振動作用對改性瀝青性能的影響試驗研究

段躍華，李正華，汪 政

(1.廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

為了增強水泥砂漿的攪拌效果，從20世紀(jì)30年代開始，國外相繼開展振動攪拌技術(shù)的研究[1]。我國在振動攪拌領(lǐng)域的研究開始于20世紀(jì)90年代初。馮忠緒等將攪拌理論研究與攪拌設(shè)備的開發(fā)有機結(jié)合起來，不僅解決了振動攪拌理論機理問題，還解決了工程應(yīng)用問題。其團隊率先發(fā)明了一種連續(xù)式振動攪拌機，并建立完善了不同形式振動攪拌的理論體系，還申請了雙臥軸式及立軸式振動攪拌機的發(fā)明專利[2-5]。馮建生等[6]研究了振動攪拌對C20、C30、C40不同配合比混凝土性能的影響，在其他試驗條件皆相同的情況下，進行不同配合比混凝土的振動攪拌與常規(guī)攪拌的對比試驗。結(jié)果表明，振動攪拌混凝土能使坍落度降低，同時使得混凝土的保水性與粘聚性更好；振動攪拌也能使混凝土含氣量有所提高，強度也比普通攪拌的提高10%以上。施洲輝等[7]通過分析現(xiàn)有攪拌技術(shù)的不足，將振動攪拌應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石的生產(chǎn)，在試驗中分別生產(chǎn)兩種不同配合比的水泥穩(wěn)定碎石，檢測其不同條件下的性能，對比分析得出振動攪拌技術(shù)生產(chǎn)的水泥穩(wěn)定碎石各方面性能都要優(yōu)于傳統(tǒng)攪拌技術(shù)生產(chǎn)的水穩(wěn)碎石。董晨希等[8]使用EDEM離散元軟件進行仿真分析，研究了雙臥軸攪拌機在不同攪拌方式下對混合料攪拌均勻性的影響。結(jié)果顯示，相較于普通攪拌，振動攪拌混合料的均勻性更佳，是一種更優(yōu)異的攪拌方式。

但現(xiàn)階段在土木工程行業(yè)內(nèi)，振動攪拌技術(shù)大多應(yīng)用于水泥混凝土、水泥穩(wěn)定碎石或級配碎石的生產(chǎn)，對應(yīng)用于瀝青及瀝青混合料振動攪拌技術(shù)的研究則相對較少。然而瀝青作為瀝青混合料中的膠結(jié)材料，其性能關(guān)系到瀝青路面的使用性能及耐久性。瀝青一方面與集料裹覆混合，另一方面則是潤滑混合料，使混合料更易攪拌均勻，所以制作混合料時瀝青的黏度不能太高；而鋪筑碾壓形成路面后，瀝青要形成強度穩(wěn)固的混合料，所以瀝青的黏度也不能太低[9-10]。同時，加熱攪拌混合料前后，瀝青的針入度、軟化點及延度等指標(biāo)不能有太大變化，應(yīng)滿足工程的實際需要。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，分析振動攪拌對四種改性瀝青性能的影響，為振動攪拌技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗原理

目前流體力學(xué)理論中的流體可分成兩大類，即牛頓流體與非牛頓流體[11]。其中，非牛頓流體又可分為假塑性流體與脹流性流體。假塑性流體的黏度隨著剪變率的增大而減小，也被稱為“剪切變稀”流體。觸變性流體在固定不變的剪變率下，其黏度隨著剪切時間的增加而降低，故觸變性流體屬于假塑性流體的一種類型[12-13]。而熔融狀態(tài)的瀝青材料，特別是聚合物改性瀝青材料具有假塑性流體中觸變性流體的特性，即隨著剪切時間的增加黏度降低，出現(xiàn)“剪切變稀”的現(xiàn)象，這就使得瀝青能在溫度不變的狀態(tài)下而黏度降低[14]。本文主要依據(jù)此原理進行瀝青振動攪拌的研究。

1.1 試驗設(shè)備

本試驗設(shè)備主要采用現(xiàn)有的振動臺及布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀進行改進并結(jié)合。振動臺為北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司的WS-Z30-50小型精密振動臺，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀為美國博勒飛公司的DV2T觸屏式旋轉(zhuǎn)黏度儀并搭配其RV型轉(zhuǎn)子使用。使用該振動臺與布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀組成一套能給瀝青施加不同振動效果，并在振動狀態(tài)下實時控溫測試瀝青樣品表觀黏度的裝置。

表1 WS-Z30-50小型振動臺基本指標(biāo)參數(shù)表

1.2 試驗方法

為探究在普通攪拌中加入振動作用對瀝青膠結(jié)料產(chǎn)生的影響，本試驗選用中遠海運的Ⅰ型高黏改性瀝青及中遠海運的Ⅱ型高黏改性瀝青作為研究對象，并增加殼牌SBS改性瀝青及殼牌SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青兩個樣品作為對比研究。

在振動黏度試驗中，振動臺帶動保溫爐及瀝青容器進行往復(fù)運動，容器壁與容器底來回推動、摩擦瀝青，通過壓力與摩擦力帶動瀝青運動。因此，振動對熔融狀態(tài)瀝青的作用可表現(xiàn)為空間剪切作用，由此來模擬在振動攪拌中振源帶動瀝青及礦料運動，礦料及瀝青又推動其附近的瀝青剪切運動，進而研究在普通攪拌中加入振動作用對瀝青產(chǎn)生的影響。此外，還對四種改性瀝青樣品振動前后的針入度、軟化點及延度進行對比研究，以確保加入振動作用后制備的瀝青混合料其瀝青的質(zhì)量指標(biāo)不會改變。

2 振動前后改性瀝青黏度對比研究

由于實際生產(chǎn)中振幅固定為2 mm，且加入瀝青后混合料的振動攪拌時間為90 s。為了在90 s內(nèi)充分利用振動降黏的效果，選擇以上試驗確定的最佳振動溫度及最佳振動頻率且振幅為2 mm的試驗參數(shù)進行試驗，研究這四種改性瀝青樣品在90 s內(nèi)的振動黏度與時間的關(guān)系。試驗結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 振動時間與黏度的關(guān)系曲線圖

本試驗參數(shù)為：溫度175 ℃，振動頻率40 Hz，振幅2 mm。由圖1可知，在未施加振動作用時，這四種改性瀝青的黏度關(guān)系為：Ⅱ型高黏改性瀝青>SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青>Ⅰ型高黏改性瀝青>SBS改性瀝青，且Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青黏度相近，遠大于Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青。隨著振動作用的加入，前10 s四種改性瀝青的黏度略微下降；在振動10 s之后，四種改性瀝青樣品的黏度隨著振動時間的增加而急速下降；在振動時間達70 s后四種改性瀝青的黏度變化趨于恒定。由于在振動的10～70 s，Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的降黏幅度較大，所以在70 s后SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的黏度與Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青的黏度相當(dāng)，Ⅱ型高黏改性瀝青的黏度也降至與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青黏度相近。

由圖2的降黏率與振動時間的關(guān)系也可看出，四種改性瀝青都表現(xiàn)出明顯的觸變性，即在恒定的振動剪切條件下其黏度都隨著時間的增加而降低。振動10 s后四種改性瀝青的降黏率都在大幅提高，且Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的降黏率增長相對較快，其降黏率明顯高于Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青。這也是其黏度能在70 s后降至與Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青相近的原因。在本試驗條件下，這四種改性瀝青的降黏率都在70 s后趨于穩(wěn)定。

圖2 振動時間與降黏率的關(guān)系曲線圖

3 振動前后改性瀝青基本性能對比研究

由以上試驗可知，在瀝青混合料攪拌時加入振動作用，能在不提高溫度的情況下進一步降低瀝青的黏度，增強瀝青的流動性，使瀝青與集料混合更均勻，裹覆更充分，提高瀝青混合料攪拌生產(chǎn)的質(zhì)量。在瀝青混合料鋪筑形成路面之后，瀝青起著粘結(jié)穩(wěn)固集料的作用。雖然振動作用停止后，瀝青的黏度會逐漸恢復(fù)，但振動降黏過后是否會對瀝青的基本性能指標(biāo)產(chǎn)生不利的影響，目前尚未研究。

本文通過瀝青的三大指標(biāo)性能試驗，即針入度試驗、軟化點試驗、延度試驗，對振動作用前后的瀝青樣品進行檢測，并對比其數(shù)據(jù)，探究振動作用過后瀝青的基本性能是否會受到影響，從而改變其路面的使用性能。

3.1 針入度對比試驗

本試驗使用上海昌吉公司的SYD-2801F針入度試驗儀，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0604方法在25 ℃、5 s、100 g條件下進行試驗。對本研究所使用的四種改性瀝青分別進行三次采樣，即振動黏度試驗前、振動黏度試驗后1 h和振動黏度試驗后24 h，以進行后續(xù)的對比研究。在振動黏度試驗前抽取部分樣品澆筑試樣進行測試；振動黏度試驗后，將經(jīng)過振動作用且保持熔融狀態(tài)的瀝青樣品放入烘箱中，175 ℃保溫1 h后澆筑兩次試驗用量的試樣，一部分立即開始試驗，模擬振動攪拌出料后現(xiàn)場攤鋪碾壓時的瀝青狀態(tài)；另一部分在室溫中保存24 h后開始試驗，模擬振動攪拌出料后路面鋪筑完成開始通車使用時的瀝青狀態(tài)。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 針入度試驗結(jié)果對比柱狀圖

由圖3可知，樣品SBS改性瀝青、Ⅰ型高黏改性瀝青、Ⅱ型高黏改性瀝青及SAMⅠ-Ⅱ改性瀝青振動試驗前針入度分別為54(0.1 mm)、47(0.1 mm)、39(0.1 mm)及88(0.1 mm)；在振動試驗后1 h分別為51(0.1 mm)、44(0.1 mm)、37(0.1 mm)及83(0.1 mm)；在振動試驗后24 h分別為51(0.1 mm)、43(0.1 mm)、38(0.1 mm)及83(0.1 mm)。對比發(fā)現(xiàn)，每種改性瀝青的針入度值變化并不大，針入度值下降范圍都在5%～9%。這表明，在撤掉振動作用保溫靜置的1 h里，改性劑及瀝青膠團的重構(gòu)能恢復(fù)其性能，不會對瀝青針入度產(chǎn)生太大影響，反而由于振動試驗的重復(fù)加熱會使得瀝青老化，導(dǎo)致針入度降低。

3.2 軟化點對比試驗

本試驗使用上海昌吉公司的SYD-2806G全自動瀝青軟化點試驗儀，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0606方法進行試驗。采樣及樣品保存方式與上述方法一致，對四種改性瀝青分別進行三次采樣，驗證其施工狀態(tài)及路面使用狀態(tài)的性能。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 軟化點試驗結(jié)果對比柱狀圖

由圖4可知，四種經(jīng)過振動試驗的改性瀝青樣品在1 h及24 h后其軟化點值與振動作用之前變化不大，雖然試驗數(shù)據(jù)有±1 ℃的變化，但這符合規(guī)范中正常試驗結(jié)果波動范圍。由此可知，攪拌時的振動作用不會對施工時及路面正常使用時的瀝青軟化點性質(zhì)造成影響。

3.3 延度對比試驗

本試驗使用上海昌吉公司的SYD-4508C瀝青延度試驗儀，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0605方法在5 ℃、5 cm/min條件下進行試驗。試樣采集制作和保存處置在采樣澆筑制作針入度對比試驗樣品時一同進行，也是分三個時段分別采樣澆筑，模擬不同的瀝青工況進行試驗，驗證其施工狀態(tài)及路面使用狀態(tài)的性能。試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 延度試驗結(jié)果對比柱狀圖

分析圖5可知，試驗中四種改性瀝青樣品在經(jīng)過振動作用后延度值變化不大，雖然都表現(xiàn)出略有下降的趨勢，推測是振動黏度試驗時反復(fù)加熱瀝青導(dǎo)致的熱老化使得延度略有降低，但都符合規(guī)范中再現(xiàn)性試驗變化幅度在30%以內(nèi)的規(guī)定。由此分析，振動攪拌時的振動作用不會對混合料施工時及路面使用時的瀝青延度造成太大影響。

由以上瀝青三大指標(biāo)對比試驗結(jié)果可知，試驗中的這四種改性瀝青都表現(xiàn)出明顯的觸變性，即在受到振動產(chǎn)生空間剪切作用時，改性劑及瀝青膠團解纏和較弱化學(xué)鍵斷裂的程度大于重構(gòu)的程度，所以導(dǎo)致黏度降低，瀝青變軟且流動性增加。但振動作用停止后，改性劑及瀝青膠團重構(gòu)的程度大于解纏和較弱化學(xué)鍵斷裂的程度，所以瀝青黏度恢復(fù)，各項性能指標(biāo)與振動之前相差不大。這體現(xiàn)了觸變性流體的結(jié)構(gòu)可逆變化，在外力對該流體施加作用時其結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，而停止作用力后，該觸變性流體的結(jié)構(gòu)又能逐漸恢復(fù)[15-18]。因此，在普通攪拌中加入振動作用不會對路面施工及后續(xù)使用過程中的瀝青性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

4 結(jié)語

本文首先通過自制的振動黏度試驗裝置對研究選用的四種改性瀝青進行振動黏度試驗，研究了這四種改性瀝青下降黏率與振動時間的關(guān)系；接著結(jié)合實際路面生產(chǎn)情況模擬瀝青所處的不同時段，通過針入度試驗、軟化點試驗及延度試驗，分別對振動黏度試驗前、振動黏度試驗后1 h及振動黏度試驗后24 h的四種改性瀝青進行三大指標(biāo)對比試驗。得到以下主要結(jié)論：

(1)在恒定的振動作用下四種改性瀝青的黏度都隨著振動時間的增加而降低，且在此振動條件下Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的降黏率遠高于Ⅰ型高黏改性瀝青及SBS改性瀝青。

(2)在振動溫度為175 ℃、頻率為40 Hz及振幅為2 mm的條件下，四種改性瀝青的黏度都能在70 s內(nèi)降至恒定值，滿足實際生產(chǎn)中此條件下振動攪拌90 s內(nèi)瀝青黏度降至最低的要求，充分發(fā)揮了降黏效果。

(3)本研究中四種改性瀝青振動前后的三大指標(biāo)對比試驗表明，受振動作用后瀝青的三大指標(biāo)性能變化不大。因此瀝青在受到振動作用時黏度降低、流動性增強，但不會對瀝青后續(xù)使用的基本性能產(chǎn)生負(fù)面影響。