不同溫拌劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

馬 峰, 袁康博, 傅 珍, 代佳勝, 郭興隆

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

近年來,瀝青路面作為我國(guó)高等級(jí)路面鋪筑的首選,其發(fā)展規(guī)模也隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸擴(kuò)大[1]。在傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料生產(chǎn)中,瀝青和所用集料在一定高溫下才可進(jìn)行拌和、攤鋪、碾壓,其拌和溫度一般情況下不低于160 ℃。因此在瀝青混合料生產(chǎn)過程中,大量能源被消耗,溫室氣體以及有害物質(zhì)等也相應(yīng)產(chǎn)生[2]。近年來,綠色公路建設(shè)成為熱門話題,為推動(dòng)其發(fā)展,溫拌瀝青混合料技術(shù)被學(xué)術(shù)界提出并蓬勃發(fā)展,降低施工溫度、能源消耗和污染物排放成為其發(fā)展目標(biāo)[3]。因此溫拌劑作為改性劑,被越來越廣泛地運(yùn)用。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于溫拌技術(shù)已經(jīng)有較多研究,并道出研究溫拌瀝青路用性能的必要性[4]。文獻(xiàn)[5]研究了Evotherm溫拌劑改性的瀝青混合料,結(jié)果發(fā)現(xiàn),使用溫拌劑對(duì)混合料進(jìn)行改性,能源的消耗以及污染氣體排放量可以得到有效降低,且相對(duì)于熱拌瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能與抗水損害性能;文獻(xiàn)[6]研究了新型溫拌劑ZYF-1,研究表明,ZYF-1對(duì)瀝青混合料的低溫性能及水穩(wěn)定性有不利的影響,但與其他種類的常用溫拌劑相比,其不利影響相對(duì)較小;文獻(xiàn)[7]在再生瀝青混合料中添加Sasobit和Aspha-min溫拌劑,并對(duì)其進(jìn)行路用性能研究,研究表明,混合料的抗車轍性能在2種溫拌劑的加入下均有所提高,但溫拌劑的添加對(duì)抗疲勞開裂性能并沒有較大的影響,且降低了混合料的低溫性能;文獻(xiàn)[8]研究了Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響,結(jié)果表明,摻入Sasobit使混合料的抗車轍性能得以提高,而水穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及疲勞性能則會(huì)衰減;文獻(xiàn)[9-12]從溫拌劑種類及摻量入手,研究了Sasobit和Aspha-min改性后瀝青混合料的路用性能,研究發(fā)現(xiàn),溫拌劑可有效降低施工溫度,且合適摻量的溫拌劑對(duì)混合料的高溫性能有所提升,其摻入對(duì)低溫性能、抗水損害性能、抗疲勞性能等略有不利,但均滿足規(guī)范要求。由于改性劑種類以及溫拌技術(shù)的多樣性,雖然針對(duì)溫拌瀝青混合料性能的研究較多,但未將2種常用溫拌劑對(duì)不同瀝青混合料性能的影響加以對(duì)比,也未系統(tǒng)地將基質(zhì)瀝青及其SBS改性瀝青混合料與其兩者進(jìn)行溫拌改性后的瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比。

基于此,本研究將Sasobit和Aspha-min 2種常用溫拌劑分別加入SK90瀝青及其SBS改性瀝青中,通過對(duì)加入溫拌劑瀝青混合料的研究,分析了其對(duì)瀝青混合料路用性能的影響,旨在對(duì)我國(guó)綠色公路建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 原材料及混合料設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1.1.1 瀝青及礦料

本研究選用玄武巖為其粗細(xì)集料,磨細(xì)的石灰?guī)r為其礦粉,選用AC-13連續(xù)型密級(jí)配為其級(jí)配類型。為研究溫拌瀝青混合料的路用性能,本研究中瀝青選擇施工中使用較多且性能良好的基質(zhì)瀝青SK90及其SBS改性瀝青,SBS改性劑的摻量為瀝青質(zhì)量的4%,其相關(guān)指標(biāo)見表1、表2所列。

表1 SK90瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS改性劑相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 溫拌劑

以Sasobit和Aspha-min為溫拌劑用以制備溫拌瀝青混合料,Aspha-min溫拌劑為一種人工合成沸石,是含有一定結(jié)合水的硅酸鋁礦物,遇熱瀝青很快融入并伴隨大量水分放出;Sasobit為一種新型的聚烯烴類瀝青普適改性劑,是一種固體石蠟,能夠增加瀝青的流動(dòng)性。Aspha-min、Sasobit溫拌劑的具體參數(shù)見表3、表4所列。

表3 Aspha-min溫拌劑相關(guān)技術(shù)指標(biāo)、

表4 Sasobit溫拌劑相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

1.2 施工溫度的確定

為準(zhǔn)確得到2種溫拌劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響,本研究共制備6種瀝青混合料用以對(duì)比其路用性能,分別為基質(zhì)瀝青(種類1)以及使用Aspha-min、Sasobit對(duì)其進(jìn)行改性的溫拌瀝青混合料(種類2、種類3)、SBS改性瀝青混合料(種類4)及使用Aspha-min、Sasobit對(duì)其進(jìn)行改性的溫拌瀝青混合料(種類5、種類6)。Aspha-min可直接加入石料中拌和,摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%,其拌和方式為干拌;Sasobit溫拌瀝青混合料的制備,則先完成溫拌瀝青結(jié)合料的制備,摻量為瀝青質(zhì)量的3%,其拌和方式為濕拌。以4%空隙率確定各種溫拌瀝青混合料施工時(shí)所需溫度[13]。4%空隙率所確定的各種瀝青混合料拌和及成型溫度如圖1所示。

圖1 瀝青混合料拌和溫度及成型溫度

從圖1可以看出,2種溫拌劑對(duì)瀝青混合料的施工溫度有不同程度的降低。在摻入Aspha-min后,基質(zhì)瀝青及其SBS改性瀝青混合料施工溫度分別降低了19、18 ℃;摻入Sasobit后,其施工溫度分別降低了23、24 ℃;Sasobit溫拌劑與另一種溫拌劑相比，對(duì)混合料的降溫作用更為明顯。

1.3 油石比的確定

為確定最佳油石比,本文采用馬歇爾試驗(yàn)方法,并根據(jù)已確定的施工溫度制作試件。最佳油石比的選取見表5所列。

表5 溫拌瀝青混合料油石比 單位:%

2 混合料路用性能分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

為評(píng)價(jià)混合料高溫穩(wěn)定性,采用車轍試驗(yàn),利用動(dòng)穩(wěn)定度并結(jié)合相對(duì)變形率對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-15],實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。動(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形率的比值K如圖3所示。

由圖2可知,相對(duì)變形率與動(dòng)穩(wěn)定度的變化趨勢(shì)大致相反,僅采用動(dòng)穩(wěn)定度為唯一指標(biāo)來評(píng)價(jià)高溫性能是不準(zhǔn)確的,因此以相對(duì)變形率作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)混合料的高溫性能。由圖2、圖3可知,加入2種溫拌劑后,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯提高,K值總體上也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。2種溫拌劑對(duì)混合料的高溫性能均有較明顯的改善。尤其是Sasobit溫拌劑的加入,使SK90及其改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升70.9%和27.4%,且從K值可看出，加入Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青混合料與其他混合料相比具有更好的性能。但與Sasobit溫拌劑相比,Aspha-min對(duì)混合料的高溫抗車轍性能提升作用并不突出。

圖2 溫拌瀝青車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形率

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形率比值K

溫拌劑的加入在一定程度上可提高瀝青的軟化點(diǎn),因此瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會(huì)隨著溫拌劑的加入而得到提升,特別是加入Sasobit溫拌劑,提升幅度較大，Sasobit所吸附的瀝青中的飽和組分隨著瀝青溫度的降低逐漸析出,與瀝青中未被熔化的Sasobit形成網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu),這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得瀝青在高溫時(shí)的流動(dòng)性降低,從而使混合料的穩(wěn)定性得到一定的提升,抗車轍性能也隨之提升;但是此種溫拌劑為一種固體石蠟,過多的蠟會(huì)導(dǎo)致瀝青在高溫時(shí)發(fā)軟,混合料的高溫穩(wěn)定性由此降低進(jìn)而出現(xiàn)車轍等病害,因此Sasobit的摻量須控制在一定范圍內(nèi),才能使混合料獲得良好的高溫性能,過高的摻量會(huì)使高溫性能大幅下降。

2.2 低溫抗裂性

為評(píng)價(jià)溫拌瀝青混合料的低溫性能,選用彎曲破壞試驗(yàn)以及彎曲蠕變?cè)囼?yàn)[16]。在最佳油石比下制備出溫拌瀝青混合料小梁試件,得到的最大彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D4所示，勁度模量如圖5所示。

圖4 溫拌瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變

圖5 溫拌瀝青混合料勁度模量

從圖4可以看出,6種瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但與SK90及其改性瀝青混合料相比,在其中摻入Aspha-min溫拌劑使其最大彎拉應(yīng)變分別降低了3.8%和1.4%,在其中摻入Sasobit溫拌劑使其最大彎拉應(yīng)變分別降低了13.5%和8.3%。

由圖5可知，在對(duì)SK90采用Sasobit進(jìn)行溫拌改性會(huì)使瀝青混合料的勁度模量有所下降,但Sasobit使得SBS改性瀝青混合料的勁度模量提高了7.7%;Aspha-min溫拌劑使得SK90及其改性瀝青混合料的勁度模量分別提高了4.3%和1.2%。

綜上所述,對(duì)于混合料的低溫性能2種溫拌劑的加入都無明顯改善作用,摻入Aspha-min溫拌劑的瀝青混合料低溫性能略優(yōu)于Sasobit溫拌劑,2種溫拌劑改性后的混合料與基質(zhì)瀝青混合料相比,其低溫性能滿足路面正常使用。

低溫條件下瀝青的柔性主要由瀝青中極性分子以及具有直鏈與環(huán)狀基團(tuán)分子的含量、類型以及自由度所決定。而Sasobit溫拌劑幾乎不能與其結(jié)合成晶體,因此Sasobit的加入對(duì)瀝青的低溫性能沒有明顯改善,且由于Sasobit中含有的異烷烴具有支鏈,其含量過大會(huì)對(duì)瀝青的低溫性能造成不利影響,使橡膠瀝青往變硬變脆的方向發(fā)展,瀝青的低溫延度便出現(xiàn)降低的趨勢(shì),加入Sasobit溫拌劑后混合料的低溫性能出現(xiàn)較為明顯的下降，而Aspha-min溫拌劑中所含的水會(huì)在瀝青中產(chǎn)生細(xì)小的噴霧,使得瀝青的體積膨脹,較低溫度下的和易性也有所提升,因此使用其進(jìn)行改性的瀝青混合料低溫性能略優(yōu)于Sasobit溫拌劑改性的,但使用Sasobit溫拌劑改性的SBS改性瀝青混合料滿足路面使用要求。

2.3 抗疲勞性能

本文對(duì)溫拌瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行研究,采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),并進(jìn)行二次疲勞加載試驗(yàn),以對(duì)溫拌瀝青混合料的自愈合性能進(jìn)行研究。混合料的應(yīng)變與疲勞壽命擬合曲線如圖6所示。

圖6 應(yīng)變疲勞壽命擬合曲線

由圖6可知,隨著瀝青混合料應(yīng)變水平的增加,其疲勞壽命持續(xù)下降。在瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑后,會(huì)略微增加瀝青混合料的疲勞壽命;而加入Aspha-min溫拌劑,疲勞壽命略有下降。這表明對(duì)于瀝青混合料的抗疲勞性能,Sasobit溫拌劑使用后其有所提升。由于在改性瀝青中加入Sasobit溫拌劑能較好地提高其低溫黏度,其抗疲勞性能可得到改善;而Aspha-min溫拌劑對(duì)其略有不利。

在加載應(yīng)變?yōu)?00×10-6的條件下,進(jìn)行二次加載試驗(yàn),其初始勁度模量和疲勞壽命變化如圖7、圖8所示。

圖7 瀝青混合料愈合前后初始勁度模量

圖8 瀝青混合料自愈合前后疲勞壽命

從圖7可以看出,瀝青混合料中加入Aspha-min溫拌劑,初次加載后的初始勁度模量都有增加;自愈合后,基質(zhì)瀝青的初始勁度模量略有增加,而改性瀝青則略有下降。加入Sasobit溫拌劑,使得混合料初次加載和自愈合后的初始勁度模量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

從圖8可以看出,加入Aspha-min溫拌劑的混合料在自愈合后,與初次加載時(shí)相比,其疲勞壽命略有縮短;而Sasobit溫拌劑提高了瀝青混合料初次加載和自愈合后的疲勞壽命。結(jié)果表明,加入Aspha-min溫拌劑的瀝青混合料在自愈合后,瀝青混合料初始勁度模量和疲勞壽命均略有降低;而瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑,疲勞壽命和初始勁度模量均呈上升趨勢(shì),因此在瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑,可以提高自愈合能力。

出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是:隨著瀝青混合料中加入的Aspha-min溫拌劑所釋放的水分逐漸揮發(fā),瀝青混合料中會(huì)逐漸產(chǎn)生一些微小裂縫;而瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑后,會(huì)增加黏結(jié)能力,隨著瀝青混合料試件溫度的上升,瀝青混合料逐漸軟化形成固-液二相膠體材料,提高的黏結(jié)性能使得瀝青混合料勁度模量和疲勞壽命也有所提高。

溫拌瀝青混合料與熱拌混合料相比更容易受潮,Aspha-min和Sasobit 2種溫拌劑使得混合料的水穩(wěn)定性都有著不同程度的下降[17],摻入Sasobit的混合料抗水損害性能滿足規(guī)范要求,而Aspha-min使得混合料水穩(wěn)定性下降較多,達(dá)不到規(guī)范要求[18]。但在實(shí)際工程中,抗剝落劑的使用可以有效降低水分損害,因此摻入溫拌劑后瀝青混合料各方面性能可滿足使用要求[19]。

3 結(jié) 論

本文通過比較加入的瀝青混合料與未經(jīng)過溫拌劑改性的瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和抗疲勞性能,得出以下結(jié)論:

(1) Aspha-min、Sasobit 2種溫拌劑均可提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能,但同時(shí)又都對(duì)低溫抗裂性較為不利,此外Sasobit溫拌劑可以提高瀝青混合料的疲勞性能;總體上在SBS改性瀝青中加入2種溫拌劑,其路用性能滿足規(guī)范要求。

(2) 在瀝青混合料中加入溫拌劑后最大彎拉應(yīng)變略有下降,而勁度模量增加。2種溫拌劑的摻入不能提升混合料的低溫性能,反而略有不利。但在SBS改性瀝青混合料中加入溫拌劑,其低溫性能滿足路面使用要求。

(3) Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青混合料施工溫度的降低效果以及高溫穩(wěn)定性的改善效果顯著優(yōu)于Aspha-min溫拌劑,且Sasobit溫拌劑能夠提高瀝青混合料的抗疲勞性能,SBS改性瀝青混合料中摻入Sasobit溫拌劑可獲得性能優(yōu)良的溫拌瀝青混合料。