基于溫度自調(diào)節(jié)的溫拌瀝青混合料路用性能與疲勞性能研究

陳 芳, 楊秋菊

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 烏魯木齊 830011)

瀝青路面在服役環(huán)境復(fù)雜的西北地區(qū),常出現(xiàn)各種病害,因高寒、高熱等氣候環(huán)境導(dǎo)致其出現(xiàn)開裂、水損害[1-3]。為提高該地區(qū)瀝青路面的使用壽命,降低其病害出現(xiàn)幾率,一些先進(jìn)的改性劑或修復(fù)劑摻入了瀝青混合料,如聚氨酯、自修復(fù)微膠囊、相變材料等[4-5]。其中,摻入相變材料被認(rèn)為是在溫度變化頻繁地區(qū)緩解路面服役狀況的有效技術(shù)之一,且被廣泛關(guān)注。該材料在高溫環(huán)境下能激發(fā)內(nèi)部的儲(chǔ)能機(jī)制,在低溫環(huán)境中能釋放部分熱量可自適應(yīng)環(huán)境溫度,從而達(dá)到減少極端環(huán)境對路面破壞作用[6]。

在材料制備方面,苗成成[7]利用水性聚氨酯反射涂料制備了具有溫度自調(diào)節(jié)的相變材料,并探究了其協(xié)同降溫功效。此外,將相變材料注入微膠囊,并將其摻入瀝青混合料,是實(shí)現(xiàn)溫度自調(diào)節(jié)的另一有效途徑[8]。研究表明相變材料的摻入并不會(huì)對瀝青的路用性能造成顯著影響。當(dāng)前,相變材料在瀝青路面中的應(yīng)用重點(diǎn)是摻入各種瀝青混合料,并進(jìn)行性能比較和評估。譚海勤[9]研究了PEG2000/硅溶膠相變材料的配比和摻量對瀝青混合料調(diào)溫效果的影響,通過路用性能測試得出最佳摻量為3%;郭伍軍等[10]通過室內(nèi)車轍試驗(yàn),論證了相變材料在降低溫度和改善車轍方面的功效;符適等[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了自調(diào)節(jié)材料摻量對空隙率、穩(wěn)定度及路用性能的影響,并指出可降低密集配路面24 ℃～4 ℃;張瑜[12]通過跟蹤現(xiàn)場試驗(yàn)路,評價(jià)了相變自調(diào)溫材料在冬季和夏季的應(yīng)用效果,并指出該材料可有效降低瀝青混合料對溫度的敏感性;武昊等[13]研究了相變材料對多孔瀝青混合料的路用性能和抗凝冰性能,發(fā)現(xiàn)復(fù)合作用下能提高32.6%的融冰效果;另外,相變材料也被應(yīng)用于瀝青微表處混合料以提高其融冰速率[14]、多孔水泥混凝土提高緩凝效果[15]等。目前,相變材料也被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中,如改善多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的降溫效果[16]。

由此可見,相變材料在改善復(fù)雜氣候環(huán)境下瀝青路面的服役狀態(tài)具有顯著的效果,但隨著我國大力推崇綠色環(huán)保瀝青路面材料,將相變材料與環(huán)保瀝青路面結(jié)合是實(shí)現(xiàn)路面生態(tài)設(shè)計(jì)的重要戰(zhàn)略之一。目前將相變材料應(yīng)用于溫拌瀝青材料中的研究報(bào)道極少,為此,本文開展基于溫度自調(diào)節(jié)的溫拌瀝青混合料設(shè)計(jì)研究,分析不同相變材料摻量下對瀝青混合料溫度調(diào)節(jié)性能、路用性能不同工況下的疲勞性能,并以此推薦適宜的溫度自調(diào)節(jié)溫拌瀝青混合料配合比,以支持復(fù)雜服役環(huán)境地區(qū)的生態(tài)化瀝青路面設(shè)計(jì)。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料及其特性

本研究立足新疆某公路項(xiàng)目,結(jié)合當(dāng)?shù)馗吆?、重交通等服役環(huán)境,選擇90#基質(zhì)瀝青。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)對瀝青的基本特性進(jìn)行測試,結(jié)果如表1所示,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。集料為玄武巖碎石和石灰?guī)r礦粉,其中,碎石的最大粒徑為16.0 mm,密度為2.820 g/cm3～2.910 g/cm3,礦粉表觀密度為2.710 g/cm3。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)對集料的壓碎值、吸水率、含泥量等物理性質(zhì)進(jìn)行測試,結(jié)果均滿足試驗(yàn)要求。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)選擇了AC-13的級配中值,集料的合成級配如圖1所示。

圖1 AC-13級配曲線

表1 90# 石油瀝青基本特性

選用沈陽某科技公司的溫拌劑,密度為0.92 kg/cm3,20 ℃粘度為520 mPa·s,其余各項(xiàng)均滿足試驗(yàn)要求。此外,根據(jù)前期研究和試驗(yàn),確定溫拌劑的摻量為0.6%,攪拌時(shí)間為10 min,并基于等效原理確定溫拌瀝青拌合溫度。選用的相變材料來源于深圳某材料科技公司,是一種長方體顆粒型的調(diào)溫材料,將其直接與集料混合均勻后按照標(biāo)準(zhǔn)流程拌制瀝青混合料,主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示,其中相變形式為固固相變,即在加熱80 ℃后仍為固態(tài)。

表2 相變材料基本特性

1.2 相變-溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術(shù)要求,基于相變特性的溫拌瀝青混合料路用性能的研究,主要設(shè)計(jì)流程包括最佳油石比及溫拌瀝青拌合溫度確定,不同相變材料摻量下的路用性能試驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上,綜合考慮各項(xiàng)性能確定最佳配合比設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.2.1 確定最佳油石比

以基質(zhì)瀝青為基礎(chǔ),參考已有研究設(shè)定最佳基準(zhǔn)油石比為5.0%,以梯度為0.5設(shè)計(jì)候選集,即油石比為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中規(guī)定的馬歇爾試驗(yàn)法,繪制出不同瀝青用量下的毛體積密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率指標(biāo),以此確定最佳油石比,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,油石比為5.0%時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

(a) 毛體積密度

1.2.2 確定溫拌溫度

溫拌瀝青混合料的拌合溫度根據(jù)等效原理確定,即以普通熱拌瀝青混合料體積參數(shù)為基準(zhǔn),通過測試不同拌合溫度下溫拌瀝青的空隙率,繪制出空隙率隨拌合溫度的變化曲線,如圖3所示,以尋找達(dá)到設(shè)計(jì)空隙率的溫度值。圖3結(jié)果表明,該溫拌瀝青混合料的拌合溫度為155 ℃。

圖3 溫拌溫度的確定

1.2.3 路用性能試驗(yàn)

為探究相變材料摻量對瀝青混合料的影響,選擇了0%～0.5%的摻量,即0%,0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,共6組,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求成型試件,分別對上述形成的相變-溫拌瀝青混合料的調(diào)溫性能、低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性進(jìn)行測試。其中,采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,結(jié)合埋入式溫度傳感器監(jiān)測溫度變化情況;采用間接拉伸試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)分析其路用性能。

1.2.4 耐久性能試驗(yàn)

在上述基礎(chǔ)上,除基本路用性能及調(diào)溫性能外,利用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析了凍融和老化作用下混合料的疲勞損傷特性,并通過擬合分析相變-溫拌瀝青混合料長期疲勞性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度調(diào)節(jié)性能

不同相變材料摻量下的調(diào)溫效果如圖4、圖5所示。其中,圖4(a)和圖5(a)表示混合料隨著時(shí)間延長溫度逐漸下降過程中,相變材料對溫度降低的抑制作用(溫度和、溫度差),即升溫效果;圖4(b)和圖5(b)代表相變材料的降溫效果;上述2種情況分別代表了混合料在低溫和高溫條件下服役環(huán)境,相變材料的作用是在低溫條件下可一定程度上抑制溫度的下降或下降速率,或高溫條件下溫度的升高或升高速率。圖4、圖5結(jié)果表明,無論是降溫還是升溫條件下,溫拌瀝青混合料的調(diào)溫效果均隨相變材料摻量增加而顯著提升。以0%摻量試驗(yàn)組為基準(zhǔn),達(dá)到相同環(huán)境溫度時(shí),相變材料能延緩降溫或延緩升溫的時(shí)間約5 min～30 min,且延時(shí)效果與摻量呈顯著正相關(guān)。

(a) 相變材料的升溫效果

(a) 相變材料的升溫效果

由圖4(a)和圖5(a)可知,對于升溫情況,不同摻量下的溫拌瀝青幾乎均在30 min后達(dá)到穩(wěn)定,其中0.1%～0.2%摻量下的升溫效果不顯著,穩(wěn)定后的升溫范圍分別為-0.05 ℃～0.4 ℃、-0.05 ℃～0.8 ℃,而0.3%～0.5%升溫效果則非常顯著,分別為0.2 ℃～1.2 ℃、0.6 ℃～1.95 ℃、0.7 ℃～2.7 ℃,最大升溫效果與摻量呈顯著的正相關(guān)。

而對于降溫效果,由圖4(b)和圖5(b)可知,對達(dá)到同一高溫時(shí)間的延遲與升溫效果的規(guī)律一致。其中,0.1%～0.2%摻量下降維效果分別為-0.35 ℃～1.4 ℃、-0.7 ℃～1.5 ℃,2種摻量下的長期降溫效果差異不顯著,而類似地,0.3%～0.5%摻量下的最大降溫效果分別為-3.45 ℃、-4.17 ℃、-4.9 ℃,長期降溫效果分別為-2 ℃、-3.1 ℃、-3.2 ℃。與升溫效果不同的是,降溫效果在70 min～90 min內(nèi)出現(xiàn)了降溫效果的峰值,且摻量越大,峰值越高,而0.3%～0.5%摻量下的變化率最大。

2.2 路用性能

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

考慮到新疆地區(qū)瀝青路面的服役環(huán)境,除60 ℃的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度外,還設(shè)置了40 ℃的試驗(yàn)環(huán)境,不同相變材料摻量下的動(dòng)穩(wěn)定度如圖6所示。圖6(a)車轍試驗(yàn)結(jié)果表明,不管是何種試驗(yàn)溫度,溫拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著相變材料摻量增加而逐漸降低,表明其高溫穩(wěn)定性越差,最大可降低0.06%～24.2%動(dòng)穩(wěn)定度。

(a) 動(dòng)穩(wěn)定度

與未摻入相變材料的對照組相比,每0.1%的相變材料將造成平均0.70～0.76的高溫穩(wěn)定性損失,且從圖6(b)可知,0.2%～0.3%時(shí)的損失速率變化較其他摻量平緩。而對于不同的試驗(yàn)溫度,60 ℃的動(dòng)穩(wěn)定度低于40 ℃的,隨著相變材料的摻入,其動(dòng)穩(wěn)定度衰減率比40 ℃的低0.45%～1.97%,且0.2%～0.3%摻量下對應(yīng)的衰減速度更平緩,平均降低10.7%～13.1%動(dòng)穩(wěn)定度。這是因?yàn)橄嘧儾牧显诎韬线^程中具有相對較大的顆粒尺寸,分布不均勻是導(dǎo)致其高溫穩(wěn)定性受影響的原因之一,因此隨著摻量的增加,動(dòng)穩(wěn)定度的衰減率逐漸增高。另外,其內(nèi)部含有的不飽和酸將影響瀝青混合料的粘結(jié)性,使得在高溫條件下與集料的粘結(jié)力下降,這從圖6中相同摻量下不同溫度對應(yīng)的衰減率可得到相應(yīng)驗(yàn)證。

2.2.2 低溫抗裂性

通過對不同相變材料摻量下成型的試件進(jìn)行低溫下小梁彎曲試驗(yàn),測試其最大抗彎拉強(qiáng)度,并計(jì)算彎曲勁度模量,結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可知,在相同摻量下,隨著溫度降低,彎曲勁度模量顯著增加,且在低溫條件下增加的效果越顯著。

(a) 彎曲勁度模量

無論是何種測試溫度,隨著相變材料摻量的增加,彎曲勁度模量逐漸增加,表明相變材料將降低低溫抗裂性約0.01%～0.1%。以0 ℃下的試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn),計(jì)算出不同摻量在不同試驗(yàn)溫度下的勁度模量增長率,結(jié)果如圖7(b)所示。在相同的試驗(yàn)溫度下,隨著相變材料的摻加,彎曲勁度模量的增長率先增大后減小,且在0.3%處出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2.2.3 水穩(wěn)定性

分別按照浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)測試了不同相變材料摻量下溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性,結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)可知,隨著摻量的增加,殘留穩(wěn)定度成二次型曲線下降,其中在0.3%摻量下達(dá)到拐點(diǎn)。而劈裂強(qiáng)度比則隨著相變材料摻量增加呈先增加后減小的趨勢,且在0.3%摻量下達(dá)到峰值,此時(shí)抗水損害的效果最高。

(a) 殘留穩(wěn)定度

產(chǎn)生上述差異的主因:殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)是在水浴環(huán)境(60 ℃)下進(jìn)行的,此時(shí)瀝青相對較軟,相變材料的增加易導(dǎo)致這種效果被放大,從而使得殘留穩(wěn)定度持續(xù)下降;劈裂強(qiáng)度是在25 ℃下進(jìn)行,此時(shí)瀝青材料和相變材料并不會(huì)因試驗(yàn)溫度受顯著影響,而隨著摻量的增加,內(nèi)部不均勻性使得其粘結(jié)性變差,從而降低劈裂強(qiáng)度比,即抗水損害性能降低。

2.3 抗疲勞性

對不同摻量下的相變-溫拌瀝青混合料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn),考慮新疆地區(qū)高寒強(qiáng)紫外線的服役環(huán)境,分別進(jìn)行了常規(guī)條件下的疲勞性能測試,以及凍融循環(huán)、老化條件下的疲勞性能測試,試驗(yàn)結(jié)果如圖9和表3所示。相關(guān)結(jié)果分析如下:

(a) 疲勞壽命-凍融

表3 不同摻量下在不同測試環(huán)境中的疲勞性能損失量

1) 總體上,不論在何種條件下開展疲勞測試,結(jié)果均表明,隨著相變材料摻量的增加,疲勞壽命逐漸減小,且存在顯著的正相關(guān),表明在獲得調(diào)溫效果和疲勞壽命之間應(yīng)取得平衡。

2) 盡管不同凍融循環(huán)次數(shù)下的疲勞壽命隨相變材料摻量的變化總體呈下降的趨勢,但存在差異性。隨著凍融次數(shù)增加,疲勞壽命次數(shù)衰減率將增大,且15次凍融條件下的疲勞壽命與相變材料摻量幾乎成顯著的線性相關(guān)。此外,從不同凍融次數(shù)產(chǎn)生的衰減效果可知,摻量在0.2%～0.3%內(nèi)的疲勞壽命衰減率較為平緩,且相較對照組,其疲勞壽命衰減率為24.3%～56.2%、20.3%～60.1%,而0.4%將達(dá)到最大值,為72.0%。

3) 老化作用下產(chǎn)生的疲勞性能衰減率與對照組相似,相較對照組相比,摻量為0.1%下的疲勞壽命下降幅度最小,為7.62%～21.23%,而0.4%時(shí)達(dá)到最大值,為25.36%～39.89%。這表明隨著相變材料摻量的增加,產(chǎn)生的疲勞壽命衰減量呈先減小后增大再減小的趨勢,且在0.2%處達(dá)到峰值。

綜上所述,根據(jù)相變-溫拌瀝青在不同環(huán)境中的溫度調(diào)節(jié)性能及調(diào)解率(推薦摻量為0.2%～0.3%),高溫穩(wěn)定性(推薦摻量為0.2%～0.3%)、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性能(推薦摻量0.3%),以及不同工況下的疲勞性能(推薦摻量為0.1%或0.3%),綜合考慮成本的影響,本文推薦用于溫拌瀝青的相變材料的摻量為0.3%,此時(shí)可綜合考慮上述調(diào)溫性能、路用性能及疲勞性能,從而實(shí)現(xiàn)在新疆高寒、高紫外線等地區(qū)得到應(yīng)用和進(jìn)一步推廣。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn),基于相變材料特性制備了相變-溫拌瀝青混合料,研究了不同相變材料摻量下對瀝青混合料的溫度調(diào)節(jié)性能、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性,以及常規(guī)條件下、凍融條和老化條件下的疲勞性能,并基于此得出了相變材料的最佳推薦用量,主要得出如下結(jié)論:

1) 相變-溫拌瀝青混合料的調(diào)溫效果與相變材料摻量呈顯著的線性相關(guān),0.1%～0.5%摻量下能延緩升溫或降溫時(shí)間5 min～30 min,最大升溫、降溫效果分別為2.7 ℃、4.9 ℃。

2) 相變-溫拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨相變材料摻量增加而降低,0.1%～0.5%的相變材料將造成0.06%～24.2%的高溫穩(wěn)定性損失,且0.2%～0.3%時(shí)的損失速率變化較其他摻量平緩,為10.7%～13.1%。

3) 隨著相變材料的摻加,瀝青混合料彎曲勁度模量逐漸增加,其增長率先增大后減小,尤其不利于低溫條件下維持低溫抗裂性,且在0.3%處出現(xiàn)拐點(diǎn),此時(shí)將降低0.5%的低溫抗裂性。

4) 殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比與相變材料的摻量呈現(xiàn)不同的規(guī)律,表明相變材料的水穩(wěn)定性受試驗(yàn)溫度的影響,其敏感性高,但0.3%摻量時(shí)是2種水穩(wěn)定性演化曲線的拐點(diǎn)或峰值點(diǎn)。

5) 相變-溫拌瀝青混合料的疲勞壽命隨相變材料摻量的增加逐漸減少,在摻量為0.2%時(shí)凍融條件和老化條件下的疲勞性能損失均達(dá)到峰值,綜合考慮各項(xiàng)性能,推薦采用0.3%作為相變材料的最佳摻量。