基于動水沖刷試驗的溫拌高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性研究

黃維蓉，王 嬌，楊玉柱，熊柯霖

(1.重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

我國大約60%的國土面積都遭受不同程度的洪澇災(zāi)害，不透水路面導(dǎo)致路面積水無法順利進入地下土壤，積水嚴(yán)重，瀝青路面因水損害而縮短服役年限。排水瀝青路面可有效防止路面水膜和路表徑流的形成，避免由于路面積水而使駕駛?cè)藛T產(chǎn)生眩光和汽車產(chǎn)生滑移，進而有效提高行車的舒適性和安全性[1-2]。排水瀝青混合料骨架嵌擠的大空隙結(jié)構(gòu)具有連通空隙作用，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致集料間的瀝青黏結(jié)面小，其黏附性、抗剝落性和對集料的包裹性存在缺陷[3-4]，抗水損害能力較差。

張彩利等[5]認(rèn)為瀝青混合料隨著浸水時間延長，其殘留穩(wěn)定度、低溫性能、高溫性能和疲勞性能降低明顯，水損害在較大程度上降低了瀝青混合料的路用性能。Geng等[6]的研究認(rèn)為與傳統(tǒng)瀝青膠結(jié)料和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青膠結(jié)料相比，高黏改性劑(high viscosity additive, HVA)改性瀝青的耐高溫車轍和低溫開裂性能顯著提高。陳晨等[7]在90#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青中添加Evotherm溫拌劑后，抗水損害能力有所改善。高黏瀝青需在高溫下進行拌和施工，對能源消耗和環(huán)境污染都造成了負擔(dān)，而做好“碳達峰、碳中和”已被列為我國的重點任務(wù)之一，所以降低能源消耗、減少環(huán)境污染在工程應(yīng)用中勢在必行。肖益民等[8]提出，使用泡沫溫拌大粒徑排水性瀝青混合料可以實現(xiàn)節(jié)能減排。何騰[9]將瀝青混合料多次凍融循環(huán)后進行凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗，與改進的滲水裝置作對比，結(jié)果表明滲水系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。因此排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性在很大程度上是保證排水瀝青路面抗水損害的關(guān)鍵因素。

為解決普通瀝青用于骨架空隙結(jié)構(gòu)黏聚力差的問題，以及降低CO2排放,保護生態(tài)環(huán)境，本文基于高黏瀝青，加入兩種表面活性型溫拌劑進行改性，得到適用于水損害且拌和溫度更低的溫拌高黏瀝青混合料。重點對溫拌高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行試驗研究，提出一種有效評價瀝青路面水穩(wěn)定性的新試驗方法。

1 實 驗

1.1 原材料

選用175 ℃下布氏黏度為115.6 mPa·s的殼牌70#A級基質(zhì)瀝青進行改性，高黏改性劑為AR-HVA，兩種表面活性型溫拌劑分別為Evotherm M1和Retherm，粗集料為輝綠巖碎石，細集料為石灰?guī)r機制砂，填料為石灰?guī)r礦粉，抗剝落劑采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，并摻入6 mm聚丙烯腈纖維。

1.2 溫拌高黏瀝青制備

首先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的AR-HVA高黏改性劑摻入流動狀態(tài)下的基質(zhì)瀝青中，通過180 ℃油浴鍋對其進行恒溫加熱，同時采用高速剪切機在5 000 r/min轉(zhuǎn)速下恒溫剪切30 min，剪切完成后放入180 ℃烘箱中發(fā)育40 min，制備出AR-HVA高黏瀝青(下文簡稱高黏瀝青)；再通過以上方法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Evotherm M1和Retherm分別與流動狀態(tài)下的高黏瀝青進行恒溫加熱，剪切7 min后制備出Evotherm M1+AR-HVA溫拌高黏瀝青(下文簡稱E-高黏瀝青)和Retherm+AR-HVA溫拌高黏瀝青(下文簡稱R-高黏瀝青)[10-11]。制備出的三種瀝青的各項性能指標(biāo)見表1。

表1 溫拌高黏瀝青的性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of warm-mixed high viscosity asphalts

基質(zhì)瀝青中摻入AR-HVA高黏改性劑后，60 ℃動力黏度接近180 kPa·s，相較于基質(zhì)瀝青的黏度增加了3個數(shù)量級，改善效果十分明顯；基于此，再摻入兩種溫拌劑后，瀝青的動力黏度有所下降，表面活性型溫拌劑會小幅度降低瀝青的低溫黏度，Evotherm M1溫拌劑的效果更為明顯。

1.3 配合比設(shè)計及瀝青用量

圖1 OGFC-13型合成級配曲線Fig.1 OGFC-13 synthetic grading curves

選擇OGFC-13型級配進行排水瀝青混合料配合比設(shè)計，各檔集料質(zhì)量摻比為m(10～15 mm碎石) ∶m(5～10 mm碎石) ∶m(0～3 mm機制砂) ∶m(礦粉) ∶m(水泥)=38% ∶44% ∶15% ∶1.5% ∶1.5%，摻入瀝青用量3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的6 mm聚丙烯腈纖維，設(shè)計合成級配曲線見圖1。試件目標(biāo)空隙率為20%，高黏瀝青混合料在169 ℃擊實下可達最佳空隙率，在該高黏瀝青中加入溫拌劑后，擊實溫度在140～150 ℃之間即可滿足目標(biāo)空隙率，兩種表面活性型溫拌劑可明顯降低高黏瀝青混合料壓實溫度20 ℃左右。因此通過試驗確定高黏瀝青、E-高黏瀝青和R-高黏瀝青的壓實溫度為分別為169 ℃、150 ℃和147 ℃，試件雙面各擊實50次。對該級配下的瀝青混合料進行析漏試驗、飛散試驗、標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗和浸水馬歇爾試驗后，確定最佳瀝青用量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)上述試驗參數(shù)制備OGFC-13型瀝青混合料的馬歇爾試件，通過浸水馬歇爾試驗、肯塔堡浸水飛散試驗、凍融劈裂試驗和凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗對瀝青混合料進行水穩(wěn)定性研究[12]，對比分析高黏瀝青、E-高黏瀝青與R-高黏瀝青對OGFC-13型瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

2.1 浸水馬歇爾試驗分析

對三種高黏瀝青混合料殘留穩(wěn)定度進行研究，制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件(φ101.6 mm×63.5 mm圓柱體)進行浸水馬歇爾試驗，每組共12個平行試件，6個做浸水30 min后的馬歇爾穩(wěn)定度(S)測試，6個做浸水48 h后的馬歇爾穩(wěn)定度(S1)測試，S0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度，試驗結(jié)果取平均值后見表2。

表2 浸水馬歇爾試驗結(jié)果Table 2 Water immersion Marshall test results

由表2可知，R-高黏瀝青混合料殘留穩(wěn)定度最小，高黏瀝青混合料殘留穩(wěn)定度有超100%的現(xiàn)象：其一是由于膠結(jié)料為高黏瀝青，礦粉摻量減少，抗剝落劑摻量增加，導(dǎo)致普通瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的評價方法對該高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性評價失效；其二是由于普通浸水馬歇爾試驗條件不足以對高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。浸水后穩(wěn)定度值更大，這與排水路面實際狀況不符，不能表明浸泡48 h后瀝青混合料穩(wěn)定度更好，而是試驗數(shù)據(jù)離散較大，不具參考價值，由此可見浸水馬歇爾試驗無法合理評價該溫拌高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.2 肯塔堡浸水飛散試驗分析

肯塔堡浸水飛散試驗是用來評價由于瀝青用量或黏結(jié)性不足，在交通荷載作用下路面表層集料脫落而散失的程度[12]，常用于評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對三種高黏瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進行浸水飛散試驗(每組6個)，在60 ℃恒溫水槽中養(yǎng)護48 h，再置于室溫24 h后，稱取試件質(zhì)量，記為m0，進行飛散試驗后殘留試件質(zhì)量為m1，最后計算得到浸水飛散損失率ΔS，試驗結(jié)果取平均值后見表3。

表3 肯塔堡浸水飛散試驗結(jié)果Table 3 Cantabro immersion scattering test results

表3顯示三種高黏瀝青混合料飛散質(zhì)量損失率皆在11%以下，兩種溫拌高黏瀝青混合料浸水飛散損失量相較于高黏瀝青混合料有小幅度降低，表明溫拌劑可提升高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且表面活性型溫拌劑Evotherm M1比Retherm的作用效果更好。

2.3 凍融劈裂試驗分析

制備三種高黏瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件共3組，每組12個，隨機取每組6個試件進行劈裂試驗，得到劈裂抗拉強度RT1，剩下試件經(jīng)凍融循環(huán)后，進行劈裂試驗得到劈裂抗拉強度RT2，通過對比三種高黏瀝青混合料凍融劈裂強度比R，進行排水瀝青路面的水穩(wěn)定性分析，試驗結(jié)果取平均值后見表4。

表4 凍融劈裂試驗結(jié)果Table 4 Freeze-thaw splitting test results

由表4可知，三種瀝青混合料的凍融劈裂強度比差別不大，且都在95%以上，Retherm表面活性型溫拌劑對高黏瀝青混合料的凍融劈裂強度比有所提高，而Evotherm M1對高黏瀝青混合料的凍融劈裂強度比稍有降低作用，但總體來說，試驗結(jié)果區(qū)分不明顯。瀝青混合料產(chǎn)生水損害主要是在外因作用下導(dǎo)致瀝青黏附力與黏聚力的降低[13]，因此凍融劈裂試驗不足以評價該類溫拌高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性。

2.4 凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗分析

基于以上對高黏瀝青排水路面的水穩(wěn)定性研究，表明現(xiàn)行的方法無法有效評價高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性。由于輪胎在積水路面快速通過時產(chǎn)生的真空泵吸作用，激流對瀝青混合料產(chǎn)生極強的動水壓力和沖刷效應(yīng)，進而破壞瀝青與集料的界面黏結(jié)力，導(dǎo)致路面產(chǎn)生水損害[14]，因此既要考慮靜水荷載對混合料的破壞，還需要考慮到動水沖刷作用。基于瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗[12]以及研究現(xiàn)狀[15-17]，參照水工混凝土動水沖刷試驗方法[18]，研究設(shè)計溫拌高黏瀝青混合料的凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗，試驗過程如下：

制備2組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件(對照組與試驗組各6個試件)，對照組用于馬歇爾穩(wěn)定度試驗，試驗組經(jīng)過凍融循環(huán)試驗后，通過高精度河流動力學(xué)水槽試驗系統(tǒng)，根據(jù)路面積水深度和車輛行駛速度設(shè)置在不同沖刷高度(5 cm、10 cm)和沖刷速度(20 L/s、25 L/s、30 L/s)下作用1 d、2 d、3 d后，比較馬歇爾試件的質(zhì)量損失率與劈裂強度比變化，表征凍融循環(huán)與動水沖刷條件下溫拌高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗設(shè)備及過程見圖2。

圖2 高精度河流動力學(xué)水槽試驗系統(tǒng)Fig.2 High-precision river dynamics water tank test system

當(dāng)沖刷高度為5 cm、沖刷速度為20 L/s時，經(jīng)凍融循環(huán)試驗后馬歇爾試件在不同沖刷時間后的試驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 不同沖刷時間的質(zhì)量損失率Fig.3 Mass loss rate of different scouring time

圖4 不同沖刷時間的劈裂強度比Fig.4 Splitting strength ratio of different scouring time

由圖3可見，三種瀝青混合料經(jīng)凍融循環(huán)-動水沖刷耦合作用后，其質(zhì)量損失率隨動水沖刷時間增加而明顯上升，由于集料表面與瀝青產(chǎn)生交互作用，形成了易溶于水的絡(luò)合物，絡(luò)合物會在動水沖刷下被溶解，導(dǎo)致瀝青從集料表面剝落，從而隨著沖刷時間的增加，混合料的質(zhì)量損失越多[19]。沖刷1 d后的質(zhì)量損失率不足1%，經(jīng)過3 d沖刷后質(zhì)量損失率將近4%，且加入溫拌劑可降低該絡(luò)合物的產(chǎn)生，進而有效降低馬歇爾試件的質(zhì)量損失。由圖4可知，凍融循環(huán)-動水沖刷耦合作用前后的劈裂強度比隨著沖刷時間的增加而下降，表明溫拌劑可有效提高受長時間動水沖刷的排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且Retherm表面活性型溫拌劑對混合料凍融循環(huán)-動水沖刷耦合作用后劈裂強度比的提升更明顯。

當(dāng)沖刷高度為5 cm、沖刷時間為3 d時，經(jīng)凍融循環(huán)試驗后馬歇爾試件在不同沖刷速度下的試驗結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 不同沖刷速度的質(zhì)量損失率Fig.5 Mass loss rate of different scouring speeds

圖6 不同沖刷速度的劈裂強度比Fig.6 Splitting strength ratio of different scouring speeds

由圖5、圖6可知，隨著沖刷速度的增加，三種混合料質(zhì)量損失率均上升，劈裂強度比均降低，沖刷速度為20 L/s時，質(zhì)量損失率都在4%以下，劈裂強度比皆在90%左右，當(dāng)沖刷速度為30 L/s時，高黏瀝青混合料的質(zhì)量損失率超過5%，劈裂強度比降至85%以下。摻溫拌劑的混合料劈裂強度比雖有顯著降低但仍優(yōu)于高黏瀝青混合料，表明沖刷速度對溫拌高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響顯著。缺乏可以成鍵的基團，使得在集料表面形成的配位鍵較弱[19]，而溫拌劑可在一定程度上降低由路面積水沖刷速度造成的質(zhì)量損失。摻Evotherm M1溫拌劑的高黏瀝青混合料比高黏瀝青混合料與摻Retherm的高黏瀝青混合料的磨耗率更低，說明表面活性型溫拌劑Evotherm M1對溫拌高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性的提升效果更明顯。結(jié)合圖3～圖6可知，在凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗中，隨著沖刷速度和沖刷時間的增加，質(zhì)量損失率上升2%～3%，劈裂強度比明顯下降5%～7%，在動水沖刷反復(fù)作用下，配位鍵能再次被削減，最后被水替代，沖刷速度越快，配位鍵能被削減得越多[19]。

當(dāng)沖刷速度為30 L/s、沖刷時間為3 d時，經(jīng)凍融循環(huán)試驗后馬歇爾試件在不同沖刷速度下的試驗結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 不同沖刷高度的質(zhì)量損失率Fig.7 Mass loss rate of different scouring heights

圖8 不同沖刷高度的劈裂強度比Fig.8 Splitting strength ratio of different scouring heights

由圖7與圖8可知，高黏瀝青混合料在沖刷高度為5 cm時的質(zhì)量損失率更大，E-高黏瀝青混合料在不同沖刷高度的損失率大致相同，而R-高黏瀝青混合料在沖刷高度為10 cm時的磨耗率更大，其劈裂強度比同樣表現(xiàn)出不規(guī)律的結(jié)果。原因可能是瀝青混合料馬歇爾試件的高度在63.5 mm左右，而沖刷高度在5～10 cm，循環(huán)水流在水流速度足夠大(30 L/s)時，馬歇爾試件皆會被水流沒過，因此沖刷效果差別不明顯，高度對其影響較小。

上述實驗室模擬凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗時，排水瀝青混合料空隙率在20%左右，經(jīng)浸水后空隙內(nèi)部存在較多水分，局部削弱材料性能[20]，再進行凍融時，水結(jié)冰膨脹破壞混合料骨架結(jié)構(gòu)，但高黏瀝青黏結(jié)能力好，使得瀝青混合料不易被破壞，集料表面有一層易溶于水的陽離子膜，當(dāng)水中存在足夠多的陽離子時，會和瀝青中酸性組分產(chǎn)生反應(yīng)，形成新膜，而新膜更容易從集料表面剝落[19]。而在此基礎(chǔ)上再進行動水沖刷，使得集料表面易溶于水的陽離子膜不斷溶于水中，當(dāng)陽離子數(shù)量達到一定值時，會與瀝青中的酸性成分發(fā)生反應(yīng)形成新膜，進而使得瀝青從集料表面脫落，使得其劈裂強度比發(fā)生明顯降低。

綜上所述，推薦采用凍融后沖刷時間3 d、沖刷速度30 L/s、沖刷高度10 cm的條件進行溫拌高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性研究，通過凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗評價溫拌高黏瀝青的水穩(wěn)定性更具合理性。

3 結(jié) 論

(1)三種瀝青混合料中，高黏瀝青混合料殘留穩(wěn)定度最好，但出現(xiàn)超100%的現(xiàn)象，結(jié)果不符合實際。溫拌劑可在一定程度上降低高黏瀝青混合料的浸水飛散損失量，提升高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性。三種瀝青混合料的凍融劈裂強度比都在95%以上，但兩種溫拌劑的作用效果相反，試驗結(jié)果區(qū)分不明顯。因此常用的瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗無法有效評價該溫拌高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

(2)設(shè)計凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗，改變動水沖刷時間、速度和高度，經(jīng)凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合作用后，瀝青混合料質(zhì)量損失率隨動水沖刷時間和沖刷速度的增加而明顯上升，其中質(zhì)量損失率上升2%～3%，劈裂強度比明顯下降5%～7%，經(jīng)過試驗驗證本研究設(shè)計的新試驗方法可有效用于溫拌高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性評價。

(3)對于溫拌高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性，本文推薦采用凍融后沖刷時間3 d、沖刷速度30 L/s、沖刷高度10 cm的試驗條件進行研究。