基于振動(dòng)波能量作用的SBS改性瀝青混合料在極端濕熱環(huán)境下的性能研究

李戰(zhàn)春,李育林,賴 軍,雷雨龍,孟勇軍

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001； 2.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004)

0 引言

瀝青混合料在生產(chǎn)攪拌過程中受到攪拌軸葉片形狀大小、攪拌速率等因素影響造成混合料離析、瀝青與集料黏附效果差等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響瀝青混合料在實(shí)際工程中的運(yùn)輸攤鋪效果和路用性能[1-2]，良好的均勻性和物料黏結(jié)性是確保瀝青混合料具有優(yōu)異性能的重要保障[3-5]。目前改善瀝青混合料性能常用的方法是通過添加改性劑提高混合料強(qiáng)度[6-7]、優(yōu)化級(jí)配提高混合料整體性[8-10]。也有部分學(xué)者通過優(yōu)化攪拌方法改善瀝青混合料性能，例如郝玉飛[11]通過梯次拌和工藝提高了AC-16瀝青混合料質(zhì)量；KOK[12]先將瀝青預(yù)涂在粗集料表面，再將其與剩余物料混合，這種兩相混合方法有效提高了AC混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)。以上研究在一定程度上提高了瀝青混合料的使用性能，但工藝較為復(fù)雜，且尚未深入瀝青與集料攪拌過程中的黏結(jié)狀況。

振動(dòng)攪拌是一種強(qiáng)化混合料攪拌過程的有效方法，其通過強(qiáng)化混合料宏觀運(yùn)動(dòng)從而可增強(qiáng)物料混合程度，并改善混合料結(jié)構(gòu)形成過程，顯著提高混合料生產(chǎn)攪拌質(zhì)量和效率[13-14]。許多學(xué)者將振動(dòng)攪拌技術(shù)應(yīng)用于水泥混凝土當(dāng)中，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)攪拌顯著改善了水泥混凝土的力學(xué)性能、有效縮短了攪拌時(shí)間、在保證強(qiáng)度基礎(chǔ)上節(jié)約了水泥用量[15-18]。瀝青混合料與水泥混凝土相類似，都具有多相、多孔、高度不均勻和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特性，本文通過將振動(dòng)攪拌技術(shù)應(yīng)用于瀝青混合料當(dāng)中，對(duì)于增強(qiáng)瀝青混合料在細(xì)觀和宏觀上混合均勻、提高瀝青混合料拌合工作效率具有積極意義。

對(duì)于SBS改性瀝青而言，其良好的高黏特性使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性得到顯著提高[19-20]，但SBS改性瀝青的高黏性不利于集料與瀝青在攪拌過程充分混合。為改善SBS改性瀝青混合料的均勻性，提高瀝青混合料的力學(xué)性能和路用性能，本文首先分析振動(dòng)波能量對(duì)SBS改性瀝青的降黏效果，其次針對(duì)不同振動(dòng)頻率攪拌方式下SBS改性瀝青混合料的性能進(jìn)行綜合分析，最后探討振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料在極端環(huán)境條件下的適用性，為振動(dòng)攪拌技術(shù)在瀝青混合料的生產(chǎn)施工中提供理論支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備及原材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)用于測(cè)試瀝青黏度與振動(dòng)作用關(guān)系的試驗(yàn)裝置如圖1所示，通過調(diào)整小型振動(dòng)臺(tái)的振幅和頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青的振動(dòng)加載，布氏黏度計(jì)用于測(cè)定振動(dòng)加載過程中瀝青的黏度。瀝青攪拌機(jī)為軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)，如圖2所示。該攪拌機(jī)不同于外殼激振的整體式振動(dòng)攪拌機(jī)，其振源位于攪拌軸上的葉片，攪拌時(shí)葉片將振動(dòng)能量傳遞到瀝青混合料。外殼激振的整體式攪拌機(jī)是將振動(dòng)能量從外殼傳遞到攪拌中心，并且能量在傳遞過程會(huì)不斷衰減，攪拌中心的混合料只能受到微弱的振動(dòng)作用，而軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)的振動(dòng)能量傳輸機(jī)理如圖3所示，振動(dòng)能量以葉片為中心擴(kuò)散到外殼上，這確保了瀝青混合料能夠完全受到振動(dòng)波能量作用，極大提高了能量的傳遞效率。

圖1 測(cè)試振動(dòng)作用下瀝青黏度的裝置

圖2 軸振動(dòng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)

圖3 振動(dòng)能量傳遞示意圖

1.2 原材料及混合料級(jí)配

SBS改性瀝青性能依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)測(cè)試得到的基本性能如表1所示。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E43—2005)測(cè)定得到的輝綠巖基本性能如表2所示。SBS瀝青混合料類型為密級(jí)配AC-13瀝青混合料，礦料級(jí)配取AC-13級(jí)配中值，級(jí)配曲線如圖4所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 輝綠巖技術(shù)指標(biāo)

圖4 AC-13級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)方法

2.1 基于振動(dòng)波能量作用瀝青降黏測(cè)試試驗(yàn)

通過控制振動(dòng)臺(tái)輸出不同振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率測(cè)定振幅和振頻對(duì)瀝青黏度的作用效果，首先將振動(dòng)臺(tái)輸出特定的振動(dòng)頻率，待振頻穩(wěn)定后調(diào)節(jié)功率和電壓確定振動(dòng)臺(tái)振幅。瀝青降黏程度通過式(1)確定。

(1)

式中：k為降黏率，%；λ1為靜止?fàn)顟B(tài)下瀝青黏度，mPa·s；λ2為振動(dòng)狀態(tài)下瀝青黏度，mPa·s。

2.2 測(cè)定不同振頻作用下瀝青混合料最佳油石比

為了確定振動(dòng)作用下密級(jí)配SBS瀝青混合料的最佳油石比，分別添加油石比為4%、4.5%、5%、5.5%、6%的瀝青用量，試驗(yàn)拌合溫度設(shè)置為180 ℃，振動(dòng)攪拌過程中轉(zhuǎn)數(shù)為(35±0.5)r/min，振動(dòng)頻率分別設(shè)置為0、10、20、30、40、50 Hz。

2.3 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

瀝青路面在高溫和重載作用下容易產(chǎn)生車轍破壞，本試驗(yàn)的目的是為了對(duì)比評(píng)價(jià)常規(guī)攪拌和不同振動(dòng)頻率攪拌制備得到的瀝青混合料的高溫抗變形性能。

2.4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水分在本文用到的密級(jí)配混合料結(jié)構(gòu)中無法有效地排出，隨著時(shí)間的推移水分會(huì)侵入到瀝青與集料之間，使黏附力下降，從而導(dǎo)致集料脫落。為此，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂實(shí)驗(yàn)對(duì)比評(píng)價(jià)振動(dòng)攪拌與無振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料水穩(wěn)定性能。

2.5 極端條件下瀝青混合料性能測(cè)試試驗(yàn)

本文在已有試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)置了3種更加嚴(yán)格的試驗(yàn)條件，進(jìn)一步探討振動(dòng)攪拌與傳統(tǒng)攪拌得到的瀝青混合料在極端環(huán)境下的適用性能。

考慮到實(shí)際工程中溫度和荷載是造成瀝青路面車轍破壞的主要因素，同時(shí)路面潮濕程度也在一定程度上影響瀝青混合料抗車轍變形能力的大小[21]，本文在標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分別改變溫度、荷載和濕度的大小用于模擬極端高溫、極端重載和極端潮濕的試驗(yàn)環(huán)境。極端高溫環(huán)境是保持試驗(yàn)輪的接觸壓強(qiáng)0.7 MPa不變，將試驗(yàn)溫度由60 ℃提升至70 ℃；極端重載環(huán)境是保持試驗(yàn)溫度60 ℃不變，將試驗(yàn)輪的接觸壓強(qiáng)由0.7 MPa提高到1.4 MPa；極端潮濕環(huán)境是保持試驗(yàn)溫度60 ℃和試驗(yàn)輪接觸壓強(qiáng)0.7 MPa不變，將成型的瀝青混合料試件浸沒在60 ℃水中保持5 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 振幅、振頻與瀝青降黏率變化關(guān)系

通過調(diào)整振動(dòng)臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)試驗(yàn)過程中的振頻和振幅，分別測(cè)定了SBS改性瀝青在10、20、30、40、50 Hz振動(dòng)作用下瀝青降黏率與振動(dòng)幅值變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，受到儀器和試驗(yàn)條件限制，在增大頻率的同時(shí)提高振動(dòng)幅值的能力有限，因此試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)有限。

(a)10 Hz

由圖5可以看出振動(dòng)波能量可以降低SBS改性瀝青的黏度，在同一頻率下降黏率與振動(dòng)幅值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。SBS改性瀝青分子間具有強(qiáng)力的黏結(jié)作用力，微觀層面上呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，振動(dòng)波在一定程度上破壞了瀝青分子之間的作用力，破壞程度隨著振幅的增加而增加，宏觀表現(xiàn)為瀝青的流動(dòng)性增強(qiáng)。比較圖5(a)和5(b)可以看出在同一振動(dòng)幅值3 mm作用下，20 Hz的降黏率較10 Hz增加了5%；同樣比較圖5(b)和5(c)在振幅為2 mm情況下，30 Hz的降黏率較20 Hz提高了2%；結(jié)合圖5(c)～(e)可以看出在同一振動(dòng)幅值下30、40和50 Hz所產(chǎn)生的降黏效果幾乎一致。

3.2 瀝青混合料最佳油石比的確定

測(cè)量無振動(dòng)攪拌得到的SBS改性瀝青混合料馬歇爾試件穩(wěn)定度、流值、毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度6個(gè)參數(shù)，然后分析得到SBS改性瀝青摻量與上述6個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，最終可以得到最佳油石比為5.1%。同樣按照無振動(dòng)攪拌作用下確定SBS瀝青混合料最佳油石比的過程，可以得到在10、20、30、40、50 Hz振動(dòng)作用下SBS瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、4.8%、4.7%、4.7%和4.8%。振動(dòng)作用的加入顯著降低了SBS改性瀝青混合料的最佳油石比，節(jié)省了瀝青的用量。究其原因是因?yàn)檎駝?dòng)作用使得集料與瀝青的黏附面積增大，集料間的黏結(jié)能力增強(qiáng)，有效瀝青比例含量增加導(dǎo)致瀝青的總用量減少。50 Hz作用下的最佳油石比與20 Hz相同，30 Hz與40 Hz振頻能夠?qū)⒆罴延褪冉档偷阶钚。ㄟ^振動(dòng)作用達(dá)到降低最佳油石比的效果是可行的。

3.3 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

根據(jù)不同振動(dòng)頻率下SBS改性瀝青混合料最佳油石比制備試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同振動(dòng)頻率下瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可以看出無振動(dòng)攪拌作用得到的車轍試件的動(dòng)穩(wěn)定度最小，加入振動(dòng)作用后動(dòng)穩(wěn)定度均提高了1 000次·mm-1以上。且在10～40 Hz頻率范圍之內(nèi)，動(dòng)穩(wěn)定度與頻率呈正相關(guān)，在40 Hz時(shí)達(dá)到峰值。當(dāng)頻率增加到50 Hz后，動(dòng)穩(wěn)定度反而下降，相當(dāng)于20～30 Hz所達(dá)到的效果。由此可見增加振動(dòng)頻率可以提高SBS改性瀝青混合料的抗車轍能力，但單純的提高振動(dòng)頻率并不能一直增強(qiáng)其抵抗車轍變形能力，通過試驗(yàn)可以得到40 Hz的振動(dòng)攪拌作用可以使瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最佳。

3.4 瀝青混合料水穩(wěn)定性能

依據(jù)不同振動(dòng)頻率作用下SBS改性瀝青混合料最佳油石比制備試件，并按照規(guī)范規(guī)程進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 不同振動(dòng)頻率下瀝青混合料的浸水穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同振動(dòng)頻率下瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可以看出常規(guī)攪拌得到的SBS改性瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度為10 kN，浸水后測(cè)得的殘留度僅為83.3%，而在攪拌過程中加入振動(dòng)作用后，瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度得到不同程度的提升，尤其是頻率達(dá)到40 Hz時(shí)試件標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度達(dá)到15.7 kN，浸水殘留穩(wěn)定度比0 Hz提高了9%，50 Hz振動(dòng)作用達(dá)到的效果類似于10 Hz與20 Hz之間達(dá)到的效果。振動(dòng)作用使瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度得到提高的同時(shí)，浸水后其穩(wěn)定度仍維持在較高水平，振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料水穩(wěn)定性能更為優(yōu)異。

由圖8可知當(dāng)振動(dòng)頻率為10～40 Hz時(shí)常規(guī)劈裂和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度值均隨頻率不斷提高而增加，在40 Hz時(shí)達(dá)到最大值，40 Hz處的常規(guī)劈裂和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度值較0 Hz分別提高了22.4%和28%，而50 Hz相當(dāng)于20 Hz至30 Hz之間所達(dá)到的效果。振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料在經(jīng)過凍融循環(huán)后其抗拉強(qiáng)度比均大于無振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料，且40 Hz的瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比大于90%。

與SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果相同，振動(dòng)攪拌技術(shù)同樣提高其水穩(wěn)定性能，并且在振動(dòng)頻率為40 Hz時(shí)SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能同時(shí)達(dá)到了最大值。

3.5 極端條件下瀝青混合料性能

由上述試驗(yàn)可以得出30 Hz與40 Hz振動(dòng)頻率下得到的瀝青混合料較其他振動(dòng)頻率有更優(yōu)異的性能，因此極端條件下的試驗(yàn)僅采用0、30和40 Hz振動(dòng)攪拌得到的SBS改性瀝青混合料?；跇O端環(huán)境條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 極端環(huán)境下瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可看到在極端高溫、極端重載、浸水環(huán)境條件下各試件的動(dòng)穩(wěn)定度均小于6 000次/mm，在70 ℃+0.7 MPa條件下無振動(dòng)作用的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度僅有2 199次/mm，而振動(dòng)頻率為30 Hz和40 Hz的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了87.9%和121%，結(jié)果表明振動(dòng)攪拌較常規(guī)攪拌得到的瀝青混合料在極端高溫條件下抗車轍能力更強(qiáng)。在60 ℃+1.4 MPa極端重載條件下瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大幅度下降，常規(guī)攪拌得到的混合料動(dòng)穩(wěn)定度僅有1 124次/mm，30 Hz和40 Hz作用得到的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均較0 Hz提高了一倍以上。浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果與高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果相類似，30 Hz與40 Hz振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度較0 Hz分別提高了81.9%和1.06%。試驗(yàn)結(jié)果表明振動(dòng)攪拌較傳統(tǒng)攪拌得到的瀝青混合料在極端高溫、極端重載和極端潮濕環(huán)境下抵抗車轍變形的能力更強(qiáng)。

常規(guī)無振動(dòng)的瀝青混合料拌合過程中，不可避免的有細(xì)粒礦料被瀝青膜包裹形成團(tuán)粒，而團(tuán)粒內(nèi)部的礦料間無瀝青黏結(jié)，這種團(tuán)粒的存在會(huì)削弱混合料的黏結(jié)力從而降低其受力性能。在攪拌過程中加入振動(dòng)作用能夠大幅度降低拌合不均勻所形成的團(tuán)粒，其原因在于振動(dòng)源會(huì)帶動(dòng)周圍的瀝青混合料受迫振動(dòng)，團(tuán)粒受到振動(dòng)作用的影響會(huì)分散開，使得瀝青與礦料間的接觸面積增大，且振動(dòng)頻率越大振動(dòng)波輻射的范圍就越廣，攪拌得到的瀝青混合料分散更為均勻。同時(shí)振動(dòng)作用還會(huì)使得集料表面存在的雜質(zhì)脫離，并且礦料本身存在的微小裂縫被打開，從而增大集料與瀝青的有效接觸面積，瀝青混合料中的結(jié)合瀝青比例增大且自由瀝青比例下降，從而使得瀝青混合料有更加優(yōu)異的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

本文研究了振動(dòng)波能量對(duì)SBS改性瀝青及其混合料的作用效果，探究了不同振動(dòng)頻率對(duì)SBS改性瀝青混合料的最佳油石比、高溫抗車轍能力和水穩(wěn)定性的影響，深入研究了振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料在極端環(huán)境條件下的適用性情況，主要結(jié)論如下：

a.同一振頻條件下振幅與瀝青降黏率呈正相關(guān)，同一振幅下振動(dòng)頻率大于30 Hz能夠使瀝青降黏效果達(dá)到最佳。在瀝青混合料性能滿足要求的條件下振動(dòng)攪拌可降低瀝青用量。

b.在攪拌過程中加入振動(dòng)作用使得瀝青與集料間的黏結(jié)更強(qiáng)，提高了瀝青混合料的高溫抗車轍能力以及抗水損害性能。在10～40 Hz時(shí)隨著振動(dòng)頻率的提高，試件的車轍動(dòng)穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度不斷增大，50 Hz相當(dāng)于20～40 Hz所達(dá)到的效果。

c.在本文設(shè)置的極端環(huán)境條件下，30 Hz和40 Hz振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能均較常規(guī)攪拌的瀝青混合料提高了80%以上，振動(dòng)攪拌得到的瀝青混合料更適用于瀝青路面服役過程中的極端環(huán)境條件。

d.單純的提高振動(dòng)頻率并不能一直提高瀝青混合料力學(xué)性能，本試驗(yàn)研究推薦40 Hz作為SBS改性瀝青混合料最佳的振動(dòng)頻率。