溶劑型冷補(bǔ)瀝青黏度特性研究

劉洪波,唐 垚,田 宇,安 兵,陳 瑤

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

當(dāng)今我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展階段,其中交通運(yùn)輸體系為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展增添了無(wú)限新動(dòng)能,而瀝青混凝土路面廣泛應(yīng)用于國(guó)家公路交通運(yùn)輸體系中。瀝青混凝土路面在使用年限內(nèi)易出現(xiàn)裂縫、松散和坑槽等病害,如果不進(jìn)行及時(shí)的修補(bǔ)養(yǎng)護(hù),病害部位將在車(chē)輛沖擊荷載的持續(xù)作用下繼續(xù)擴(kuò)大,致使路面大面積受損,這對(duì)行車(chē)舒適性和安全性均會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,對(duì)道路坑槽部位進(jìn)行及時(shí)的修補(bǔ)養(yǎng)護(hù)是十分必要的。冷補(bǔ)瀝青混合料不受環(huán)境溫度影響,可在任何天氣和環(huán)境下正常對(duì)路面進(jìn)行修補(bǔ)作業(yè),且施工作業(yè)時(shí)無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)加熱拌和,不會(huì)產(chǎn)生瀝青黑煙和粉塵,可節(jié)約大量不可再生能源,同時(shí)減少水蒸汽等溫室氣體的排放[1]。

冷補(bǔ)瀝青的黏度是一個(gè)重要的性能指標(biāo),它直接影響冷補(bǔ)瀝青的施工性能和使用壽命。目前,國(guó)內(nèi)外在冷補(bǔ)瀝青黏度方面做了較多研究。國(guó)內(nèi)研究主要集中在不同添加劑對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響上。例如,張鳳嬌等通過(guò)添加SBS改性瀝青來(lái)改善冷補(bǔ)瀝青的黏度,并研究了不同添加劑比例下的黏度變化規(guī)律[2]。另外,針對(duì)不同地區(qū)的氣候條件,楊帆等也探討了冷補(bǔ)瀝青黏度的變化規(guī)律,通過(guò)分析不同地區(qū)的氣候變化規(guī)律,提出了一種基于溫度變化的冷補(bǔ)瀝青黏度預(yù)測(cè)模型[3]。

國(guó)外對(duì)于冷補(bǔ)瀝青黏度的研究主要集中在材料的性能測(cè)試上。比如,一些研究通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)等設(shè)備,研究了冷補(bǔ)瀝青黏度與溫度和切變速率等因素的關(guān)系[4]。一些研究還使用納米技術(shù)[5]等新型技術(shù)手段,探究了不同材料對(duì)于冷補(bǔ)瀝青黏度的影響[6]?？偠灾?關(guān)于冷補(bǔ)瀝青黏度的研究主要涉及材料的改性和氣候條件變化等。將新型技術(shù)手段應(yīng)用于該領(lǐng)域的研究中,將會(huì)為冷補(bǔ)瀝青的性能改進(jìn)以及未來(lái)的研究方向提供重要的參考。

黏度是表征冷補(bǔ)瀝青施工和易性的重要指標(biāo),黏度特性研究對(duì)冷補(bǔ)瀝青配合比設(shè)計(jì)具有極其重要的意義。本研究利用溶劑型冷補(bǔ)瀝青的設(shè)計(jì)原理及相關(guān)技術(shù),優(yōu)選0#柴油、航空煤油和科寧冷補(bǔ)添加劑等材料,采用單一變量法分別研究稀釋劑類(lèi)型、試驗(yàn)溫度、恒溫時(shí)長(zhǎng)、稀釋劑摻量和添加劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律,并借助黏度和黏附性等試驗(yàn)完成冷補(bǔ)瀝青配合比的設(shè)計(jì)。

1 冷補(bǔ)瀝青的制備及試驗(yàn)方案

1.1 冷補(bǔ)瀝青的制備

以盤(pán)錦油田90#瀝青為基質(zhì)瀝青,選用0#柴油和航空煤油兩種不同類(lèi)型的溶劑作為稀釋劑,加入科寧冷補(bǔ)添加劑制備溶劑型冷補(bǔ)瀝青。冷補(bǔ)瀝青制備工藝：將瀝青在135 ℃下加熱至融化流動(dòng)狀態(tài),按比例加入稀釋劑,使用高速剪切乳化機(jī)持續(xù)剪切30 min;控制瀝青溫度保持在(100±10) ℃,并按比例外摻科寧添加劑,繼續(xù)剪切30 min,完成冷補(bǔ)瀝青的制備。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格注意試驗(yàn)溫度,過(guò)高的溫度不僅會(huì)導(dǎo)致冷補(bǔ)瀝青提前“老化”,還會(huì)造成大量稀釋劑提前揮發(fā)。

為優(yōu)化瀝青、稀釋劑和冷補(bǔ)添加劑的摻配比例,試配了不同配比的冷補(bǔ)瀝青,測(cè)試其黏度。黏度測(cè)試參照中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T 0625-2011《瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)(布洛克菲爾德黏度計(jì)法)》,采用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司制造的NDJ-1C型布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試試樣的旋轉(zhuǎn)黏度[7]。瀝青和稀釋劑各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 盤(pán)錦油田90#瀝青基本技術(shù)指標(biāo)Table 1 Basic technical index of 90# asphalt in Panjin Oilfield

表2 稀釋劑基本技術(shù)指標(biāo)Table 2 Basic technical index of diluents

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1稀釋劑種類(lèi)及試驗(yàn)溫度對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響試驗(yàn)

分別將0#柴油和航空煤油作為冷補(bǔ)瀝青稀釋劑加入瀝青中,測(cè)試試樣在25、40、60和80 ℃下的黏度。參照J(rèn)TGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制作馬歇爾試件,結(jié)合其初始強(qiáng)度和殘留度測(cè)試結(jié)果,確定本文冷補(bǔ)瀝青應(yīng)該選用的稀釋劑種類(lèi),并分析試驗(yàn)溫度對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律。其中,為排除稀釋劑和添加劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響,試樣稀釋劑和科寧冷補(bǔ)添加劑摻量均為定值,分別為冷補(bǔ)瀝青質(zhì)量的20%和2%。

1.2.2恒溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響試驗(yàn)

在分析不同試驗(yàn)溫度對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究恒溫條件下冷補(bǔ)瀝青的黏度隨恒溫時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律,設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案如圖1所示,測(cè)試柴油摻量為25%,試樣在40和60 ℃恒溫條件下放置1、2、3、4、5及6 h的黏度,研究恒溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律。

圖1 試驗(yàn)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of test protocol

為保證冷補(bǔ)瀝青內(nèi)部稀釋劑正常持續(xù)的揮發(fā),試驗(yàn)過(guò)程中將冷補(bǔ)瀝青均勻平鋪在淺盆當(dāng)中,然后分別置于40和60 ℃的恒溫箱中保存,每隔一個(gè)小時(shí)取一次樣,依照黏度試驗(yàn)方法測(cè)試試樣黏度。試驗(yàn)期間冷補(bǔ)瀝青應(yīng)始終置于恒溫箱中,盡可能減小冷補(bǔ)瀝青的溫度波動(dòng)。

1.2.3稀釋劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響試驗(yàn)

測(cè)試航空煤油摻量分別為15%、20%和25%時(shí),試樣在25 ℃下的黏度,并與柴油摻入量分別為15%、20%和25%時(shí)試樣在25 ℃下的黏度進(jìn)行對(duì)比,研究稀釋劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律[8],并確定應(yīng)該選用的稀釋劑種類(lèi)及其摻量,其中試樣的科寧冷補(bǔ)添加劑摻量均為2%。

1.2.4添加劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響

測(cè)試科寧冷補(bǔ)添加劑摻量分別為1%、2%和3%時(shí),試樣在25、40、60和80 ℃下的黏度,借助其對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的初始強(qiáng)度和黏附性的影響結(jié)果,研究科寧冷補(bǔ)添加劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律,并確定應(yīng)該選用的科寧冷補(bǔ)添加劑的摻量。

2 結(jié)果與分析

2.1 稀釋劑種類(lèi)及試驗(yàn)溫度對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響

研究了稀釋劑種類(lèi)及試驗(yàn)溫度對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,盡管0#柴油和航空煤油均能有效降低冷補(bǔ)瀝青的黏度,但兩者對(duì)冷補(bǔ)瀝青的黏度影響程度有所不同。當(dāng)測(cè)試溫度從25 ℃升至40 ℃時(shí),0#柴油對(duì)于冷補(bǔ)瀝青黏度的影響比航空煤油影響更大,黏度下降更快;溫度繼續(xù)升高,兩種類(lèi)型的冷補(bǔ)瀝青下降速度均有所放緩;在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,以0#柴油為稀釋劑的冷補(bǔ)瀝青的黏度均高于航空煤油,且兩者之間的差距隨溫度的升高不斷減小。

圖2 黏-溫曲線(xiàn)Fig.2 Viscosity temperature curves

在測(cè)定冷補(bǔ)瀝青黏度的基礎(chǔ)上,分別使用兩種類(lèi)型稀釋劑的冷補(bǔ)瀝青制備冷補(bǔ)瀝青混合料,并參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制作馬歇爾試件,測(cè)試其初始強(qiáng)度和殘留率,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,以0#柴油為稀釋劑的冷補(bǔ)瀝青在常溫下黏度過(guò)高,導(dǎo)致施工和易性較差,不利于冷補(bǔ)瀝青混合料的壓實(shí)。而選用航空煤油作為冷補(bǔ)瀝青稀釋劑,可以保證施工和易性,且能小幅改善冷補(bǔ)瀝青混合料的初始強(qiáng)度與黏聚性[9]。

表3 不同稀釋劑試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of different diluents

考慮到冷補(bǔ)瀝青日常施工作業(yè)溫度等因素,從試驗(yàn)溫度對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度影響的角度對(duì)圖2中40～80 ℃的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)冷補(bǔ)瀝青的黏度與溫度存在一定的關(guān)系,可以表達(dá)成如下形式：

ηt=Aoe-kt

(1)

式中：ηt表示冷補(bǔ)瀝青的黏度;Ao表示與冷補(bǔ)瀝青自身性質(zhì)相關(guān)的常數(shù);k為常數(shù),反映溫度對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響。擬合得到的參數(shù)如表4所示。

表4 擬合關(guān)系參數(shù)Table 4 Fitting relationship parameters

由表4可知,公式的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上,公式擬合度高,可以較為準(zhǔn)確地描述冷補(bǔ)瀝青黏度與溫度之間的關(guān)系[10]。同時(shí),溫度對(duì)柴油和航空煤油的黏度影響規(guī)律基本一致,相差不大。

因此,可以通過(guò)黏溫曲線(xiàn)計(jì)算冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)所需的活化能,計(jì)算公式如下：

η=Ae[Ea/RT]

(2)

式中：Ea表示流動(dòng)所需活化能(kJ·mol-1);A為指前因子;T為絕對(duì)溫度(K),T=273.15+t;R表示速率常數(shù),取值為8.314 J·(mol·K)-1。

式(2)可轉(zhuǎn)換為以下形式：

(3)

由表4的數(shù)據(jù)可得到lnη與1/T之間的關(guān)系,結(jié)果如圖3所示。lnη與1/T之間呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2均在0.99以上。由圖3以及公式可以得到冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)所需要的活化能,其為擬合直線(xiàn)的斜率與R值的乘積。因此,冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)所需要的活化能分別為69.458和68.552 kJ·mol-1。故以柴油為稀釋劑的冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)所需的能量壁壘更高。

圖3 lnη與1/T關(guān)系圖Fig.3 Plots of lnη versus 1/T

2.2 恒溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響

研究了恒溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。研究結(jié)果表明,在恒定溫度條件下,隨著恒溫時(shí)長(zhǎng)的增加,冷補(bǔ)瀝青的黏度呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì),且相較于40 ℃,60 ℃恒溫條件下的冷補(bǔ)瀝青黏度增長(zhǎng)速率更快,這主要?dú)w因于溫度越高,稀釋劑的揮發(fā)速度越快。探究恒溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律對(duì)冷補(bǔ)瀝青的長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性具有一定的意義。

圖4 恒溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)冷補(bǔ)液黏度的影響Fig.4 Effect of holding time at constant temperature on the viscosity of cold replenishment solution

2.3 稀釋劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響

研究了稀釋劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。研究結(jié)果表明,隨著稀釋劑摻量的增加,冷補(bǔ)瀝青的黏度急劇下降,以航空煤油為例,當(dāng)稀釋劑摻量為15%時(shí),冷補(bǔ)瀝青的黏度為106.00 Pa·s,當(dāng)航空煤油的摻量增加至20%時(shí),冷補(bǔ)瀝青的黏度迅速下降至29.50 Pa·s。一般來(lái)說(shuō),普通瀝青結(jié)合料黏度為283 Pa·s時(shí),壓實(shí)性能較好。由圖3和圖4可知,選用20%摻量的航空煤油和25%摻量的柴油,冷補(bǔ)瀝青黏度分別為29.5和19.8 Pa·s,拌和時(shí)冷補(bǔ)瀝青混合料均能達(dá)到較好的壓實(shí)性。

圖5 航空煤油摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響Fig.5 Effect of aviation kerosene dosage on the viscosity of cold patch asphalt

圖6 柴油摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響Fig.6 Effect of diesel fuel dosage on the viscosity of cold patch asphalt

此外,當(dāng)稀釋劑摻量過(guò)大時(shí),盡管其具有更好的施工和易性和長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性[11],但冷補(bǔ)瀝青混合料成型時(shí)間將大幅度延長(zhǎng),且混合料黏聚力較差,延長(zhǎng)開(kāi)放交通的時(shí)間。

2.4 添加劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響

研究了不同科寧冷補(bǔ)添加劑摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。研究結(jié)果表明,科寧冷補(bǔ)添加劑的加入提高了冷補(bǔ)瀝青混合料的施工和易性,極大地改善了冷補(bǔ)瀝青與集料之間的黏附性,加速了冷補(bǔ)料初期強(qiáng)度的形成。在滿(mǎn)足混合料初始強(qiáng)度要求的前提下,適當(dāng)增加添加劑摻量,可以獲得更好的黏附性[12]。因此,選擇摻入20%的航空煤油作為稀釋劑,同時(shí)外摻2%的科寧冷補(bǔ)添加劑制備冷補(bǔ)瀝青。

表5 不同添加劑摻量試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of different additive dosing

3 結(jié) 論

(1) 稀釋劑能夠有效降低瀝青膠漿的黏度,且不同類(lèi)型的稀釋劑對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響有所不同。選用航空煤油作為冷補(bǔ)瀝青稀釋劑,可以在保證施工和易性的基礎(chǔ)上,小幅改善冷補(bǔ)瀝青的初始強(qiáng)度與黏附性;

(2) 溫度對(duì)柴油和航空煤油旋轉(zhuǎn)黏度的影響規(guī)律基本一致,即冷補(bǔ)瀝青的黏度隨著溫度的升高而下降。通過(guò)黏溫曲線(xiàn)可知,以柴油為稀釋劑的冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)所需的能量壁壘較高。在恒定溫度條件下,冷補(bǔ)瀝青的黏度隨著恒溫時(shí)長(zhǎng)的增加呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。相較于40 ℃,60 ℃恒溫條件下的冷補(bǔ)瀝青黏度增長(zhǎng)速率更快;

(3) 科寧冷補(bǔ)添加劑有效提高了冷補(bǔ)瀝青混合料的施工和易性,極大地改善了冷補(bǔ)瀝青與集料之間的黏附性,加速了混合料初期強(qiáng)度的形成。