基于水基發(fā)泡的泡沫瀝青膠結(jié)料性能研究

趙錫娟，張業(yè)茂

（1.南京工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.南京工程學(xué)院建筑學(xué)院）

1 引言

瀝青是一種有機(jī)膠凝材料，主要用于生產(chǎn)防水材料和鋪筑瀝青路面等。在公路建設(shè)領(lǐng)域，采用溫拌瀝青路面技術(shù)，可降低瀝青混合料施工溫度，減少溫室氣體及有害氣體排放，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，對我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。瀝青路面溫拌技術(shù)分為機(jī)械發(fā)泡類與添加劑類。機(jī)械發(fā)泡類溫拌技術(shù)具備高效節(jié)能、綠色環(huán)保、縮短施工周期、增加混合料生產(chǎn)和易性、降低混合料老化程度、保證路面壓實度等特點，同時，不需要添加劑，僅需瀝青量2%的水，具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。目前美國溫拌技術(shù)中80%采用泡沫溫拌瀝青技術(shù)，取得了一定的研究成果，而我國對于環(huán)保型泡沫溫拌瀝青技術(shù)研究與應(yīng)用在最近幾年才開始逐步推進(jìn)[1-5]。

當(dāng)前有關(guān)泡沫瀝青的研究主要集中于對瀝青發(fā)泡效果的評價，即對發(fā)泡過程中體積膨脹規(guī)律及氣泡和水分消散規(guī)律的研究，關(guān)于瀝青發(fā)泡后泡沫瀝青材料的性能評價研究十分有限。Guo N S等[6-8]利用X射線微斷層攝影技術(shù)研究不同PG 瀝青膠結(jié)料在氣泡消散過程中的規(guī)律。王冠等[9-13]通過比較橡膠瀝青發(fā)泡前后不同溫度下的儲存模量G'和損失模量G''，評價泡沫橡膠瀝青的溫度敏感性。由于瀝青發(fā)泡后氣泡的存在，使得一些傳統(tǒng)的評價試驗方法，如針入度、軟化點試驗測試得到的結(jié)果變異性較大，并不適用于評價基于水基發(fā)泡的泡沫瀝青材料的高低溫性能和黏溫性能。因此，選取合適的試驗方法對泡沫瀝青的各項性能進(jìn)行合理的評價是本文的研究重點，可為今后泡沫瀝青更為廣泛的推廣應(yīng)用提供參考。

2 材料與試驗方法

本文采用的原樣瀝青為江蘇省某公司的SBS 改性瀝青，采用德國某公司生產(chǎn)的WLB10S瀝青發(fā)泡試驗機(jī)對SBS改性瀝青進(jìn)行發(fā)泡，通過膨脹率和半衰期兩個指標(biāo)的測定[14]，確定SBS改性瀝青最佳發(fā)泡溫度為165℃，用水量為3%。本次主要對泡沫瀝青的各項性能進(jìn)行測試，并與原樣瀝青性能進(jìn)行比較分析，試驗方案見表1。

表1 試驗方案

2.1 黏度-溫度特性

本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）T 0625對瀝青發(fā)泡前后的黏度進(jìn)行測試，試驗條件見表2。從試驗開始每間隔5s記錄試驗測得的黏度，直至4200s[15]。

表2 旋轉(zhuǎn)黏度試驗條件

2.2 高溫性能

國內(nèi)外研究表明[1，2，11]，即便是SHRP PG 分級體系，其改性瀝青的高溫評價指標(biāo)與現(xiàn)場抗車轍性能相關(guān)性亦較差。多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗（MSCR）的加載方式不同于SHRP車轍因子的正弦加載，而是施加蠕變應(yīng)力后撤去應(yīng)力作用，彈性變形得以恢復(fù)，不可恢復(fù)的變形則會累積到下一個循環(huán)荷載。路面所受的車輛荷載就是重復(fù)的加載和卸載過程，在重復(fù)加載和卸載過程中，路面形成了累積的永久變形。與現(xiàn)行的膠結(jié)料試驗方法相比，多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗?zāi)軌蚋鼫?zhǔn)確地表征混合料抵抗永久變形的能力。

對泡沫瀝青和原樣瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化，對老化后的殘留物進(jìn)行試樣成型，選用25mm的硅膠試驗板，在64℃的試驗溫度下，采用動態(tài)剪切流變儀在兩個水平應(yīng)力（0.1kPa 和3.2kPa）下進(jìn)行試驗。試驗中每個循環(huán)的蠕變加載時間為1s，緊接著進(jìn)行9s 的卸載恢復(fù)階段，每個應(yīng)力水平進(jìn)行10個蠕變-恢復(fù)循環(huán)。

試驗中每個循環(huán)的蠕變加載時間為1s，接著零荷載恢復(fù)9s。緊接著進(jìn)行下一個加載-恢復(fù)循環(huán)。在每次循環(huán)結(jié)束后，都可以得到殘余應(yīng)變ε10和可恢復(fù)應(yīng)變εr。由此可以計算得到蠕變?nèi)崃亢突謴?fù)率。

2.3 低溫性能

分別按照J(rèn)TG E20—2011 中T 0610 和T 0630 對泡沫瀝青和原樣瀝青進(jìn)行壓力老化試驗，得到的殘留物進(jìn)行瀝青彎曲蠕變勁度試驗。根據(jù)美國的《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder》（AASHTO M320-05）和《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder》（ASTM D6373-21）可知，彎曲蠕變勁度S和m值根據(jù)加載60s的數(shù)據(jù)得到。

3 結(jié)果與討論

3.1 黏溫特性

圖1 為泡沫瀝青和原樣瀝青在不同溫度下的黏度隨時間變化的曲線，可以看出原樣瀝青的黏度在最初幾秒鐘內(nèi)迅速增加，隨后隨測試時間的增加而逐漸減少最終趨于穩(wěn)定。

圖1 泡沫瀝青和原樣瀝青在不同溫度下的黏度隨時間變化曲線

在0～500s區(qū)間時，曲線變化幅度較大，這是由于氣泡破裂使得黏度在測試初期不穩(wěn)定，這也表明在瀝青發(fā)泡初期，旋轉(zhuǎn)黏度這一試驗方法并不適用于泡沫瀝青。

在0～4200s 區(qū)間時，隨著轉(zhuǎn)子的持續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子和試驗筒之間的水分和氣泡逐漸消散，泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度-時間曲線逐漸平穩(wěn)，氣泡消散后發(fā)泡對于瀝青的黏度-溫度特性并沒有明顯的影響，即泡沫瀝青的黏度和原樣瀝青基本相同。

在4200s 時，原樣瀝青和泡沫瀝青的黏度均已穩(wěn)定，可以認(rèn)為此時盛樣筒和轉(zhuǎn)子之間的氣泡已經(jīng)基本消散，沒有氣泡破裂的現(xiàn)象。泡沫瀝青和原樣瀝青在4200s 時的黏度見表3，結(jié)果表明泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度隨測試溫度的增加而降低，流動性增加。同等溫度條件下，泡沫瀝青的黏度相對原樣瀝青略有降低，其可能原因是泡沫瀝青中存在極其微小的氣泡，起到潤滑的作用，施工和易性相對增加。

表3 泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度

3.2 高溫性能

從圖2可看出，在蠕變應(yīng)力為0.1kPa的蠕變和恢復(fù)循環(huán)內(nèi)，泡沫瀝青和原樣瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和恢復(fù)率R 均呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，這表明在0.1kPa 的蠕變應(yīng)力作用下，9s 的恢復(fù)時間對于泡沫瀝青和原樣瀝青是足夠的；在蠕變應(yīng)力為3.2kPa的蠕變和恢復(fù)循環(huán)內(nèi)，泡沫瀝青和原樣瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr隨著循環(huán)次數(shù)增多呈下降趨勢，恢復(fù)率R呈現(xiàn)增加趨勢，這表明在卸載9s 的恢復(fù)時間內(nèi)，彈性恢復(fù)沒有全部完成。在今后的試驗中，建議增加每個循環(huán)的恢復(fù)時間以使試樣的應(yīng)變恢復(fù)完成。

圖2 泡沫瀝青和原樣瀝青的蠕變?nèi)崃亢突謴?fù)率隨循環(huán)次數(shù)變化曲線（P為蠕變應(yīng)力）

泡沫瀝青和原樣瀝青的蠕變?nèi)崃?循環(huán)次數(shù)曲線和恢復(fù)率-循環(huán)次數(shù)曲線在0.1kPa和3.2kPa沒有重合，這表明無論是泡沫瀝青還是原樣瀝青都呈現(xiàn)出應(yīng)力敏感性。10 個蠕變-恢復(fù)循環(huán)內(nèi)的恢復(fù)率R0.1、R3.2和蠕變?nèi)崃縅nr0.1、Jnr3.2平均值的計算結(jié)果見表4。計算在兩個應(yīng)力水平條件0.1kPa 和3.2kPa 下的平均差值變化率Rdiff和Jnrdiff。對于泡沫瀝青，其Rdiff和Jnrdiff分別是19.60%和59.91%；對于原樣瀝青，其Rdiff和Jnrdiff分別是16.86%和86.53%。這也證明了泡沫瀝青和原樣瀝青均呈現(xiàn)較高的應(yīng)力敏感性。該試驗中，最重要的兩個指標(biāo)恢復(fù)率R3.2和蠕變?nèi)崃縅nr3.2均滿足美國的《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder Using Multiple Stress Creep Recovery（MSCR）Test》（AASHTO MP19-10）中，當(dāng)交通量等級（ESAL’s）＞3000 萬時，Jnr3.2≤0.5 kPa-1；Jnr3.2在0.50kPa-1～0.251kPa-1時，R≥45%的要求，可見泡沫瀝青和原樣瀝青均可用于當(dāng)量軸載大于3000萬的特重交通。

表4 泡沫瀝青和與原樣瀝青恢復(fù)率與蠕變?nèi)崃?/p>

但由于Jnr增大會降低膠結(jié)料的高溫性能，因此，瀝青發(fā)泡略微不利于膠結(jié)料的高溫特性，主要還是由于泡沫瀝青中存在細(xì)微小水泡降低了瀝青的黏度。

3.3 低溫性能

低溫測試結(jié)果見表5。

表5 泡沫瀝青和原樣瀝青彎曲蠕變勁度和m值

從表5中可以看出，在-12℃的測試溫度下，泡沫瀝青和原樣瀝青的勁度分別為124MPa和116MPa；在-18℃的測試溫度下，泡沫瀝青和原樣瀝青的勁度分別達(dá)到281MPa和259MPa。這是由于隨著溫度的降低，無論是泡沫瀝青還是原樣瀝青都趨于玻璃態(tài)。

此外，在-12℃和-18℃條件下，泡沫瀝青和原樣瀝青的勁度均小于300MPa，滿足道路工程對瀝青抵抗低溫開裂能力的要求。但必須指出的是，相比于原樣瀝青，泡沫瀝青的勁度在-12℃和-18℃條件下均有所增長，勁度的增加不利于瀝青抵抗低溫開裂。

在-12℃測試溫度下，泡沫瀝青和原樣瀝青的m值分別為0.358和0.373；在-18℃條件下，其m值分別減小為0.291 和0.319?？梢钥闯?，瀝青發(fā)泡后m 值減小，降低了泡沫瀝青的低溫性能。

4 結(jié)語

通過對泡沫瀝青和原樣瀝青進(jìn)行性能評價對比分析，得到以下主要結(jié)論：

①通過黏度試驗結(jié)果可得出，泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度隨測試溫度的增加而降低，且在4200s時盛樣筒和轉(zhuǎn)子之間的氣泡已基本消散，氣泡消散后發(fā)泡對于瀝青的黏度-溫度特性并沒有明顯的影響。

②MSCR試驗結(jié)果表明，瀝青發(fā)泡前后均呈現(xiàn)較高的應(yīng)力敏感性。

③BBR 試驗結(jié)果表明，泡沫瀝青在-12℃和-18℃試驗溫度下，其彎曲蠕變勁度S 均增加，而m 值均減小。表明瀝青發(fā)泡后低溫性能略有降低，但勁度均小于300MPa，滿足道路工程對瀝青抵抗低溫開裂能力的要求。