主觀經(jīng)驗的試驗方法，美國SHRP計劃提出了采用PG分級的方法評價瀝青材料的基本性能，對于高溫性能，PG試驗中有針對高溫性能進行分級的試驗方法，雖然該方法具有一定的力學基礎，但其評價指標中的車轍因子仍然不能準確描述改性瀝青的高溫力學性能。基于PG試驗的不足，D’Angelo等提出了多重應力蠕變恢復試驗測試瀝青的高溫性能，簡稱MSCR[14-16]。MSCR試驗采用的試驗設備為動態(tài)剪切流變儀，通過DSR轉子在0.1 kPa和3.2 kPa下加載10個周期，并以10個周期的平均恢復百分比R，以及不可恢復的蠕變柔量Jnr進行評價，該方法廣泛用于瀝青的高溫性能評價，以及力學性能分析。本次采用MSCR進行分析不同溫拌改性瀝青的高溫性能，試驗采用4個典型溫度：58 ℃、64 ℃、70 ℃和76 ℃，最終得到的試驗結果如表4～表7所示。

表4 各方案溫拌改性SBS改性瀝青R值結果(0.1 kPa)Table 4 R results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme (0.1 kPa)溫拌劑方案不同溫度(℃)下的R值58647076098.195.290.281.30.1%A98.996.191.582.20.2%A99.196.492.383.80.3%A99.296.692.784.10.2%B98.895.991.381.90.4%B98.996.191.982.30.6%B99.296.492.282.60.3%C98.395.490.381.50.5%C98.494.989.780.90.7%C98.494.490.080.1

表5 各方案溫拌改性SBS改性瀝青R值結果(3.2 kPa)Table 5 R results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme(3.2 kPa)溫拌劑方案不同溫度(℃)下的R值58647076094.590.086.374.90.1%A96.190.987.281.10.2%A96.691.287.882.10.3%A96.991.588.182.50.2%B95.590.387.180.10.4%B95.891.087.480.40.6%B96.391.387.680.60.3%C94.990.186.176.70.5%C95.190.486.676.50.7%C95.290.486.776.9

從表4和表5的試驗結果可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的逐漸提升，無論哪種溫拌劑，以及各摻量下的R均有減小的趨勢，主要由于溫度升高，導致瀝青的彈性性能下降，進而恢復比例減小。對于表面活性改性劑A、B而言，隨著溫拌劑摻量的增加，同一溫度下的R均呈現(xiàn)增加的趨勢，相較于為添加溫拌劑的SBS瀝青，R下降明顯，說明溫拌劑A、B的加入對提升SBS的恢復能力有較好的效果，同時，與溫拌劑B改性的SBS瀝青相比，溫拌劑A

表6 各方案溫拌改性SBS改性瀝青Jnr值結果(0.1 kPa)Table 6 Jnr results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme(0.1 kPa)溫拌劑方案不同溫度(℃)下的Jnr值5864707600.0350.1410.2930.4420.1%A0.0180.1150.2210.3010.2%A0.0130.1010.1960.2450.3%A0.0100.0940.1870.2290.2%B0.0280.1350.2790.3390.4%B0.0230.1320.2680.3010.6%B0.0200.1280.2590.2880.3%C0.0330.1470.2890.4380.5%C0.0300.1420.2870.4310.7%C0.0300.1400.2860.430

表7 各方案溫拌改性SBS改性瀝青Jnr值結果(3.2 kPa)Table 7 Jnr results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme (3.2 kPa)溫拌劑方案不同溫度(℃)下Jnr值5864707600.2110.4800.7931.4110.1%A0.1280.3900.6130.9690.2%A0.0980.3290.5390.8030.3%A0.0890.3050.4910.6980.2%B0.1890.4590.7561.2590.4%B0.1760.4240.7231.1030.6%B0.1480.4010.6911.0960.3%C0.2050.4720.7891.4150.5%C0.2010.4690.7831.4090.7%C0.1960.4650.7691.399

改性的SBS瀝青在0.1 kPa和3.2 kPa下的R均較小，充分說明溫拌劑A更能提升SBS抵抗高溫變形的能力。此外，泡沫型溫拌劑C對于SBS改性瀝青的高溫性能提升并不十分明顯，無論是在0.1 kPa還是3.2 kPa下，各溫度和各摻量下的R相較于未添加溫拌劑的SBS瀝青的R提升并不明顯，反映出溫拌劑C對于提升SBS高溫性能效果較差。

表6和表7為各溫度下不同改性劑摻量下的Jnr結果，從中可以發(fā)現(xiàn)，當溫度升高時，各溫度下的Jnr值隨溫度逐漸增加，其原因在于Jnr反映瀝青在高溫荷載下不可恢復性能，溫度越高，瀝青黏性越大，進而恢復能力減弱。與未添加溫拌劑的SBS瀝青Jnr值相比，隨著溫拌劑摻量的增加，采用溫拌劑A和B改性的SBS瀝青Jnr值減小，說明溫拌劑A和B的加入對于提升瀝青抗高溫荷載的能力有明顯作用，這也與前面R值結果相一致。而添加溫拌劑C的SBS改性瀝青在2個荷載水平和各溫度下的Jnr值與未添加溫拌劑的SBS瀝青Jnr值比較接近，進一步反映溫拌劑C對于提升SBS瀝青的高溫性能效果甚微。由此可以看出，泡沫型溫拌劑在單獨使用時對瀝青的降黏效果，以及高溫性能的提升均不明顯，需要在水條件下才能發(fā)揮作用，而表面活性溫拌劑通過物理活性改性的方式改變了瀝青的結構，進而能達到降低瀝青高溫黏度、提升高溫性能的作用，表面活性溫拌劑的實際應用效果更佳。

此外，需要注意的是，表面活性溫拌劑A相較于B對于降低SBS瀝青的Jnr值效果更明顯，但0.2%摻量的A與0.3%摻量下各指標相差并不十分明顯，說明當溫拌劑A摻量超過0.2%后，對于SBS瀝青的高溫抗變形能力提升空間不大，因此，結合R的結果,以及布氏黏度試驗結果，可以最終確定最佳的溫拌劑為表面活性溫拌劑A，其最佳摻量為0.2%。

4 結論

本文采用3種溫拌劑，并設定3個摻量后制備溫拌SBS改性瀝青，依據(jù)布氏黏度試驗和MSCR試驗評價不同溫拌劑的高溫降黏效果，以及評價其提升瀝青高溫性能的能力。通過試驗研究最終得到以下結論：

a.隨著溫度的提升，添加表面活性溫拌劑Evothem和LKW的SBS改性瀝青黏度值下降明顯，且隨著摻量的增加，降黏效果愈佳。但泡沫型溫拌劑對于SBS瀝青的降黏效果并不十分明顯。

b.通過高溫性能試驗發(fā)現(xiàn)，溫拌劑Evothem和LKW也能明顯提升SBS瀝青的R值，降低Jnr值，且隨著摻量的提升，SBS改性瀝青的高溫性能也會提升，此外，與溫拌劑LKW相比，溫拌劑Evothem對于SBS瀝青的性能提升更加明顯，但溫拌劑TEGO對于SBS瀝青的高溫性能提升效果并不理想。

c.通過布氏黏度試驗和MSCR試驗結果，最終確定溫拌劑Evothem對于SBS瀝青的降黏和高溫性能提升效果最好，其最佳摻量為0.2%。