溫拌瀝青短期老化性能研究

張蔭成，馬耀宗，李懷玉，閆 強

(1.廣西荔玉高速公路有限公司，廣西 平南 537300；2.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530002)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，截至2017年年底，我國高速公路里程已超過13萬km，其中高達90%以上的高速公路采用瀝青混合料進行建設(shè)，而傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料生產(chǎn)過程中為保證施工和易性需要對其進行高溫加熱，不僅消耗大量能源，且排放大量廢氣和粉塵，嚴重影響生態(tài)環(huán)境和施工人員的健康；同時瀝青混合料在加熱拌制過程中，瀝青作為粘結(jié)劑其輕質(zhì)組分易揮發(fā)，整體產(chǎn)生氧化老化，對成型道路路用性能產(chǎn)生不良影響[1]。

為應(yīng)對上述問題，溫拌瀝青混合料(WMA)技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)自1955年由歐洲Shell公司首次提出以來[2]，在國內(nèi)外學(xué)者大量研究下取得豐富成果：chaofan wu[3]研究溫拌劑對瀝青PG分級的影響，發(fā)現(xiàn)摻入Sasobit溫拌劑能有效提高瀝青PG等級；Diefenderfer[4]研發(fā)多種不同類型溫拌劑，并對其實際應(yīng)用技術(shù)進行了研究；湯文[5]研究了不同回收料摻量對溫拌再生瀝青混合料性能的影響；陸兆峰[6]等研究了天然巖瀝青對瀝青流變特性的影響；李華平[7]通過摻入Sasobit溫拌劑至橡膠瀝青中觀察其性能，發(fā)現(xiàn)溫拌劑有利于提高橡膠瀝青高溫黏度；李宏志[8]研究溫拌劑制備工藝對瀝青膠漿流變性能的影響發(fā)現(xiàn)，投料順序?qū)r青膠漿性能無明顯影響。

縱觀國內(nèi)外研究可知，目前研究者多關(guān)注于如何降低混合料生產(chǎn)溫度這一難題[9]，而針對溫拌瀝青短期老化性能研究較少。因此本文基于DSR試驗測定老化前后不同瀝青試樣復(fù)數(shù)模量G*與相位角δ以評價其流變性能，并提出老化率指標以評價試樣抗老化性能。

1 原材料

1.1 瀝青

選用70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青，兩類瀝青性能指標如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青與改性瀝青性能指標表

1.2 溫拌劑

溫拌劑Sasobit與3G為目前市場常見的兩類溫拌劑。Sasobit是Fischer-Tropsch(FT)過程從煤氣化中生產(chǎn)的含有40～120個碳原子的長鏈脂肪族烴，也被稱為FT固體石蠟；3G是美德維實偉克公司(MWV)的第三代技術(shù)，其含有的表面活性劑成份，可改變?yōu)r青分子之間的極性、瀝青分子與集料之間的表面張力。兩類溫拌劑性能指標如表2所示。

表2 Sasobit與3G溫拌劑性能指標表

2 溫拌瀝青短期老化性能研究

2.1 流變性能影響研究

為對溫拌瀝青短期老化后性能進行研究，采用上文所選原材料制備溫拌瀝青試樣，基于DSR試驗掃描各試樣復(fù)數(shù)模量G*、相位角δ以評價其流變性能，具體試驗設(shè)計及結(jié)果如下頁圖1～2所示。圖中R代表經(jīng)過短期老化；A為基質(zhì)瀝青，B為SBS改性瀝青；S為Sasobit溫拌劑，G為3G溫拌劑；后文中編號順序為“老化與否-瀝青種類-溫拌劑種類-摻量”，如R-A-S-4表示Sasobit摻量為4%的短期老化溫拌基質(zhì)瀝青。

(1)摻入Sasobit溫拌劑均可有效改善瀝青高溫流變性能。從圖1中可見，無論老化與否，在相同試驗溫度下，摻入Sasobit溫拌劑的瀝青試樣復(fù)數(shù)模量G*值均較未摻溫拌劑的試樣大，而其相位角δ均較未摻溫拌劑的試樣小，將各瀝青試樣車轍因子繪制直方圖如圖2所示，對比其大小可知，不管老化與否，摻入Sasobit溫拌劑的試樣車轍因子均較其他試樣大。說明Sasobit溫拌劑在試驗溫度范圍內(nèi)可有效提高瀝青試樣高溫抗車轍性能，這是由于當(dāng)Sasobit溫拌劑溫度低于融點時，會在瀝青膠結(jié)料中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，增加瀝青膠結(jié)料的穩(wěn)定性，提高路面在使用溫度范圍內(nèi)的抗車轍性能[8]。

(a)基質(zhì)瀝青

(b)SBS改性瀝青

(a)基質(zhì)瀝青

(b)SBS改性瀝青

(2)摻入3G溫拌劑對瀝青流變性能影響不顯著。圖1(a)中，A-G-0.6與A試樣復(fù)數(shù)模量主曲線基本重合，但R-A-G-0.6主曲線低于R-A，說明3G溫拌劑對瀝青高溫性能有所損傷。這是由于在試驗溫度下3G溫拌劑為液態(tài)，其含有的表面活性劑成份改變了瀝青分子之間的極性，降低了瀝青分子與礦粉之間的表面張力，從而導(dǎo)致瀝青膠漿黏度降低。這說明3G溫拌劑雖然能降低瀝青混合料的施工溫度，但在常溫狀態(tài)下一定程度上降低了瀝青路面的抗車轍性能[10]。

2.2 抗老化性能影響研究

為對摻入溫拌劑之后的瀝青試樣抗老化性能進行定量分析，定義試樣老化前后復(fù)數(shù)模量的差值與老化前復(fù)數(shù)模量的比值作為老化率Ar，其值越大，表明其老化程度越大。計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 各瀝青試樣老化率Ar圖

(1)基質(zhì)溫拌瀝青的老化程度隨著溫度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，這可能是因為當(dāng)超過一定溫度時，相位角接近90 ℃，試樣很快散失彈性變形能力，瀝青處于黏性狀態(tài)。

(2)不同試驗溫度下改性溫拌瀝青老化程度無明顯變化規(guī)律，在35 ℃～60 ℃左右，B-S-4的老化率比B和B-G-0.6大。圖1中，SBS短期老化δ值沒有很大的變化，即在35 ℃～60 ℃下瀝青的粘彈比例沒有發(fā)生變化；而A-S-4老化前后相位角的變化是由Sasobit溫拌劑性能所引起的。因此在這個溫度段，Sasobit溫拌劑在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，老化率增大；當(dāng)溫度為60 ℃～85 ℃時，由于SBS和Sasobit溫拌劑的共同作用，老化率減小。

(3)摻入溫拌劑能有效提高瀝青抗老化性能，圖3中，摻入溫拌劑試樣的曲線老化程度較低，且Sasobit溫拌劑降低幅度比3G溫拌劑大，其降低幅度隨著溫度的增大而增大，而3G溫拌劑在不同溫度下其降低幅度相差無幾。

3 結(jié)語

本文主要針對溫拌瀝青短期老化前后流變性能與抗老化性能進行研究，得出如下主要結(jié)論：

(1)摻入Sasobit溫拌劑均可有效提高瀝青高溫流變性能。這是由于當(dāng)Sasobit溫拌劑溫度低于融點時，會在瀝青膠結(jié)料中形成網(wǎng)狀的晶格結(jié)構(gòu)，增加瀝青膠結(jié)料的穩(wěn)定性，因此Sasobit溫拌劑不僅可用于降低混合料施工溫度，并可有效提高路面抗車轍性能。

(2)摻入3G溫拌劑對瀝青流變性能的影響不顯著，這是由于3G溫拌劑含有的表面活性劑成份降低了瀝青分子與礦粉之間的表面張力，從而導(dǎo)致瀝青膠漿黏度降低。所以摻入3G溫拌劑雖然能降低瀝青混合料的施工溫度，但也降低了瀝青路面的抗車轍性能。

(3)摻入溫拌劑能有效降低瀝青短期老化率，其中Sasobit溫拌劑提高能力較3G溫拌劑更優(yōu)，并且溫度越高效果越明顯，說明摻入溫拌劑可有效改善瀝青抗老化性能。