溫拌瀝青膠漿流變性能研究

何俊輝，趙艷納

(廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021)

溫拌瀝青膠漿流變性能研究

何俊輝，趙艷納

(廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021)

文章通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，分析了投料順序、溫拌劑類型與摻量以及粉膠比對(duì)溫拌瀝青膠漿流變性能的影響。結(jié)果表明：礦粉與溫拌劑的添加順序?qū)匕铻r青膠漿的流變性能基本沒(méi)有影響；SBS改性瀝青在一定溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出與基質(zhì)瀝青相反的粘彈性規(guī)律；Sasobit溫拌劑增加了溫拌瀝青膠漿彈性成分比例，且不同摻量對(duì)膠漿流變性能影響不大，3G溫拌劑則對(duì)膠漿流變性能影響較??；隨著粉膠比的增大，溫拌瀝青膠漿的高溫性能與感溫性能得到改善。

瀝青膠漿；溫拌瀝青；流變性能；影響因素

0 引言

溫拌瀝青技術(shù)可有效減少施工過(guò)程中煙氣排放及單位能耗，顯著緩解施工期瀝青的老化，因此溫拌瀝青技術(shù)近年來(lái)備受道路工程界關(guān)注。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)溫拌瀝青與溫拌瀝青混合料進(jìn)行了廣泛研究：李銳鐸等對(duì)溫拌瀝青感溫性能及其評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究；王鵬等對(duì)摻DAT添加劑的溫拌瀝青拌和溫度進(jìn)行了研究；胡項(xiàng)禹對(duì)KSH溫拌改性瀝青膠結(jié)料性能進(jìn)行了研究；左鋒等對(duì)國(guó)外溫拌瀝青混合料技術(shù)與性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了編譯匯總；孔令云等基于表面自由能理論對(duì)Sasobit溫拌瀝青混合料劈裂強(qiáng)度機(jī)理進(jìn)行了研究；魏建國(guó)等研究了溫拌瀝青混合料施工溫度的確定方法。綜合表明，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)溫拌瀝青及瀝青混合料性能指標(biāo)與路用性能進(jìn)行了廣泛研究，但對(duì)于溫拌瀝青膠漿性能的研究稍顯缺乏。 為此，本文通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，著重探討了溫拌瀝青膠漿流變性能及其影響因素，為溫拌瀝青技術(shù)的推廣提供理論指導(dǎo)。

1 原材料

1.1 瀝青

采用青島安邦路法有限公司70#瀝青與SBS改性瀝青，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～2。

表1 70#瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.2 溫拌劑

溫拌劑采用Sasobit、3G兩種添加劑。其中Sasobit為南非Sasobit-Wax公司生產(chǎn)，其技術(shù)指標(biāo)為：25 ℃時(shí)密度為0.94g/cm3，135 ℃時(shí)黏度為0.012Pa·s，凝固點(diǎn)為100 ℃，閃點(diǎn)約為290 ℃；Evotherm3G為美德維實(shí)偉克公司生產(chǎn)，其技術(shù)指標(biāo)為：25 ℃時(shí)密度為0.999 7g/cm3，25 ℃時(shí)導(dǎo)熱性為2.2μs/cm，介電常數(shù)為2～10。

2 膠漿流變性能影響因素

瀝青膠漿是由瀝青、填料組成的混合體，膠漿在瀝青混合料中所占比例雖然不大，但其在瀝青混凝土中不僅起粘結(jié)作用，還起填充粗細(xì)集料空隙的作用，對(duì)路面性能有著十分重要的影響，因此有必要對(duì)瀝青膠漿性能進(jìn)行研究。動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)作為美國(guó)SHRP計(jì)劃開(kāi)發(fā)的可以表征瀝青及瀝青膠漿粘彈特性儀器，能夠利用測(cè)定的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ對(duì)瀝青膠漿流變性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文利用DSR試驗(yàn)研究溫拌瀝青膠漿的流變性能，依次探討了投料順序、溫拌劑類型、摻量以及粉膠比對(duì)溫拌瀝青膠漿流變性能的影響。

2.1 投料順序?qū)δz漿流變性能的影響

由于溫拌瀝青膠漿的制備需往瀝青中加入溫拌劑和礦粉兩種添加劑，而不同制備工藝將直接影響制備物的性能。為研究?jī)煞N添加劑不同添加順序?qū)δz漿性能的影響，取同樣摻量溫拌劑和礦粉按不同投料順序制備瀝青膠漿，其中Sasobit、3G推薦摻量、粉膠比分別為4%、0.6%、1.2。試驗(yàn)通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究投料順序?qū)δz漿流變性能的影響。

動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)相位角δ和抗車轍因子G*/sinδ的測(cè)試結(jié)果如圖1～2所示。其中，A、B分別表示70#瀝青、SBS改性瀝青，S-4表示摻4%的Sasobit，G-0.6表示摻0.6%的3G溫拌劑，帶小數(shù)點(diǎn)數(shù)表示粉膠比，書寫順序表示投料順序，下同。

本文通過(guò)多種渠道搜集數(shù)據(jù)，估計(jì)了回歸式產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移相關(guān)指標(biāo)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響，也考量了制度資本參與下其對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：從總體上講，所選年齡、學(xué)歷、回歸前想從事行業(yè)、回歸后從事行業(yè)這些變量對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)都有著較好的解釋作用，因此表明回歸式產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移是落后、欠發(fā)達(dá)地區(qū)促進(jìn)本地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的非常有效的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移模式。另外，制度資本變量能改善模型的變量解釋能力，能縮小城鄉(xiāng)收入差距，學(xué)歷變量會(huì)縮小城鄉(xiāng)收入差距。

由圖1可知：投料順序?qū)匕铻r青膠漿的相位角δ基本沒(méi)有變化，即對(duì)溫拌瀝青膠漿粘彈比例無(wú)影響。對(duì)比不同溫拌劑對(duì)δ值影響可知，3G溫拌瀝青膠漿較Sasobit溫拌瀝青膠漿δ值大，即Sasobit溫拌瀝青膠漿較3G溫拌瀝青膠漿彈性成分比例大，3G溫拌瀝青膠漿較Sasobit溫拌瀝青膠漿黏性成分大。主要是由于Sasobit為蠟性溫拌劑，熔點(diǎn)約為99 ℃，低于此溫度時(shí)Sasobit由熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)，彈性增強(qiáng)，塑性降低，進(jìn)而引起δ值降低。

對(duì)比基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青δ值可知，改性瀝青δ值明顯小于基質(zhì)瀝青，表明改性瀝青彈性成分明顯多于基質(zhì)瀝青，這是由于摻入了彈性和韌性較好的SBS改性劑的結(jié)果。而升高溫度，兩者表現(xiàn)出不同的粘彈變化規(guī)律，主要是在該溫度范圍內(nèi)改性劑與瀝青互熔后溫度越高改性劑對(duì)粘彈性起主導(dǎo)作用越強(qiáng)的結(jié)果。由于改性劑熔點(diǎn)較高，升溫初期瀝青彈性成分降低、黏性成分增強(qiáng)，改性劑與瀝青混熔越發(fā)充分，此時(shí)改性劑性質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)地位，因此在一定溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)為δ值減小。而當(dāng)溫度升高(圖示為80 ℃)，瀝青熔化充分，瀝青性質(zhì)占主導(dǎo)作用，此時(shí)表現(xiàn)為δ值增大，即改性瀝青黏性成分增加。

圖1 投料順序?qū)匕铻r青膠漿δ的影響示意圖

δ值反映的僅僅為瀝青膠漿中粘彈比例的相對(duì)大小，要想深入研究投料順序?qū)δz漿性能的影響，還需對(duì)與路用性能關(guān)系密切的車轍因子(G*/sinδ)進(jìn)行分析，如圖2所示。

車轍因子G*/sinδ可以表征瀝青材料的抗永久變形能力，反映了瀝青膠漿的高溫性能。由圖2可知，隨著溫度的升高，膠漿G*/sinδ值減小，即溫度的升高降低了溫拌瀝青膠漿的高溫性能，且不同溫拌劑對(duì)膠漿高溫性能影響不大。對(duì)比基質(zhì)瀝青與改性瀝青車轍因子可知，改性瀝青膠漿車轍因子稍大于基質(zhì)瀝青膠漿，表明SBS改性劑對(duì)膠漿高溫性能具有改善作用。

圖2 投料順序?qū)匕铻r青膠漿G*/sinδ的影響示意圖

2.2 不同溫拌劑對(duì)膠漿高溫性能的影響

研究表明，瀝青對(duì)路面抗車轍的貢獻(xiàn)占至少29%，而瀝青混合料中發(fā)揮主導(dǎo)作用的實(shí)際為瀝青膠漿。相比瀝青高溫性能而言，研究者對(duì)瀝青膠漿高溫性能研究較少，為了研究溫拌劑對(duì)瀝青膠漿高溫性能的影響，現(xiàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)車轍因子對(duì)溫拌瀝青膠漿進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)溫度65 ℃，測(cè)試結(jié)果如下頁(yè)圖3所示。

由圖3可知，不同溫拌劑對(duì)瀝青高溫性能的影響差異較大，且不同類型瀝青高溫性能差距明顯。其中Sasobit溫拌瀝青G*/sinδ值約為3G溫拌瀝青值的200%，且Sasobit溫拌改性瀝青G*/sinδ值也明顯大于3G溫拌改性瀝青值。這是由于Sasobit的摻入增加了瀝青彈性成分比例，使在該溫度下的瀝青高溫性能得到改善。而SBS改性劑的摻入極大地增強(qiáng)了瀝青力學(xué)性能，使改性瀝青高溫性能顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

圖3 溫拌劑類型對(duì)溫拌瀝青膠漿高溫性能的影響柱形圖

分析膠漿G*/sinδ值可知，礦粉的摻入顯著提高了瀝青高溫性能，同時(shí)Sasobit使膠漿高溫性能得到提高，3G溫拌劑使膠漿高溫性能稍有降低。由圖3可知，摻入礦粉后Sasobit溫拌瀝青與3G溫拌瀝青的G*/sinδ值均提升2倍以上，且改性溫拌瀝青提升效果更加顯著，均達(dá)到6倍以上。這是由于礦粉或SBS改性劑摻入后與瀝青發(fā)生物化反應(yīng)，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，增強(qiáng)了瀝青膠漿的粘滯性，從而使瀝青高溫性能得到改善。

2.3 溫拌劑摻量對(duì)膠漿性能的影響

由以上分析可知，推薦摻量下Sasobit溫拌瀝青膠漿高溫性能以及對(duì)于膠漿粘彈比例的改善效果明顯優(yōu)于3G溫拌劑，為此對(duì)不同摻量Sasobit對(duì)膠漿性能的影響進(jìn)行深入探討。采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，瀝青為70#瀝青，粉膠比取1.2，試驗(yàn)溫度范圍為20 ℃～90 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。分析可知，不同摻量Sasobit對(duì)瀝青膠漿粘彈比例幾乎沒(méi)有影響，相位角變化曲線幾近重合，均隨著溫度升高而降低，表明溫度升高膠漿彈性成分比例增加，黏性成分比例減少。比較G*值可知，當(dāng)摻量為3%時(shí)G*值較大，由G*與G*/sinδ具有相似規(guī)律可知，該摻量范圍內(nèi)膠漿高溫性能最優(yōu)、抗車

轍性能相對(duì)較強(qiáng)，這與以往研究結(jié)論一致。

圖4 不同摻量Sasobit對(duì)G*和δ的影響示意圖

2.4 粉膠比對(duì)膠漿感溫性能的影響

膠漿則作為決定瀝青混合料高、低溫性能的關(guān)鍵因素，在瀝青混合料中具有重要作用，而作為主要成分的礦粉對(duì)膠漿中結(jié)構(gòu)瀝青的形成具有顯著影響。在瀝青混合料中，瀝青與礦粉產(chǎn)生劇烈物理化學(xué)作用后，一起抵抗車轍變形作用，因此有必要對(duì)礦粉含量即粉膠比對(duì)膠漿性能的影響作進(jìn)一步探討。采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，瀝青選取70#瀝青、SBS改性瀝青，Sasobit摻量為4%，試驗(yàn)溫度選取65 ℃、77 ℃、85 ℃三個(gè)溫度，粉膠比范圍為0.6～1.4，G*/sinδ值測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 Sasobit溫拌瀝青膠漿G*/sinδ值表

分析表3，發(fā)現(xiàn)溫度和抗車轍因子之間的關(guān)系可簡(jiǎn)化為如下關(guān)系式：

G*/sinδ=KT+C

(1)

式中，G*/sinδ——抗車轍因子；T——溫度；K、C——回歸系數(shù)。

K為一次方程斜率，其絕對(duì)值|K|的大小可以反映膠漿感溫性能的強(qiáng)弱。|K|值越大，表明溫拌瀝青膠漿感溫性能越強(qiáng)?，F(xiàn)將表3數(shù)據(jù)利用式(1)匯總出相關(guān)參數(shù)列于表4。

表4 溫度與G*/sinδ值的回歸結(jié)果表

由表4可知，回歸方程相關(guān)系數(shù)R2均>0.9，表明該方程能夠很好地表征G*/sinδ與T之間的相關(guān)關(guān)系。由K均為負(fù)值可知，G*/sinδ值隨溫度T的升高而降低。為清晰表示不同粉膠比對(duì)膠漿感溫性能的影響，現(xiàn)將|K|值匯總見(jiàn)圖5。

分析可知，溫拌瀝青膠漿感溫性能隨著粉膠比的增加而增強(qiáng)，且不同瀝青感溫性能存在明顯差異。兩種瀝青膠漿隨著粉膠比的增大感溫性能逐漸增強(qiáng)，粉膠比從0.6到1.4，基質(zhì)瀝青膠漿|K|值增長(zhǎng)約60%、SBS改性瀝青增長(zhǎng)至原來(lái)的3倍多。這是由于在該粉膠比范圍內(nèi)礦粉的增加促進(jìn)了膠漿結(jié)構(gòu)瀝青的形成比例，改善了膠漿性質(zhì)，進(jìn)而改善了膠漿感溫性能。這也進(jìn)一步證明了規(guī)范規(guī)定的0.6～1.4的粉膠比范圍是合適的。同時(shí)，相對(duì)于70#瀝青，SBS改性瀝青|K|值隨粉膠比增大增幅更加明顯且|K|值均遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青。這是由于SBS加入到基質(zhì)瀝青后在高速剪切作用下分散成微米級(jí)的小顆粒，比表面積增大，瀝青中的小分子對(duì)其產(chǎn)生溶脹與增塑作用，使得原基質(zhì)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改善了膠漿感溫性能、增強(qiáng)了瀝青容納礦粉的能力。

圖5 粉膠比與|K|的關(guān)系柱形圖

2.5 粉膠比對(duì)膠漿高溫性能的影響

分析表3可以發(fā)現(xiàn)，粉膠比與G*/sinδ值存在如下關(guān)系式：

G*/sinδ=AeB*(FB)

(2)

式中，A、B——回歸參數(shù)；FB——粉膠比。

回歸系數(shù)如表5所示。

表5 粉膠比與G*/sinδ值的回歸系數(shù)結(jié)果表

由表5可知，各回歸方程相關(guān)系數(shù)R2值均較大，其中改性瀝青R2值達(dá)到0.98，這表明回歸方程能夠很好地描述粉膠比和G*/sinδ之間的相關(guān)關(guān)系，該方程具有一定的實(shí)際意義。分析方程回歸參數(shù)可知，B均為正數(shù)，表明G*/sinδ值隨著粉膠比的增大而增大，即粉膠比在0.6～1.4范圍內(nèi)膠漿高溫性能隨著粉膠比的增大而增強(qiáng)。且隨著溫度升高參數(shù)A、B值均增大，表明一定范圍內(nèi)升高溫度膠漿感溫性能增強(qiáng)。且SBS改性瀝青A、B值均大于同溫度下基質(zhì)瀝青，表明改性瀝青感溫性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，SBS改性劑的摻入極大改善了膠漿感溫性能與高溫性能。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)溫拌瀝青膠漿制備過(guò)程中，溫拌劑與礦粉的投料順序?qū)δz漿流變性能沒(méi)有影響，Sasobit與3G兩種溫拌劑可在膠漿制備過(guò)程中隨時(shí)按需摻入。

(2)Sasobit溫拌劑摻入后可在瀝青或?yàn)r青膠漿內(nèi)形成蠟質(zhì)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在低于其熔點(diǎn)99 ℃的溫度范圍內(nèi)可以提高瀝青或膠漿彈性成分比例，而3G溫拌劑則對(duì)其影響較小。同時(shí)兩類溫拌劑對(duì)瀝青膠漿高溫性能影響差異不大。

(3)30 ℃～90 ℃溫度范圍內(nèi)，基質(zhì)瀝青彈性成分比例隨溫度升高而降低；而SBS改性瀝青則呈現(xiàn)相反的粘彈性規(guī)律。這是由于在該溫度范圍內(nèi)摻入的高熔點(diǎn)SBS改性劑對(duì)膠漿粘彈性起主導(dǎo)作用，且主導(dǎo)作用隨溫度升高而加強(qiáng)，導(dǎo)致瀝青膠漿彈性成分比例升高、黏性成分比例降低。

(4)Sasobit溫拌劑摻量變化對(duì)瀝青膠漿粘彈成分比例幾無(wú)影響，且在摻量為3%時(shí)較其它摻量下瀝青膠漿高溫性能好，但高溫性能改善幅度并不明顯。

(5)瀝青膠漿高溫性能與感溫性能均隨粉膠比的增大而加強(qiáng)，且SBS改性瀝青膠漿高溫性能與感溫性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，同時(shí)改性瀝青高溫性能隨溫度增幅顯著高于基質(zhì)瀝青。

[1]張久鵬，杜 慧，裴建中，等.基于正戊烷瀝青質(zhì)的溫拌瀝青老化動(dòng)力性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014(5)：1068-1071.

[2]李銳鐸，喬盈丹，趙勇爽,等.溫拌瀝青感溫性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].中外公路，2014(1)：273-276.

[3]王 鵬，黃衛(wèi)東.采用DAT添加劑的溫拌瀝青拌和溫度[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(2)：12-18.

[4]胡項(xiàng)禹.KSH溫拌改性瀝青膠結(jié)料性能試驗(yàn)研究[J].路基工程，2012(1)：89-91.

[5]左 鋒，葉 奮.國(guó)外溫拌瀝青混合料技術(shù)與性能評(píng)價(jià)[J].中外公路，2007(6)：164-168.

Research on Rheological Properties of Warm-mix Asphalt Mortar

HE Jun-hui，ZHAO Yan-na

(Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530021)

Through dynamic shear rheological experiments，this article analyzed the impact of feeding sequence，warm-mix agent type，mixing dosage and powder-cement ratio on the rheological properties of warm-mix asphalt mortar.The results showed that：the addition sequence of mine powder and warm-mix a-gent had no effect on the rheological properties of warm-mix asphalt mortar；SBS modified asphalt within a certain temperature range showed the viscoelastic regularity opposite to base asphalt；Sasobit warm-mix a-gent increased the proportion of elastic component in warm-mix asphalt mortar，and the different mixing dos-age had little effect on rheological properties of mortar，3G warm-mix agent had less impact on the rheologi-cal properties of mortar；with the increase of powder-cement ratio，the high-temperature performance and temperature sensing performance of warm-mix asphalt mortar were improved.

Asphalt mortar；Warm-mix asphalt； Rheological properties； Influencing factors

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.004

1673-4874(2015)06-0013-05

2015-05-02

何俊輝，碩士研究生，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理與科研工作。