不同溫拌劑對瀝青粘彈性、疲勞性能的影響*

樊 亮 胡家波 李永鎮(zhèn) 王召強 馬士杰

(高速公路養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室1) 濟南 250031) (山東省交通科學研究所2) 濟南 250031) (青島市市政工程設(shè)計研究院3) 青島 266061)

不同溫拌劑對瀝青粘彈性、疲勞性能的影響*

樊 亮1，2)胡家波1，2)李永鎮(zhèn)1)王召強3)馬士杰1)

(高速公路養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室1)濟南 250031) (山東省交通科學研究所2)濟南 250031) (青島市市政工程設(shè)計研究院3)青島 266061)

利用動態(tài)剪切流變儀評價了3種溫拌劑對瀝青流變性能的影響.結(jié)果表明溫拌劑因為不同的化學組成而對瀝青的流變性能有著不同的影響.Sasobit和Leadcap可以憑借結(jié)晶行為對瀝青產(chǎn)生模量增效效果，改變?yōu)r青的粘彈性結(jié)構(gòu)，并以Sasobit的增效最為顯著；而礦物發(fā)泡型外加劑在6～8%摻量內(nèi)不會帶來瀝青明顯的模量增效，僅在低溫時由于填料補強的作用，對瀝青的粘彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響.時間掃描帶來的疲勞指標表明，由于成分和相對分子質(zhì)量的不同，Leadcap,Sasobit可以提高基礎(chǔ)瀝青的耐疲勞性能，但礦物發(fā)泡型溫拌劑，并不能帶來這種效果.

溫拌劑； 瀝青； 粘彈性； 疲勞性能；模量增效

近年來，流變測試技術(shù)已出現(xiàn)在瀝青及其混合料方面的評價，如美國的瀝青研究常使用頻率掃描技術(shù)、應(yīng)變掃描、重復(fù)蠕變試驗、時間掃描技術(shù)、靜態(tài)蠕變試驗、直接拉伸試驗等[1-2].我國瀝青混合料也采用動態(tài)模量等流變指標進行評價[3-5].

隨著道路工程領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境保護理念的增強，溫拌技術(shù)已經(jīng)成為一種流行技術(shù)，如NCAT報告指出：Sasobit有助于提高瀝青的高溫性能，Asphalt-min不會影響混合料的抗車轍能力[6-7]；國內(nèi)也對其進行了瀝青和混合料方面的研究，發(fā)現(xiàn)了這些材料不同的路用特點[8-9].鑒于流變測試方法的快捷和有效性，本文主要從膠結(jié)料角度探討不同溫拌劑對瀝青粘彈性、疲勞性能的影響，并考察溫拌劑用量優(yōu)化方法.希望在溫拌劑產(chǎn)品及其用量選擇評價上提供有益的數(shù)據(jù)參考.

1 試驗部分

1.1 溫拌劑

試驗采用3種溫拌劑產(chǎn)品進行溫拌瀝青的制備與評價，分別為南非Sasobit、韓國Leadcap和自主研發(fā)的沸石型溫拌劑(AM).

Sasobit溫拌劑成分是一種硬質(zhì)蠟，為一種顆粒狀添加劑.其熔點約為100 ℃，這樣可在100 ℃以上熔化而降低瀝青粘度，又可在90 ℃以下結(jié)晶以增加瀝青的穩(wěn)定性.在具體使用中僅需將其在高溫瀝青中簡單攪拌便可使用.

Leadcap是韓國建設(shè)技術(shù)研究院出品的一種有機添加劑，產(chǎn)品為片狀.其作用機理與Sasobit類似，但其分子鏈結(jié)構(gòu)有所不同，因而對瀝青的晶體結(jié)構(gòu)、組分比例，以及膠體結(jié)構(gòu)也有著不同的影響，除了溫拌效果外，對于瀝青性質(zhì)的影響特點也有所不同.該產(chǎn)品也是摻加到瀝青中進行應(yīng)用，但其在國內(nèi)工程中應(yīng)用較少，相關(guān)文獻并未對瀝青性能的影響模式進行關(guān)注.

AM為一種自主研發(fā)的礦物發(fā)泡型(asphalt-min)溫拌劑，為粒度400目的白色粉體，在具體應(yīng)用中以拌和鍋投放為主，由于和熱瀝青接觸后，其內(nèi)含的結(jié)晶水會大量放出，產(chǎn)生密集氣泡降低了瀝青粘度，從而達到一定的溫拌效果.從原理上講，這種溫拌劑的溫拌效果與結(jié)晶水含量、釋放溫度有關(guān).目前這種產(chǎn)品較多，但是對其瀝青性質(zhì)的研究較少，是一種價格相對低廉的溫拌劑產(chǎn)品.

1.2 溫拌瀝青

溫拌瀝青指添加溫拌劑的瀝青樣品.因為不同溫拌劑具有不同的成分組成，其對瀝青性質(zhì)的影響也有所差異.同時，不同溫拌劑的摻加量對瀝青性質(zhì)有什么影響，也是需要探討的.試驗采用的瀝青為中海70號A級基質(zhì)瀝青，在145 ℃加熱融化后，分別將3種溫拌劑按不同的比例進行拌和加入，制成溫拌瀝青，均勻取樣后，進行流變測試和參數(shù)采集.3種溫拌劑的內(nèi)摻添加量分別為：(1) Sasobit，0%，1.5%，2.5%，3.5%；(2) Leadcap，0%，1%，2%，3%；(3) AM，0%，6%,7%,8%.其中：AM在與瀝青拌和時會發(fā)生較多的氣泡，制備樣品時需要等待氣泡釋放完畢，而后進行瀝青樣品的制模、檢測.

1.3 流變測試方法

所采用的平行板式旋轉(zhuǎn)流變儀為美國TA公司AR2000ex型動態(tài)剪切流變儀，其轉(zhuǎn)矩范圍為0.000 03～200 mN·m，頻率范圍為7.5×10-7～628 rad/s.針對試驗配制的瀝青和溫拌瀝青進行的流變測試有單溫度表征、溫度掃描、頻率掃描、時間掃描等.

1) 單點溫度流變測試 溫度分別為60，20 ℃，實驗轉(zhuǎn)子直徑25 mm，樣品厚度1 mm，轉(zhuǎn)速10 rad/s，應(yīng)力水平100 Pa.主要采集動態(tài)模量、相位角、車轍因子等數(shù)據(jù).

2)連續(xù)高溫溫度等級 轉(zhuǎn)子直徑25 mm，樣品厚度1 mm，轉(zhuǎn)速10 rad/s，應(yīng)力水平100 Pa.用于確定車轍因子為1.0 kPa對應(yīng)的溫度等級.具體方法參考AASHTO M320-2009[10].

3) 時間掃描測試 用于評價瀝青的耐疲勞性能.測試參數(shù)為：試驗溫度25 ℃；轉(zhuǎn)子直徑8 mm、控制應(yīng)變10%、剪切頻率10 rad/s、共進行10 000次數(shù)據(jù)采點.在獲取流變參數(shù)后，按照50%G*點和累計耗散能DER曲線轉(zhuǎn)折點進行不同溫拌瀝青的疲勞分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫拌劑對瀝青粘彈性結(jié)構(gòu)的影響

圖1為溫拌對瀝青粘彈性的影響.圖1a)表明,在高溫60 ℃條件下，不同溫拌劑對瀝青的模量影響有所差別.Sasobit可以賦予瀝青較高的模量增效，并且在2.5%摻量時形成一個極值峰；Leadcap對瀝青模量呈現(xiàn)先降后升的變化特點，瀝青復(fù)合模量在2%時處呈現(xiàn)谷值，在3%的摻量后模量才大于基礎(chǔ)瀝青；AM粉體6%～8%的摻量下可以提高瀝青的模量值，但相對前兩者，模量增效不太顯著，但在7%摻量下也形成了最大模量位置.這個模量變化規(guī)律在20 ℃下也得到了相同體現(xiàn).

圖1b)是高溫60 ℃下相位角的變化，它表明：基質(zhì)瀝青相位角多在88 ℃以上，整體上處以一種粘流態(tài).添加Sasobit和Leadcap后，瀝青的相位角降低，使整個體系趨向于粘彈態(tài)，而且Sasobit對這種粘彈性結(jié)構(gòu)的影響最為顯著，相位角的降低幅度最大.對于AM粉則對瀝青的相位角不產(chǎn)生明顯的影響.但圖1d)的20 ℃條件下，Sasobit和Leadcap均對瀝青相位角形成單調(diào)下降的影響，而AM粉也形成一定程度的相位角下降線性.

總體上，圖1表明,不同物質(zhì)組成的溫拌劑對瀝青的高溫流變性能有著不同的影響.Sasobit是一種硬質(zhì)蠟，熔點約為100 ℃，這樣可在100 ℃以上熔化而降低瀝青粘度，又可在90 ℃以下結(jié)晶以增加瀝青的穩(wěn)定性；這應(yīng)該是其對瀝青模量增效的主要原因.

Leadcap是一種分子鏈結(jié)構(gòu)不同的蠟，分子量較小，可以較為細致地融入瀝青中，同時不產(chǎn)生明顯的大片結(jié)晶，故而對瀝青的粘彈性結(jié)構(gòu)影響較小，在含量較高或者低溫條件下才能體現(xiàn)明顯的結(jié)晶影響，如隨著摻量的升高(如圖1中2%之后)，細小的結(jié)晶才能整體賦予瀝青明顯的模量增效行為.而AM粉是一種無機粉體，粒度在38μm以下，在60 ℃下瀝青粘流體中，較小的摻量不會形成明顯的模量增效，僅僅在低溫20 ℃時，由于存在類似填料補強的作用，對瀝青的粘彈性結(jié)構(gòu)才產(chǎn)生明顯的影響，造成瀝青相位角略降的現(xiàn)象.

圖1 溫拌劑對瀝青粘彈性參數(shù)的影響

2.2 溫拌劑對瀝青高溫等級的影響

溫拌劑除了降低施工溫度外，對瀝青的常規(guī)性能不存在損傷為宜，保證較好的高溫抗變形能力即是一個最為關(guān)鍵的要求.按照AASHTO M320-2009性能分級試驗，對不同溫拌劑摻量的瀝青連續(xù)高溫等級進行了測試，此時選擇標準為車轍因子為1.0 kPa的溫度，見表1.

表1表明，3種溫拌劑中對瀝青的高溫等級影響與模量變化基本相同.Sasobit在2.5%含量時高溫等級最高，Leadcap在3%含量時高溫等級最好，而AM在6%～8%含量均比基質(zhì)瀝青高溫等級高.綜合性價比來看，Sasobit使用摻量不宜太高，以2%為佳；Leadcap可以在2%～3%含量內(nèi)使用；AM粉體則最好摻量為6%.

表1 三種溫拌劑對瀝青連續(xù)溫度等級的影響

2.3 時間掃描與疲勞性能

1) 時間掃描曲線特征 根據(jù)時間掃描測試結(jié)果，繪制不同溫拌劑對瀝青的模量、相位角影響曲線.圖2表明：時間掃描曲線可以分為兩個階段：模量穩(wěn)定區(qū)和模量衰減區(qū).在模量穩(wěn)定區(qū)中，相位角屬于單調(diào)增長的，形成一個拐點后；瀝青進入模量衰減區(qū)，相位角迅速下降，直至樣品在交變荷載下發(fā)生斷裂和脫落現(xiàn)象(樣品觀察發(fā)現(xiàn))，這在后期曲線特征上變現(xiàn)為相位角不穩(wěn).總體上，3種溫拌劑瀝青具有如下特點：(1) 所有溫拌瀝青的模量變化特征是相同的，存在明顯的模量衰減位置，不同摻量的溫拌劑為溫拌瀝青帶來不同的模量衰減位置.圖2a)是三種溫拌劑加入后瀝青的模量變化，它表明添加AM粉體后模量衰減時間提前，預(yù)示著其粘彈性結(jié)構(gòu)較早的不穩(wěn)定，容易發(fā)生疲勞;(2) 各種溫拌瀝青的相位角變化有所不同，AM溫拌瀝青的相位角變化較為規(guī)律，其相位角拐點隨著溫拌劑摻量而發(fā)生有規(guī)律的變化.而Leadcap,Sasobit溫拌瀝青的相位角變化則規(guī)律性稍差，特別是3.5%Sasobit溫拌瀝青樣品，相位角的變化尤顯怪異.可以認為，這種粘彈性的變化仍與溫拌劑成分和結(jié)晶狀態(tài)有關(guān).

2) 不同溫拌劑對瀝青疲勞的影響 基于時間掃描曲線，計算了不同溫拌瀝青的50%|G*|衰減位置、累計耗散能比(DER)曲線偏離20%的Np20指標，其中DER的處理方法請參考文獻[11-12].試驗結(jié)果見表2,圖3.

圖3表明，Leadcap可以提高基礎(chǔ)瀝青的耐疲勞性能，無論是模量衰減50%|G*|位置還是Np20位置，都反映出不同摻量的Leadcap溫拌瀝青要比基礎(chǔ)瀝青疲勞時間長.同樣的，Sasobit對瀝青的耐疲勞性能也有所幫助，但是2個評價指標體現(xiàn)的規(guī)律不是太一致，綜合來看，1.5%～3%之間的摻量應(yīng)是有利于瀝青耐疲勞的.但對于礦物發(fā)泡型的AM溫拌劑，其耐疲勞性能的改善不如前兩者，在摻量6%～8%范圍與基礎(chǔ)瀝青的疲勞時間大致相同.

可以認為：Leadcap對瀝青耐疲勞壽命的改善是最好的；Sasobit次之，AM相對最差.從聚合物觀點來講，當分子量增大到某一定分子量之前，分子量的增大有助于疲勞抵抗性能的提高；如此，

表2 3種溫拌劑對瀝青疲勞性能影響

圖2 3種溫拌瀝青的時間掃描曲線

圖3 3種溫拌劑對瀝青疲勞性能影響

Leadcap和Sasobit是2種不同的烴類混合物，相對于無機礦物型AM溫拌劑有著更大的分子量，這就是其能夠改善瀝青耐疲勞性能原因.

3 結(jié) 論

不同物質(zhì)組成的溫拌劑對瀝青的流變性能有著不同的影響.Sasobit是一種硬質(zhì)蠟，可以憑借顯著的結(jié)晶行為對瀝青產(chǎn)生模量增效效果，改變?yōu)r青的粘彈性結(jié)構(gòu)；Leadcap是一種分子量較小的蠟，在瀝青中不產(chǎn)生明顯的大片結(jié)晶，只在其含量較高或者低溫條件下體現(xiàn)明顯的結(jié)晶，并整體賦予瀝青明顯的模量增效行為.而AM粉是一種超細無機粉體，較小的摻量不會形成明顯的模量增效，僅在低溫時由于填料補強的作用，對瀝青的粘彈性結(jié)構(gòu)才產(chǎn)生明顯的影響.繼而在提升高溫性能方面，Sasobit優(yōu)勢明顯，Leadcap次之，而AM粉體則不明顯.

在耐疲勞性能方面，由于成分和分子量的不同，Leadcap可以提高基礎(chǔ)瀝青的耐疲勞性能，Sasobit對瀝青的耐疲勞性能也有所幫助，但礦物發(fā)泡型的AM溫拌劑，其耐疲勞性能的改善不如前兩者，在摻量6%～8%范圍與基礎(chǔ)瀝青的疲勞時間大致相同.綜合高溫性能、耐疲勞性能，Leadcap的合適摻量為3%，Sasobit在1.5%～2.5%， AM發(fā)泡型溫拌劑在6%～7%之間.

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Impact of Different Warm-mixing Additives on Viscoelasticity and Fatigue Properties of Asphalt

FAN Liang1,2)HU Jiabo1,2)LI Yongzhen1)WANG Zhaoqiang3)MA Shijie1)

(HighwayMaintenanceTechnologyKeyLaboratoryforTransportationIndustry,Jinan250031,China)1)(ShandongTransportationInstitute,Jinan250031,China)2)(QingdaoMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Qingdao266071,China)3)

Dynamic shear rheometer was used to evaluate rheological performance of asphalts mixed with three warm-mixing additives, and the final result showed that different chemical compositions in warm-mixing additives decide different rheological performance of asphalts. Sasobit and Leadcap can provide neat asphalt with an apparent modulus increase and influence asphalt viscoelasticity because of recrystallization behaviors; but asphalt-min additive has no this effect in a content range of 6～8%, only slightly influence viscoelasticity in lower temperature. Fatigue indexes from time sweep test show that, because of the difference of chemical composition and molecular, Leadcap and Sasobit can improve fatigue performance of neat asphalt, but asphalt-min additive cannot provide this effect.

warm-mixing additive; asphalt; viscoelasticity; fatigue performance; modulus increase effect

2014-12-15

*住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目(批準號：2012-K4-32)、山東省交通科技項目(批準號：2012Y01)資助

U414.75

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.020

樊 亮(1981- )：男，博士，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為道路工程材料