溶劑型冷補瀝青黏度特性研究

劉洪波,唐 垚,田 宇,安 兵,陳 瑤

(1.黑龍江大學 建筑工程學院,哈爾濱 150080;2.黑龍江大學 水利電力學院,哈爾濱 150080)

0 引 言

當今我國正處于經濟建設高質量發展階段,其中交通運輸體系為中國經濟發展增添了無限新動能,而瀝青混凝土路面廣泛應用于國家公路交通運輸體系中。瀝青混凝土路面在使用年限內易出現裂縫、松散和坑槽等病害,如果不進行及時的修補養護,病害部位將在車輛沖擊荷載的持續作用下繼續擴大,致使路面大面積受損,這對行車舒適性和安全性均會產生嚴重影響。因此,對道路坑槽部位進行及時的修補養護是十分必要的。冷補瀝青混合料不受環境溫度影響,可在任何天氣和環境下正常對路面進行修補作業,且施工作業時無需現場加熱拌和,不會產生瀝青黑煙和粉塵,可節約大量不可再生能源,同時減少水蒸汽等溫室氣體的排放[1]。

冷補瀝青的黏度是一個重要的性能指標,它直接影響冷補瀝青的施工性能和使用壽命。目前,國內外在冷補瀝青黏度方面做了較多研究。國內研究主要集中在不同添加劑對冷補瀝青黏度的影響上。例如,張鳳嬌等通過添加SBS改性瀝青來改善冷補瀝青的黏度,并研究了不同添加劑比例下的黏度變化規律[2]。另外,針對不同地區的氣候條件,楊帆等也探討了冷補瀝青黏度的變化規律,通過分析不同地區的氣候變化規律,提出了一種基于溫度變化的冷補瀝青黏度預測模型[3]。

國外對于冷補瀝青黏度的研究主要集中在材料的性能測試上。比如,一些研究通過使用旋轉黏度計等設備,研究了冷補瀝青黏度與溫度和切變速率等因素的關系[4]。一些研究還使用納米技術[5]等新型技術手段,探究了不同材料對于冷補瀝青黏度的影響[6]。總而言之,關于冷補瀝青黏度的研究主要涉及材料的改性和氣候條件變化等。將新型技術手段應用于該領域的研究中,將會為冷補瀝青的性能改進以及未來的研究方向提供重要的參考。

黏度是表征冷補瀝青施工和易性的重要指標,黏度特性研究對冷補瀝青配合比設計具有極其重要的意義。本研究利用溶劑型冷補瀝青的設計原理及相關技術,優選0#柴油、航空煤油和科寧冷補添加劑等材料,采用單一變量法分別研究稀釋劑類型、試驗溫度、恒溫時長、稀釋劑摻量和添加劑摻量對冷補瀝青黏度的影響規律,并借助黏度和黏附性等試驗完成冷補瀝青配合比的設計。

1 冷補瀝青的制備及試驗方案

1.1 冷補瀝青的制備

以盤錦油田90#瀝青為基質瀝青,選用0#柴油和航空煤油兩種不同類型的溶劑作為稀釋劑,加入科寧冷補添加劑制備溶劑型冷補瀝青。冷補瀝青制備工藝：將瀝青在135 ℃下加熱至融化流動狀態,按比例加入稀釋劑,使用高速剪切乳化機持續剪切30 min;控制瀝青溫度保持在(100±10) ℃,并按比例外摻科寧添加劑,繼續剪切30 min,完成冷補瀝青的制備。試驗過程中應嚴格注意試驗溫度,過高的溫度不僅會導致冷補瀝青提前“老化”,還會造成大量稀釋劑提前揮發。

為優化瀝青、稀釋劑和冷補添加劑的摻配比例,試配了不同配比的冷補瀝青,測試其黏度。黏度測試參照中華人民共和國交通行業標準JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的T 0625-2011《瀝青旋轉黏度試驗(布洛克菲爾德黏度計法)》,采用上海昌吉地質儀器有限公司制造的NDJ-1C型布氏旋轉黏度計測試試樣的旋轉黏度[7]。瀝青和稀釋劑各項技術指標如表1和表2所示。

表1 盤錦油田90#瀝青基本技術指標Table 1 Basic technical index of 90# asphalt in Panjin Oilfield

表2 稀釋劑基本技術指標Table 2 Basic technical index of diluents

1.2 試驗方案

1.2.1稀釋劑種類及試驗溫度對冷補瀝青黏度的影響試驗

分別將0#柴油和航空煤油作為冷補瀝青稀釋劑加入瀝青中,測試試樣在25、40、60和80 ℃下的黏度。參照JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》制作馬歇爾試件,結合其初始強度和殘留度測試結果,確定本文冷補瀝青應該選用的稀釋劑種類,并分析試驗溫度對冷補瀝青黏度的影響規律。其中,為排除稀釋劑和添加劑摻量對冷補瀝青黏度的影響,試樣稀釋劑和科寧冷補添加劑摻量均為定值,分別為冷補瀝青質量的20%和2%。

1.2.2恒溫時長對冷補瀝青黏度的影響試驗

在分析不同試驗溫度對冷補瀝青黏度的影響規律的基礎上,進一步探究恒溫條件下冷補瀝青的黏度隨恒溫時長的變化規律,設計的試驗方案如圖1所示,測試柴油摻量為25%,試樣在40和60 ℃恒溫條件下放置1、2、3、4、5及6 h的黏度,研究恒溫時長對冷補瀝青黏度的影響規律。

圖1 試驗方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of test protocol

為保證冷補瀝青內部稀釋劑正常持續的揮發,試驗過程中將冷補瀝青均勻平鋪在淺盆當中,然后分別置于40和60 ℃的恒溫箱中保存,每隔一個小時取一次樣,依照黏度試驗方法測試試樣黏度。試驗期間冷補瀝青應始終置于恒溫箱中,盡可能減小冷補瀝青的溫度波動。

1.2.3稀釋劑摻量對冷補瀝青黏度的影響試驗

測試航空煤油摻量分別為15%、20%和25%時,試樣在25 ℃下的黏度,并與柴油摻入量分別為15%、20%和25%時試樣在25 ℃下的黏度進行對比,研究稀釋劑摻量對冷補瀝青黏度的影響規律[8],并確定應該選用的稀釋劑種類及其摻量,其中試樣的科寧冷補添加劑摻量均為2%。

1.2.4添加劑摻量對冷補瀝青黏度的影響

測試科寧冷補添加劑摻量分別為1%、2%和3%時,試樣在25、40、60和80 ℃下的黏度,借助其對冷補瀝青混合料的初始強度和黏附性的影響結果,研究科寧冷補添加劑摻量對冷補瀝青黏度的影響規律,并確定應該選用的科寧冷補添加劑的摻量。

2 結果與分析

2.1 稀釋劑種類及試驗溫度對冷補瀝青黏度的影響

研究了稀釋劑種類及試驗溫度對冷補瀝青黏度的影響,試驗結果如圖2所示。由圖2可知,盡管0#柴油和航空煤油均能有效降低冷補瀝青的黏度,但兩者對冷補瀝青的黏度影響程度有所不同。當測試溫度從25 ℃升至40 ℃時,0#柴油對于冷補瀝青黏度的影響比航空煤油影響更大,黏度下降更快;溫度繼續升高,兩種類型的冷補瀝青下降速度均有所放緩;在整個試驗過程中,以0#柴油為稀釋劑的冷補瀝青的黏度均高于航空煤油,且兩者之間的差距隨溫度的升高不斷減小。

圖2 黏-溫曲線Fig.2 Viscosity temperature curves

在測定冷補瀝青黏度的基礎上,分別使用兩種類型稀釋劑的冷補瀝青制備冷補瀝青混合料,并參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》制作馬歇爾試件,測試其初始強度和殘留率,結果如表3所示。結果表明,以0#柴油為稀釋劑的冷補瀝青在常溫下黏度過高,導致施工和易性較差,不利于冷補瀝青混合料的壓實。而選用航空煤油作為冷補瀝青稀釋劑,可以保證施工和易性,且能小幅改善冷補瀝青混合料的初始強度與黏聚性[9]。

表3 不同稀釋劑試驗結果Table 3 Test results of different diluents

考慮到冷補瀝青日常施工作業溫度等因素,從試驗溫度對冷補瀝青黏度影響的角度對圖2中40～80 ℃的試驗數據進行分析,發現冷補瀝青的黏度與溫度存在一定的關系,可以表達成如下形式：

ηt=Aoe-kt

(1)

式中：ηt表示冷補瀝青的黏度;Ao表示與冷補瀝青自身性質相關的常數;k為常數,反映溫度對冷補瀝青黏度的影響。擬合得到的參數如表4所示。

表4 擬合關系參數Table 4 Fitting relationship parameters

由表4可知,公式的相關系數均在0.99以上,公式擬合度高,可以較為準確地描述冷補瀝青黏度與溫度之間的關系[10]。同時,溫度對柴油和航空煤油的黏度影響規律基本一致,相差不大。

因此,可以通過黏溫曲線計算冷補瀝青流動所需的活化能,計算公式如下：

η=Ae[Ea/RT]

(2)

式中：Ea表示流動所需活化能(kJ·mol-1);A為指前因子;T為絕對溫度(K),T=273.15+t;R表示速率常數,取值為8.314 J·(mol·K)-1。

式(2)可轉換為以下形式：

(3)

由表4的數據可得到lnη與1/T之間的關系,結果如圖3所示。lnη與1/T之間呈現線性關系,相關系數R2均在0.99以上。由圖3以及公式可以得到冷補瀝青流動所需要的活化能,其為擬合直線的斜率與R值的乘積。因此,冷補瀝青流動所需要的活化能分別為69.458和68.552 kJ·mol-1。故以柴油為稀釋劑的冷補瀝青流動所需的能量壁壘更高。

圖3 lnη與1/T關系圖Fig.3 Plots of lnη versus 1/T

2.2 恒溫時長對冷補瀝青黏度的影響

研究了恒溫時長對冷補瀝青黏度的影響規律,試驗結果如圖4所示。研究結果表明,在恒定溫度條件下,隨著恒溫時長的增加,冷補瀝青的黏度呈線性增長趨勢,且相較于40 ℃,60 ℃恒溫條件下的冷補瀝青黏度增長速率更快,這主要歸因于溫度越高,稀釋劑的揮發速度越快。探究恒溫時長對冷補瀝青黏度的影響規律對冷補瀝青的長期儲存穩定性具有一定的意義。

圖4 恒溫時長對冷補液黏度的影響Fig.4 Effect of holding time at constant temperature on the viscosity of cold replenishment solution

2.3 稀釋劑摻量對冷補瀝青黏度的影響

研究了稀釋劑摻量對冷補瀝青黏度的影響規律,試驗結果如圖5和圖6所示。研究結果表明,隨著稀釋劑摻量的增加,冷補瀝青的黏度急劇下降,以航空煤油為例,當稀釋劑摻量為15%時,冷補瀝青的黏度為106.00 Pa·s,當航空煤油的摻量增加至20%時,冷補瀝青的黏度迅速下降至29.50 Pa·s。一般來說,普通瀝青結合料黏度為283 Pa·s時,壓實性能較好。由圖3和圖4可知,選用20%摻量的航空煤油和25%摻量的柴油,冷補瀝青黏度分別為29.5和19.8 Pa·s,拌和時冷補瀝青混合料均能達到較好的壓實性。

圖5 航空煤油摻量對冷補瀝青黏度的影響Fig.5 Effect of aviation kerosene dosage on the viscosity of cold patch asphalt

圖6 柴油摻量對冷補瀝青黏度的影響Fig.6 Effect of diesel fuel dosage on the viscosity of cold patch asphalt

此外,當稀釋劑摻量過大時,盡管其具有更好的施工和易性和長期儲存穩定性[11],但冷補瀝青混合料成型時間將大幅度延長,且混合料黏聚力較差,延長開放交通的時間。

2.4 添加劑摻量對冷補瀝青黏度的影響

研究了不同科寧冷補添加劑摻量對冷補瀝青黏度的影響規律,試驗結果如表5所示。研究結果表明,科寧冷補添加劑的加入提高了冷補瀝青混合料的施工和易性,極大地改善了冷補瀝青與集料之間的黏附性,加速了冷補料初期強度的形成。在滿足混合料初始強度要求的前提下,適當增加添加劑摻量,可以獲得更好的黏附性[12]。因此,選擇摻入20%的航空煤油作為稀釋劑,同時外摻2%的科寧冷補添加劑制備冷補瀝青。

表5 不同添加劑摻量試驗結果Table 5 Test results of different additive dosing

3 結 論

(1) 稀釋劑能夠有效降低瀝青膠漿的黏度,且不同類型的稀釋劑對冷補瀝青黏度的影響有所不同。選用航空煤油作為冷補瀝青稀釋劑,可以在保證施工和易性的基礎上,小幅改善冷補瀝青的初始強度與黏附性;

(2) 溫度對柴油和航空煤油旋轉黏度的影響規律基本一致,即冷補瀝青的黏度隨著溫度的升高而下降。通過黏溫曲線可知,以柴油為稀釋劑的冷補瀝青流動所需的能量壁壘較高。在恒定溫度條件下,冷補瀝青的黏度隨著恒溫時長的增加呈線性增長趨勢。相較于40 ℃,60 ℃恒溫條件下的冷補瀝青黏度增長速率更快;

(3) 科寧冷補添加劑有效提高了冷補瀝青混合料的施工和易性,極大地改善了冷補瀝青與集料之間的黏附性,加速了混合料初期強度的形成。