溫拌成品高黏瀝青及其混合料性能研究

丁 鵬，吉澤中，徐 波,2，陳 軍，虞 浩

(1.河海大學 土木與交通學院， 南京 210098； 2.江蘇京滬高速公路有限公司， 江蘇 淮安 223005；3.江蘇省交通工程建設局， 南京 210008)

隨著綠色發(fā)展理念的深入人心，人們對道路交通建設過程中的生態(tài)環(huán)保要求越來越高。排水瀝青路面具有摩擦因數(shù)高、降噪、雨天行車安全度高的特性，以其優(yōu)異的安全效益和環(huán)境效益逐漸受到青睞[1-3]。然而，高黏瀝青作為排水瀝青混合料的膠結料，其135 ℃黏度高于普通瀝青膠結料，無疑會加大施工難度，增加施工能耗和有害氣體排放，在一定程度上限制了排水路面在我國大范圍的推廣[4]。

溫拌技術能夠降低瀝青黏度來改善混合料的施工和易性，將施工溫度控制在較低的水平，是一種綠色的道路施工技術[5]。將溫拌技術與排水路面相結合，既能滿足建設功能型路面的需要，又能對生態(tài)保護大有裨益，具有顯著的社會意義和環(huán)境效益[6]。然而，不同溫拌技術的使用是否會對成品高黏瀝青的性能產(chǎn)生不良影響是值得進一步研究的問題。吳立新等[7]研究了溫拌排水路面瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)溫拌排水路面瀝青混合料路用性能與熱拌瀝青混合料相當。F.Frigio等[8]研究了溫拌排水瀝青混合料老化前后的模量和疲勞性能，發(fā)現(xiàn)溫拌技術的使用降低了施工溫度，削弱了混合料模量，長期老化后的混合料抗疲勞性能未受影響。

目前對溫拌排水瀝青路面的研究較少，對溫拌成品高黏瀝青的研究尚屬空白，從節(jié)能減排、材料性能方面考慮，將溫拌技術與排水瀝青路面結合將具有廣闊的應用前景。因此,本文研究不同溫拌技術對成品高黏瀝青及其混合料性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青

研究采用江蘇通沙成品高黏瀝青，成品高黏瀝青的各項性能指標檢測結果如表1所示。由表1可知，成品高黏瀝青的各項性能指標均符合規(guī)范要求。

表1 成品高黏瀝青性能指標

1.1.2 溫拌技術

研究采用的溫拌技術主要包括添加溫拌劑和發(fā)泡方式。試驗選用南非Sosal的Sasobit溫拌劑、深圳海川的EC120溫拌劑，主要技術信息見表2。

表2 不同溫拌劑的技術信息

1.1.3溫拌高黏瀝青的制備

摻加溫拌劑的高黏瀝青的室內制備工藝如圖1所示，不同溫拌劑的摻量如表3所示。

研究采用XLB10P泡沫瀝青試驗機在室內對成品高黏瀝青進行發(fā)泡。試驗發(fā)泡用水為普通自來水，發(fā)泡參數(shù)為：發(fā)泡用水量為4%，成品高黏瀝青加熱溫度為180 ℃，水溫為30 ℃。

1.2 試驗方法

1.2.1 高溫性能

SHRP瀝青結合料路用性能規(guī)范中提出采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗評價瀝青膠結料的高溫性能，以失效溫度作為瀝青膠結料高溫性能的評價指標,失效溫度越低，表明高溫性能越好[9-11]。

研究表明，采用60 ℃零剪切黏度(zero shear viscosity，ZSV)來評價瀝青膠結料的高溫性能比較合理[12]。試驗采用C.Desmazes等[13]提出的蠕變恢復試驗法得到溫拌高黏瀝青的60 ℃ ZSV。

試驗采用美國TA-1500EX動態(tài)剪切流變儀。

1.2.2 低溫性能

美國SHRP瀝青結合料路用性能規(guī)范為評價瀝青結合料的低溫抗裂性能，提出了彎曲梁流變儀(BBR)的彎曲梁流變試驗，現(xiàn)在被廣泛用來測試瀝青結合料的低溫勁度模量[14]。評價指標采用Surperpave設計體系規(guī)范中要求的60 s時的蠕變速率(M值)和蠕變勁度(S值)[15]。試驗采用美國CANNON公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀。

1.2.3 抗疲勞性能

為了可以在室內模擬瀝青的疲勞性能，SHAP研究計劃提出了疲勞因子的概念，即G″=G*sinδ，當G*或者δ增大時，疲勞因子相應增大，表明瀝青由于黏性成分的存在需要消耗掉更多的能量來消解外力作用，相應地，疲勞開裂或任何其他損害產(chǎn)生的幾率就越高[16]。基于上述瀝青疲勞機理，試驗采用RTFO及PAV后的成品高黏瀝青進行DSR試驗。為了更好地評價不同瀝青試樣的抗疲勞性能，對動態(tài)剪切試驗得出的疲勞因子對數(shù)和溫度的關系曲線進行線性擬合，并根據(jù)線性擬合得出對應公式，最后將G*sinδ=5 MPa代入公式得出的溫度即為極限疲勞溫度，極限疲勞溫度越低，瀝青的抗疲勞性能越好[17-18]。

2 結果與分析

2.1 高溫性能

2.1.1 失效溫度

分別對未老化和短期老化后的成品高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進行溫度掃描試驗(46～88 ℃，步長為3 ℃)，確定不同溫度下10 rad/s時的G*/(sinδ)，然后建立車轍因子對數(shù)(log(G*/(sinδ)))與溫度T的半對數(shù)關系曲線圖，對得到的曲線進行回歸分析，如圖2～5所示。

圖2 成品高黏瀝青車轍因子對數(shù)與溫度的半對數(shù)關系

圖3 EC120溫拌高黏瀝青車轍因子對數(shù)與溫度的半對數(shù)關系

圖4 泡沫溫拌高黏瀝青車轍因子對數(shù)與溫度的半對數(shù)關系

圖5 Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青車轍因子對數(shù)與溫度的半對數(shù)關系

根據(jù)擬合的回歸直線，得到不同溫拌高黏瀝青在G*/(sinδ)=1.0 kPa和G*/(sinδ)=1.2 kPa時的失效溫度，結果如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：摻加了EC120和Sasobit+聚乙烯蠟這2種有機蠟類溫拌劑的成品高黏瀝青的失效溫度升高非常明顯，高溫等級從PG-70上升到PG-82，上升了2個高溫等級，高溫性能得到顯著提高。這是因為有機蠟類溫拌劑熔點高，它與部分被它吸附又融解它的飽和組分一起逐漸結晶析出，進而鎖定了這些油類組分，共同形成網(wǎng)狀的晶體結構。這種網(wǎng)狀結構的存在大大減小了瀝青在高溫時的流動變形能力，極大地改善了高黏瀝青的高溫性能。泡沫溫拌使高黏瀝青的失效溫度降低了，說明泡沫溫拌技術削弱了成品高黏瀝青的高溫性能，但是仍然能保持之前的高溫等級。

圖6 不同溫拌高黏瀝青的失效溫度

2.1.2 60 ℃零剪切黏度

分別對未老化和短期老化后的成品高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進行頻率范圍為0.1～100 Hz的頻率掃描試驗，試驗溫度為60 ℃，控制應變?yōu)?.5%。通過動態(tài)剪切流變儀60 ℃頻率掃描試驗可以獲得不同試樣在不同荷載作用頻率下的復合黏度值。采用Carreau模型對復合黏度和頻率曲線圖進行擬合[19]，Carreau模型如式(1)所示，擬合結果如圖7、8所示。

(1)

式中：η為黏度(Pa·s)；η0為零剪切黏度(Pa·s)；η∞為無限大速率黏度(Pa·s)；ω為剪切速率(1/s)；k、m為材料參數(shù)。

由圖7、8可以看出：使用Carreau模型對不同溫拌高黏瀝青的復合黏度-頻率曲線進行擬合后可以得到第一牛頓區(qū)域內復合黏度與頻率的關系曲線。在這一區(qū)域內，瀝青的復合黏度不再隨著剪切頻率的變化而變化，因此可以得到剪切頻率接近于0時的復合黏度，即零剪切黏度，各溫拌高黏瀝青的未老化和短期老化后的零剪切黏度結果如圖9所示。

圖7 未老化高黏瀝青的復合黏度

圖8 短期老化后高黏瀝青的復合黏度

圖9 溫拌高黏瀝青零剪切黏度

由圖9可以看出：未老化高黏瀝青的ZSV要普遍小于短期老化后的高黏瀝青，表明運輸、攤鋪機壓實階段的老化有助于溫拌高黏瀝青的高溫穩(wěn)定性的提升。EC120溫拌劑和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑可以大幅提高未老化及老化后成品高黏瀝青的零剪切黏度，高溫穩(wěn)定性得到顯著增強，這主要是因為有機蠟類溫拌劑在低于熔點的溫度條件下會在瀝青中形成網(wǎng)狀的晶格結構，使瀝青模量增大，在較高溫度下不易產(chǎn)生變形。泡沫溫拌使得未老化及老化后成品高黏瀝青的ZSV均略小于原樣瀝青，說明泡沫溫拌對成品高黏瀝青的高溫性能有不利影響，推測可能是因為泡沫瀝青發(fā)泡之后殘留的微量水分使得瀝青的模量降低，抵抗變形能力有一定程度的下降。

2.2 低溫性能

分別對經(jīng)過短期老化及長期老化后的未摻加溫拌劑的高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進行-6、-12及-18 ℃彎曲梁流變試驗，試驗結果如圖10、11所示。

圖10 不同溫度下的蠕變勁度

圖11 不同溫度下的蠕變速率

由圖10、11可以發(fā)現(xiàn)：不同溫拌高黏瀝青長期老化后的試樣的蠕變勁度S隨著溫度的降低而不斷增大，蠕變速率M隨著溫度的降低不斷減小，說明隨著試驗溫度的降低，瀝青在溫度應力的作用下變形變小，導致更多的剩余應力在瀝青內部積累，且瀝青在溫度應力的作用下變形變小，導致更多的剩余應力在瀝青內部積累，瀝青低溫開裂的可能性增大。

泡沫溫拌瀝青的蠕變勁度S在3種測試溫度下均小于原樣瀝青，泡沫溫拌瀝青的M值在3個試驗溫度下均大于原樣瀝青，說明泡沫溫拌可以提高成品高黏瀝青的低溫性能，而EC120、Sasobit+聚乙烯蠟的摻入均使得成品高黏瀝青的低溫性能變差。按照Superpave瀝青膠結料規(guī)范規(guī)定，只有當S≤300 MPa和M≥0.3時，瀝青膠結料的低溫性能才算是合格的。由圖10、11可知，只有泡沫溫拌高黏瀝青和成品高黏瀝青在不同溫度下的S和M滿足要求。

綜合不同溫拌技術對瀝青低溫蠕變勁度和速率的影響分析可以得出，原樣瀝青和泡沫溫拌高黏瀝青的低溫等級為PG-28，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的低溫等級為PG-16，EC120溫拌高黏瀝青的低溫等級則低于PG-16，按照低溫性能的優(yōu)劣排序依次為：泡沫溫拌>原樣>Sasobit+聚乙烯蠟溫拌>EC120溫拌。

2.3 抗疲勞性能

分別對長期老化后的高黏瀝青及EC120溫拌、泡沫溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌這3種溫拌高黏瀝青進行溫度掃描試驗(10～40 ℃，步長為 3 ℃)，8 mm平行板的間距取4.0 mm，得到頻率10 rad/s時的G*/(sinδ)，然后建立車轍因子對數(shù)(log(G*/(sinδ)))與溫度T的半對數(shù)關系曲線圖，回歸分析結果如圖12所示。

圖12 溫拌高黏瀝青車轍因子對數(shù)與溫度的半對數(shù)關系

根據(jù)擬合的回歸直線，得到不同溫拌成品高黏瀝青在G*·sinδ=5.0 MPa時的極限疲勞溫度，計算結果如圖13所示。

圖13 不同溫拌高黏瀝青的極限疲勞溫度

通過圖13可以看出：泡沫溫拌高黏瀝青的極限疲勞溫度最低，說明泡沫溫拌可以在一定程度上提升成品高黏瀝青的抗疲勞性能，能夠在19.7 ℃及其以上的溫度條件下有效減少疲勞開裂的產(chǎn)生；EC120溫拌劑、Sasobit+聚乙烯蠟復合溫拌劑均使高黏瀝青的極限疲勞溫度升高，因此均對成品高黏瀝青的抗疲勞性能有不同程度的削弱作用，疲勞開裂發(fā)生的幾率增加。

3 溫拌成品高黏瀝青混合料路用性能驗證

選擇SMA-13型混合料作為路用性能驗證級配，根據(jù)SMA-13混合料配合比設計結果，在適宜的成型溫度下制作試件，然后分別對不同溫拌技術的瀝青混合料以及原樣瀝青混合料的路用性能進行對比研究，分析不同溫拌技術混合料路用性能。

3.1 高溫穩(wěn)定性

對SMA-13瀝青混合料在60±1 ℃、0.7±0.05 MPa條件下進行車轍試驗以檢驗混合料的高溫穩(wěn)定性，動穩(wěn)定度試驗結果見表4。

由表4分析可知：EC120、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌瀝青混合料動穩(wěn)定度遠大于原樣成品高黏瀝青的動穩(wěn)定度，高溫性能得到明顯的改善；泡沫溫拌瀝青混合料動穩(wěn)定度略高于原樣瀝青混合料，說明泡沫溫拌技術雖對原樣瀝青的高溫性能造成削弱作用，但是并沒有對混合料的高溫性能造成削弱作用。

3.2 低溫抗裂性

對原樣瀝青及不同溫拌瀝青混合料按規(guī)范要求成型車轍板試件，并切割小梁試件，在-10 ℃條件下進行低溫彎曲試驗，試驗結果如表5所示。

由表5分析可知，泡沫溫拌技術提升了瀝青混合料的低溫性能，分析其原因：一方面，可能因為泡沫溫拌可以顯著降低施工溫度，一定程度減緩了膠結料的老化程度，因而相對熱拌混合料，低溫變形能力增強；另一方面，可能因為泡沫溫拌中的水分與瀝青形成了特殊的水-油二相混合體系，使瀝青在低溫條件下具有更好的延展性。EC120、Sasobit+聚乙烯蠟的摻入削弱了瀝青混合料的低溫抗裂性能，與溫拌技術對高黏瀝青低溫性能的影響一致。

3.3 水穩(wěn)定性

為了驗證原樣瀝青及不同溫拌瀝青混合料的抗水損害性能，在180 ℃的條件下成型馬歇爾試件，并對試件進行浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗，試驗結果見表6、7。

表4 車轍試驗動穩(wěn)定度

表6 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果

表7 凍融劈裂試驗結果

分析表中數(shù)據(jù)，泡沫溫拌、EC120溫拌、Sasobit+聚乙烯蠟溫拌瀝青混合料相較于原樣瀝青混合料，殘留穩(wěn)定度、TSR均提高，說明3種溫拌技術可以一定程度地提高排水路面瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4 結論

1) 摻入EC120和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑可以提升成品高黏瀝青2個高溫等級，高溫性能得到顯著提高；泡沫溫拌技術降低了成品高黏瀝青的高溫性能，但是仍然能保持先前的高溫等級。

2) 泡沫溫拌技術可以一定程度地提高成品高黏瀝青的低溫性能，摻入EC120溫拌劑、Sasobit+聚乙烯蠟復合溫拌劑削弱了高黏瀝青的低溫性能，原樣瀝青和泡沫溫拌高黏瀝青的低溫等級為PG-28，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的低溫等級為PG-16，EC120溫拌高黏瀝青的低溫等級則低于PG-16。按照低溫性能的優(yōu)劣排序依次為：泡沫溫拌>原樣>Sasobit+聚乙烯蠟溫拌>EC120溫拌。

3) 泡沫溫拌可以一定程度上提升高黏瀝青的抗疲勞性能，EC120、Sasobit+聚乙烯蠟均削弱了高黏瀝青的抗疲勞性能。

4) 泡沫溫拌技術對瀝青混合料性能影響不顯著，低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能得到一定程度提升；摻入EC120和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑改善了瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能，低溫抗裂性能變差。

參考文獻：

[1] 許斌.排水瀝青路面預防性養(yǎng)護技術研究[D].大連：大連理工大學,2016.

[2] 孟坤.排水路面高黏瀝青及瀝青混合料試驗研究[D].濟南：山東建筑大學,2017.

[3] 姜平忠,林頎棟,吳海,等.基于排水路面的環(huán)氧瀝青混合料配合比設計及路用性能研究[J].交通世界,2017(29):25-27.

[4] 楊勁.高粘度改性劑對排水瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響[D].重慶： 重慶交通大學,2015.

[5] 王如先.瀝青路面低溫施工關鍵技術研究[J].華東交通大學學報,2017(4)：38-42.

[6] 陳愛華.溫拌瀝青路面技術在公路施工中的應用[J].綠色環(huán)保建材,2016(12)：96.

[7] 吳立新,黃杰,張業(yè)茂.溫拌排水瀝青混合料性能研究[J].交通標準化,2014,42(15):151-155.

[8] FRIGIO F,RASCHIA S,STEINER D,et al.Aging effects on recycled WMA porous asphalt mixtures[J].Construction & Building Materials,2016,123:712-718.

[9] 鐘志鋒,郭興文,周浩.粉膠比對橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響研究[J].河北工程大學學報(自然科學版),2016,33(1):20-23.

[10] 美國瀝青協(xié)會.高性能瀝青路面(Superpave)基礎參考手冊[M].北京：人民交通出版社,2005.

[11] 梁星敏,黃康旭,朱林.TLA摻量對湖瀝青改性瀝青高、低溫性能的影響[J].材料科學與工程學報,2016,34(4):614-618.

[12] 羅怡琳,于新,孫文浩.橡膠瀝青零剪切粘度確定方法的研究[J].公路工程,2012,37 (5):218-221.

[13] DESMAZES C,LECOMTE M,LESUEUR D，et al.A protocol for reliable measurement of zero-shear-viscosity in order to evaluate the anti-rutting performance of binders,2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress Barcelona[Z].2000.

[14] Annual book of ASTM standards[Z].section4,2002.

[15] 徐波，馮逸，劉運新.濕度對瀝青膠結料老化性能的影響研究[J].中外公路，2015，35(3)：267-270.

[16] 王超.瀝青結合料路用性能的流變學研究[D].北京：北京工業(yè)大學,2015.

[17] 張黎紅,羅有權,董則軍,等.泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能[J].河南科技大學學報(自然科學版),2017,38(2):59-62.

[18] 王超.瀝青結合料路用性能的流變學研究[D].北京：北京工業(yè)大學,2015.

[19] 祝爭艷,江瑞齡,孟令國.60 ℃零剪切黏度ZSV指標在高速公路養(yǎng)護瀝青評價中的應用[J].森林工程,2017,33(2):83-87.