不同溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青及其OGFC混合料性能影響研究*

董 浩 董夫強(qiáng) 王俊彥 梁星敏

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210098)

0 引 言

傳統(tǒng)瀝青路面為保證施工便易性需要高溫環(huán)境，長(zhǎng)期高溫條件會(huì)使得瀝青老化，降低路用性能，且生產(chǎn)瀝青混合料增加能耗的同時(shí)又伴隨大量毒害氣體，增加成本的同時(shí)也造成了環(huán)境污染[1-3].

自20世紀(jì)90年代《京都協(xié)定書(shū)》簽署以來(lái)，世界各國(guó)加大了對(duì)新型環(huán)保瀝青路面的研究，排水路面(OGFC)和溫拌技術(shù)隨之產(chǎn)生.OGFC由于粗集料多、空隙大，具有抗滑、抗車轍及降噪的特點(diǎn)，可有效減少不良?xì)夂颦h(huán)境交通事故概率.但其對(duì)瀝青質(zhì)量和施工工藝的要求也相應(yīng)提高，需要高黏改性瀝青和更高的施工溫度才能滿足OGFC路面的強(qiáng)度要求.溫拌技術(shù)可通過(guò)不同的方法有效降低瀝青的低溫黏度，進(jìn)而可增加低溫條件下施工便易性.若將溫拌技術(shù)與OGFC有機(jī)結(jié)合起來(lái)可緩解上述問(wèn)題.經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，溫拌技術(shù)按工作原理可分為乳化分散降黏技術(shù)、發(fā)泡降黏技術(shù)和有機(jī)降黏技術(shù)[4-6].其中南非某公司生產(chǎn)的Sasobit是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的一種有機(jī)類溫拌劑，并且已經(jīng)有了大量的試驗(yàn)路段，其施工效果和路用性能均不錯(cuò).我國(guó)深圳某公司在引進(jìn)外國(guó)溫拌技術(shù)，自主研發(fā)出了一種有機(jī)類溫拌劑EC-120.但當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)Sasobit和EC-120溫拌劑在OGFC的應(yīng)用對(duì)比研究很少[7-8].

基于此，文中分別考察了2%，3%，4%，5%摻量Sasobit、EC-120的 SBS改性瀝青降黏效果和60 ℃黏度、三大指標(biāo)及其OGFC的孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、小梁彎曲、凍融劈裂、車轍等試驗(yàn)，研究SBS瀝青及其OGFC在不同摻量?jī)煞N溫拌劑下的性能對(duì)比，進(jìn)而更好指導(dǎo)溫拌技術(shù)在OGFC中應(yīng)用.

1 材 料

瀝青采用南通通沙瀝青科技有限公司生產(chǎn)的成品SBS瀝青，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1.Sasobit和EC-120兩種溫拌劑為市購(gòu)產(chǎn)品，兩種溫拌劑摻量以瀝青質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，均定為2%，3%，4%，5%.混合料類型為OGFC-13，所用木質(zhì)素纖維為市購(gòu)，摻量是混合料質(zhì)量的0.3%.考慮到不同瀝青摻量會(huì)影響OGFC的試驗(yàn)指標(biāo)而無(wú)法確定Sasobit和EC-120的性能差異，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)本文中混合料均采用5%的油石比.

表1 SBS瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

參考兩種溫拌劑的指導(dǎo)書(shū)與相關(guān)技術(shù)要求，兩種溫拌劑產(chǎn)品經(jīng)攪拌或剪切10～15 min均可完全溶解在120 ℃以上瀝青中，并且不會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)象.本文將相應(yīng)的溫拌劑加入165 ℃SBS瀝青中攪拌10 min制備溫拌瀝青.溫拌瀝青混合料制備的前提需要先制備好溫拌瀝青，之后將木質(zhì)纖維加入已經(jīng)預(yù)熱的集料中干拌，然后再將溫拌瀝青加入進(jìn)行濕拌，最后將礦粉加入再次拌和制備溫拌瀝青混合料[9-10].

2 溫拌劑降溫效果研究

2.1 溫拌劑SBS改性瀝青降溫效果

通過(guò)Brookfield黏度儀分別測(cè)試摻加2%，3%，4%，5%的Sasobit和EC-120兩種溫拌劑的SBS瀝青在125，135，145，155，165 ℃溫度下的黏度，并繪制黏溫曲線圖，見(jiàn)圖1.以165 ℃下SBS瀝青黏度1.10 Pa·s為標(biāo)準(zhǔn)，分別依據(jù)黏溫曲線圖推算出相應(yīng)溫拌瀝青達(dá)到1.10 Pa·s時(shí)所需溫度確定等黏溫度，對(duì)比分析不同摻量下Sasobit和EC-120對(duì)SBS瀝青的黏度影響，見(jiàn)表2.

圖1 溫拌SBS瀝青黏溫曲線圖

類型溫拌劑種類溫拌劑摻量/%02345等黏溫度/℃SasobitEC-120165165155160144155139147136143

由圖1可知，在同等條件下，Sasobit和EC-120均可降低SBS瀝青的黏度，且摻量越多、溫度越高黏度越小，但降黏趨勢(shì)卻在逐漸減緩.根據(jù)圖1的黏溫曲線圖，以1.10 Pa·s為標(biāo)準(zhǔn)，推算出添加不同摻量?jī)煞N溫拌劑的SBS瀝青所對(duì)應(yīng)的等黏溫度.由表2可知，Sasobit和EC-120具有明顯的降溫能力，但降溫趨勢(shì)會(huì)隨溫拌劑摻量增加而逐漸減緩.同等摻量情況下Sasobit降溫能力要明顯高出EC-120，EC-120摻量在5%時(shí)與3%Sasobit摻量的降溫效果達(dá)到相近.3%Sasobit可達(dá)到最佳降溫效果，降低等黏溫度21 ℃，EC-120最佳降溫效果為4%左右添加量，降溫約18 ℃.說(shuō)明Sasobit降溫效果相比EC-120更優(yōu)，使用Sasobit可適當(dāng)減少溫拌劑摻量.

2.2 溫拌劑對(duì)OGFC混合料降溫效果

采用擊實(shí)成型儀在125，135，145，155，165 ℃四個(gè)溫度下雙面擊實(shí)50次制備2%，3%，4%，5%摻量Sasobit和EC-120的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，通過(guò)體積法測(cè)試試件的基本體積指標(biāo)來(lái)計(jì)算孔隙率，并繪制擊實(shí)溫度與孔隙率之間的孔隙率-溫度關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖2.以165 ℃擊實(shí)溫度條件下普通OGFC試件孔隙率22.1%作為目標(biāo)體積指標(biāo)，分別依據(jù)孔隙率-溫度關(guān)系曲線圖推算出達(dá)到目標(biāo)體積指標(biāo)時(shí)所需溫度確定等孔隙率溫度，對(duì)比分析不同摻量下Sasobit和EC-120對(duì)OGFC孔隙率影響，見(jiàn)表3.

圖2 溫拌OGFC孔隙率-溫度關(guān)系曲線圖

類型溫拌劑種類溫拌劑摻量/%02345等孔隙率溫度/℃SasobitEC-120165165152158141152135141131138

由圖2可知，在同等條件下，Sasobit和EC-120可降低OGFC孔隙率，摻量和擊實(shí)溫度的增加使得孔隙率逐漸降低，但降低趨勢(shì)稍有所減緩.根據(jù)圖2由孔隙率-溫度關(guān)系曲線圖，以22.1%的孔隙率作為標(biāo)準(zhǔn)，推算出不同添加量?jī)煞N溫拌劑所對(duì)應(yīng)的等孔隙率溫度.由表3得出，Sasobit和EC-120均有明顯降低OGFC制備溫度的能力，降低趨勢(shì)隨添加量的增加稍有減緩.與Sasobit和EC-120對(duì)SBS瀝青降溫能力相似，同等摻量Sasobit降溫能力要優(yōu)于EC-120，EC-120摻量在4%時(shí)與3%摻量Sasobit的降溫幅度相近.并且3%Sasobit可達(dá)到最佳降溫效果，而EC-120最佳降溫效果為3%～4%添加量.

對(duì)比等黏溫度法和等體積法中Sasobit和EC-120對(duì)SBS瀝青和OGFC實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知兩種方法具有相似的規(guī)律，溫拌劑摻量和實(shí)驗(yàn)溫度的提高均增加降溫幅度，在同等條件下，采用等黏溫度法所得出的溫拌劑的降溫效果要比采用等體積法得出的降溫效果偏低2～5 ℃，相當(dāng)于等黏溫度法低估了兩種溫拌劑的實(shí)際降溫能力.相關(guān)文獻(xiàn)指出等黏溫度法僅可用在普通瀝青，可能與等黏溫度法不適合SBS瀝青有關(guān)[11].

3 溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青性能的研究

3.1 60 ℃黏度

60 ℃黏度作為一項(xiàng)瀝青性能的指標(biāo)，目前已經(jīng)廣泛被國(guó)際上認(rèn)可，是瀝青在60 ℃溫度、40 kPa真空下的黏度值，反應(yīng)瀝青在服役階段高溫性能和混合料的路用性能.OGFC路面由于其級(jí)配特點(diǎn)，混合料中集料與集料之間基本都是點(diǎn)與點(diǎn)的接觸，需要黏結(jié)能力更強(qiáng)的SBS瀝青才能保證路面不會(huì)過(guò)早出現(xiàn)破壞，所以瀝青黏度是十分關(guān)鍵的一項(xiàng)指標(biāo).本文使用真空減壓毛細(xì)管法確定SBS瀝青60 ℃黏度，見(jiàn)表4.

表4 溫拌劑對(duì)60 ℃黏度的影響

隨著Sasobit和EC-120添加量的加大，SBS瀝青的60 ℃黏度急劇增加，SBS瀝青的高溫性能得到改善.這與溫拌劑的物理特性有關(guān)，兩種溫拌劑均屬于合成蠟類物質(zhì)，熔點(diǎn)均在120 ℃以下.當(dāng)處于熔點(diǎn)以上時(shí)，溫拌劑呈現(xiàn)流動(dòng)性很好的液態(tài).但當(dāng)處于60 ℃環(huán)境時(shí)呈現(xiàn)結(jié)晶固態(tài)，分散在瀝青當(dāng)中增加黏稠程度，明顯提高瀝青黏度.且摻量越多蠟類物質(zhì)含量越高，60 ℃黏度增加越明顯.Sasobit和EC-120摻量從2%增加到5%，60 ℃黏度分別提高了約3～16倍和1.5～7倍，2%的Sasobit可提高60 ℃黏度至15×104Pa·s，而4%的EC-120才能達(dá)到相同效果.可見(jiàn)Sasobit對(duì)SBS瀝青黏度的影響要遠(yuǎn)大于EC-120，兩種溫拌劑在改善瀝青高溫性能上差異明顯.

3.2 常規(guī)性能指標(biāo)

通過(guò)測(cè)試SBS瀝青的三大指標(biāo)，分析添加不同摻量EC-120和Sasobit的SBS瀝青性能差異，見(jiàn)表5.其中，針入度是瀝青黏稠程度的體現(xiàn)，當(dāng)測(cè)試值越大時(shí)，說(shuō)明瀝青越軟.軟化點(diǎn)反映的是等黏溫度，軟化點(diǎn)值越大說(shuō)明瀝青高溫性能越優(yōu)異.延度反映瀝青在低溫條件的抗裂能力，延度越大表明瀝青在低溫條件下抗裂能力越強(qiáng)，本文采用5 ℃實(shí)驗(yàn)溫度.

表5 溫拌劑對(duì)三大指標(biāo)的影響

添加Sasobit和EC-120越多，SBS瀝青針入度值越小，但降低趨勢(shì)逐漸減緩.添加4%Sasobit時(shí)SBS瀝青針入度值已經(jīng)在4 mm以下，但添加5%EC-120仍然可達(dá)4.4 mm以上，說(shuō)明針入度值受Sasobit影響要遠(yuǎn)大于EC-120，使SBS瀝青硬度增加更明顯.

摻加Sasobit和EC-120可使SBS瀝青軟化點(diǎn)值顯著變大，摻加3%Sasobit即可讓軟化點(diǎn)增至90 ℃以上，而EC-120對(duì)軟化點(diǎn)影響不太顯著.所以Sasobit和EC-120都改善了SBS瀝青的高溫性能，但Sasobit要大大優(yōu)于EC-120.

Sasobit和EC-120都屬于合成蠟類物質(zhì)，在低溫下呈現(xiàn)結(jié)晶固態(tài)，使得瀝青變脆且韌性降低，低溫性能下降.兩種溫拌劑從2%添加到5%，SBS瀝青延度值急劇減小.當(dāng)Sasobit摻量增加到4%時(shí)，延度已到20 cm以下，而4%摻量的EC-120仍然可達(dá)24.2 cm.所以低溫抗裂性受Sasobit影響比EC-120更加顯著，在使用過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格控制Sasobit摻量，而EC-120摻量可適當(dāng)放寬.

根據(jù)分析以上Sasobit和EC-120添加到SBS瀝青的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議Sasobit添加不宜超過(guò)3%，EC-120添加控制在4%左右.

4 溫拌劑對(duì)OGFC混合料性能的研究

OGFC混合料在室內(nèi)試驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最能直接反應(yīng)其路用性能，其中孔隙率是OGFC重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)，對(duì)OGFC的性能影響很大，所以需要以相同的孔隙率為前提研究?jī)煞N溫拌劑對(duì)OGFC混合料性能影響.根據(jù)前期確定的兩種溫拌劑不同摻量下等孔隙率溫度，雙面擊實(shí)50次制備相應(yīng)OGFC試件，達(dá)到控制孔隙率的目的，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)考察OGFC高、低溫性能和水穩(wěn)定性能受Sasobit和EC-120影響規(guī)律.

4.1 高溫性能

用穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)分析OGFC高溫性能受Sasobit和EC-120作用規(guī)律，見(jiàn)表6.

表6 溫拌劑對(duì)OGFC高溫性能的影響

逐漸加大Sasobit和EC-120用量，穩(wěn)定度總體呈上升趨勢(shì)，4%摻量時(shí)均可將OGFC的穩(wěn)定度提高近40%，但超過(guò)4%摻量時(shí)穩(wěn)定度開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì).當(dāng)溫拌劑處于低摻量時(shí)，穩(wěn)定度受Sasobit影響比EC-120更加顯著，但當(dāng)達(dá)到4%、5%的高摻量時(shí)兩種溫拌劑對(duì)穩(wěn)定度影響差別不大.Sasobit和EC-120添加量增加的同時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度值也在逐漸提高，Sasobit和EC-120對(duì)OGFC高溫抗車轍能力有大幅提升.Sasobit摻量為2%～3%改善效果最為明顯，而EC-120最佳摻量則在4%左右，并且在所有相同摻量下Sasobit均表現(xiàn)出比EC-120更好的改善效果，也進(jìn)一步說(shuō)明Sasobit相比EC-120對(duì)OGFC高溫性能有更大的提升.

4.2 低溫性能

用小梁彎曲試驗(yàn)分析OGFC低溫性能受Sasobit和EC-120作用規(guī)律，見(jiàn)表7.

隨Sasobit和EC-120添加量增大，OGFC最大彎拉應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，勁度模量逐漸增加，并且在同等條件下，Sasobit相比EC-120對(duì)三種指標(biāo)的影響更突出.當(dāng)Sasobit和EC-120由3%變化至4%時(shí)，OFGC的最大彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度的降低幅度和勁度模量的增高幅度最大.說(shuō)明兩種溫拌劑均可降低OGFC的低溫抗裂強(qiáng)度和抗變形能力，并且Sasobit對(duì)OGFC的低溫性能影響更大，鑒于兩種溫拌劑對(duì)OGFC路面低溫性能的降低，建議摻量不要超過(guò)4%.

表7 溫拌劑對(duì)OGFC低溫性能的影響

4.3 水穩(wěn)定性能

用凍融劈裂試驗(yàn)分析OGFC水穩(wěn)定性能受Sasobit和EC-120作用規(guī)律，見(jiàn)表8.

表8 溫拌劑對(duì)OGFC水穩(wěn)定性能的影響

Sasobit和EC-120摻量從2%到5%使得OGFC凍融劈裂強(qiáng)度比先增加后降低，但整體得到提升.當(dāng)Sasobit摻量超過(guò)3%、EC-120超過(guò)4%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比出現(xiàn)轉(zhuǎn)折開(kāi)始下降.并且低摻量下Sasobit相比EC-120對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比的提高更明顯，高摻量下則相反.說(shuō)明Sasobit和EC-120都提高OGFC的水穩(wěn)定性能，但摻量偏高會(huì)降低使用效果.當(dāng)Sasobit摻量為3%、EC-120摻量為4%時(shí)對(duì)OGFC路面的水穩(wěn)定性改善效果達(dá)到最佳.

5 結(jié) 論

1) 采用等黏溫度法和等體積法考察了Sasobit和EC-120溫拌性能，發(fā)現(xiàn)兩種溫拌劑均對(duì)SBS瀝青有很明顯的降溫能力，且Sasobit比EC-120更為優(yōu)異.且采用等黏溫度法所得出的溫拌劑的降溫效果要比采用等體積法得出的降溫效果偏低2～5 ℃.

2) Sasobit相比EC-120對(duì)SBS改性瀝青60℃黏度、軟化點(diǎn)的增加，針入度、延度值的降低影響更明顯.

3) 兩種溫拌劑摻量增加使得OGFC混合料穩(wěn)定度值、最大彎拉應(yīng)變、抗彎拉強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比先增后減，動(dòng)穩(wěn)定度、勁度模量值逐漸增加，整體上兩種溫拌劑改善OGFC混合料高溫性能和水穩(wěn)定性能，而降低其低溫性能.

4) 通過(guò)研究，推薦使用Sasobit摻量不宜超過(guò)3%，EC-120的摻量則控制在4%左右.