不同降黏劑對(duì)溫拌超薄磨耗層性能影響

莊恢將 李旭豪 李藝博 李本亮 張家偉 黃衛(wèi)東

(1.廣州市高速公路有限公司營(yíng)運(yùn)分公司 廣州 510000；2.廣州大象超薄路面技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 廣州 510000；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092)

超薄罩面是厚度僅為0.8～1.5 cm厚的瀝青混凝土路面，是公路工程預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中最有效的技術(shù)手段，具有改善平整度，提高抗滑性能，提升行駛質(zhì)量等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前常用的超薄罩面多為熱拌超薄罩面技術(shù)，混合料的生產(chǎn)拌和溫度通常在180 ℃以上[3-4]。如此高的生產(chǎn)溫度不僅使得拌和站在加熱石料過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的能源資源，產(chǎn)生更多的污染排放，而且混合料在高溫條件下極易發(fā)生老化，造成性能下降，從而降低超薄罩面的使用耐久性。如何解決混合料生產(chǎn)溫度過(guò)高的問(wèn)題成為了推廣超薄罩面技術(shù)的關(guān)鍵。

一般來(lái)說(shuō)，熱拌薄層罩面多使用高黏度改性瀝青作為膠結(jié)料，因而需要較高的溫度來(lái)保證混合料的施工和易性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)降低瀝青膠結(jié)料的黏度，使得混合料在較低溫度情況下仍具有良好的施工性能，即所謂的溫拌降黏技術(shù)。目前常用的溫拌技術(shù)根據(jù)溫拌機(jī)理可分為3大類，分別是以Foaming發(fā)泡瀝青為代表的發(fā)泡類溫拌技術(shù)[5]，以Evotherm為代表的乳化瀝青分散降黏溫拌技術(shù)[6]和以Sasobit為代表的有機(jī)添加劑降黏技術(shù)[7]。其中發(fā)泡類溫拌技術(shù)和乳化類溫拌技術(shù)在降黏過(guò)程中均有水分參與，因而混合料會(huì)存在后期水穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。有機(jī)降黏劑一般主要成分為蠟，在高溫狀態(tài)下為流動(dòng)的液體，加入到瀝青當(dāng)中可以起到潤(rùn)滑作用，從而降低瀝青在高溫條件下的黏度。

目前常用的有機(jī)降黏劑有Sasobit、聚乙烯蠟等有機(jī)蠟，國(guó)外研究學(xué)者也曾將棕櫚蠟用于瀝青混合料中以實(shí)現(xiàn)溫拌效果[8]，從使用效果來(lái)看，有機(jī)蠟對(duì)普通改性瀝青的溫拌降黏效果顯著。尚金娜等[9]將回收聚乙烯蠟加入到SBS改性瀝青當(dāng)中發(fā)現(xiàn)可以有效降低瀝青的高溫黏度，使其在低溫條件下具有良好的施工性能。樂(lè)金朝等[10]的研究表明Sasobit改性劑可顯著改善瀝青的高溫性能及施工和易性,同時(shí)對(duì)瀝青的抗老化性能、感溫性能也具有一定的改善作用。丁鵬等[11]通過(guò)在成品高黏瀝青中摻入Sasobit+聚乙烯蠟制備溫拌瀝青，驗(yàn)證其能夠顯著改善瀝青的高溫性能。上述研究表明有機(jī)降黏劑不僅能降低瀝青的黏度，還能改善高溫等方面的性能。

因此，本研究擬通過(guò)在高黏度改性瀝青中分別添加幾種不同的有機(jī)降黏劑，評(píng)價(jià)其溫拌降黏效果，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)比較不同降黏劑添加前后超薄磨耗層混合料的路用性能變化情況。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1瀝青

本研究中選用某公司生產(chǎn)的高黏度改性瀝青作為基礎(chǔ)瀝青，基本指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 高黏度改性瀝青基本指標(biāo)

1.1.2有機(jī)降黏劑

本研究中有機(jī)降黏劑選用Sasobit、聚乙烯蠟和SZ。其中SZ是一種國(guó)產(chǎn)新型降黏劑，3種降黏劑基本指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 3種降黏劑基本指標(biāo)

3種降黏劑添加量均為2%，其中：降黏劑∶瀝青=2∶100，首先將瀝青加熱至170 ℃以上，而后不斷攪拌并緩慢加入降黏劑，待所有降黏劑添加完畢，持續(xù)攪拌15 min即制備完成。

1.2 混合料級(jí)配

本研究所用混合料為OGFC-5級(jí)配，由3檔集料組成，分別為3～5 mm玄武巖粗集料，0～3 mm石灰?guī)r細(xì)集料和石灰?guī)r礦粉，混合料級(jí)配的各檔通過(guò)率見(jiàn)表3。

表3 混合料級(jí)配各檔通過(guò)率

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)

瀝青常規(guī)指標(biāo)測(cè)試包括針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度及老化試驗(yàn)。試驗(yàn)參照規(guī)范JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

1.3.2黏度試驗(yàn)

通過(guò)布洛克菲爾德黏度(Brookfield viscosity)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定瀝青在不同溫度下的黏度，選用27號(hào)轉(zhuǎn)子，相應(yīng)的樣品質(zhì)量稱取13.5 g，試驗(yàn)從100 ℃開(kāi)始進(jìn)行，每上升10 ℃，測(cè)試相應(yīng)溫度下的黏度，待黏度結(jié)果小于500 mPa·s，停止升溫。將瀝青在不同溫度下的黏度數(shù)據(jù)繪入對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，并以冪函數(shù)y=axb進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的黏度-溫度曲線。其中：a、b為擬合系數(shù)；x為測(cè)試溫度，℃；y為對(duì)應(yīng)的黏度，mPa·s。

1.3.3混合料試驗(yàn)

本研究中混合料試驗(yàn)包括馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)(TSR)、肯塔堡飛散試驗(yàn)，以及車轍試驗(yàn)，以上所有試驗(yàn)均參照現(xiàn)行規(guī)范JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 黏度試驗(yàn)結(jié)果

將4種瀝青在不同溫度下的黏度繪入對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，并進(jìn)行冪函數(shù)擬合，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，4種瀝青的黏度-溫度曲線冪函數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.96，表明擬合結(jié)果非常好。觀察4種瀝青的黏溫曲線，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于高黏+聚乙烯蠟和高黏+Sasobit 2種瀝青，其黏溫曲線均在高黏瀝青的黏溫曲線下方，說(shuō)明在相同溫度下，添加聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑的高黏瀝青黏度小于原樣高黏瀝青，即降黏效果比較突出。而對(duì)于SZ降黏劑，在溫度低于120 ℃時(shí)，添加SZ的高黏瀝青黏度高于原樣高黏瀝青，而在較高溫度條件下，高黏+SZ瀝青的黏度又顯著小于原樣高黏瀝青，說(shuō)明SZ在高溫條件下降黏效果比較顯著。瀝青黏溫曲線擬合函數(shù)的冪絕對(duì)值，代表了瀝青黏度隨溫度變化的敏感性，即擬合函數(shù)冪的絕對(duì)值越大說(shuō)明瀝青隨溫度變化其黏度變化越敏感。

圖1 不同瀝青的黏度-溫度擬合關(guān)系

對(duì)比4種瀝青的黏溫曲線擬合函數(shù)冪的絕對(duì)值發(fā)現(xiàn)，添加Sasobit后，瀝青的黏度隨溫度變化的敏感性有所降低；添加聚乙烯蠟可使瀝青的黏度隨溫度變化的敏感性提升 ，然而添加SZ后瀝青的黏度隨溫度變化的敏感性迅速上升，因而出現(xiàn)，在較低溫度下高黏+SZ的黏度高于原樣高黏

瀝青，而在較高溫度下黏度又顯著低于原樣高黏瀝青。這種現(xiàn)象可能是由于SZ降黏劑本身的軟化點(diǎn)較高(達(dá)110 ℃)所致，即在溫度超過(guò)110 ℃以后SZ開(kāi)始融化，發(fā)揮降黏的作用。

根據(jù)不同瀝青黏度-溫度曲線的冪函數(shù)擬合關(guān)系式，擬定基準(zhǔn)黏度為1 000 mPa·s，通過(guò)擬合函數(shù)溫度反算，計(jì)算不同瀝青在對(duì)應(yīng)黏度下的溫度結(jié)果，以原樣高黏瀝青作為參照，計(jì)算添加降黏劑后高黏瀝青在對(duì)應(yīng)黏度下的溫度改變值作為溫拌效果，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？梢园l(fā)現(xiàn)在基準(zhǔn)黏度為1 000 mPa·s的條件下，3種降黏劑均有良好的溫拌降黏效果，溫度降低幅度在10 ℃以上，其中聚乙烯蠟降溫效果最優(yōu)，達(dá)到了16.7 ℃，相比之下，SZ的降溫幅度最小，這也與所選基準(zhǔn)黏度有關(guān)。

表4 不同瀝青的降黏效果

2.2 三大指標(biāo)

添加3種降黏劑后的瀝青三大指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同瀝青的三大指標(biāo)結(jié)果

從針入度指標(biāo)來(lái)看，聚乙烯蠟和Sasobit添加后，瀝青的針入度顯著降低，表明瀝青變硬，相應(yīng)的5 ℃延度指標(biāo)也有所下降，說(shuō)明這2種溫拌劑添加后瀝青的低溫性能有所降低。添加SZ降黏劑后瀝青的針入度有些許降低，而同時(shí)5 ℃延度指標(biāo)還有所增加，說(shuō)明SZ降黏劑的添加對(duì)瀝青的低溫性能有所改善。軟化點(diǎn)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明，添加3種降黏劑之后，瀝青的軟化點(diǎn)均有提升，表明瀝青的高溫性能得到改善，這是由于3種降黏劑本身的軟化點(diǎn)均高于高黏瀝青，添加后會(huì)提升瀝青的軟化點(diǎn)，其中SZ降黏劑本身軟化點(diǎn)最高，為110 ℃，因而對(duì)應(yīng)的高黏+SZ瀝青軟化點(diǎn)也最高。

基于前述瀝青的降黏結(jié)果，擬定對(duì)于高黏瀝青，其混合料拌和與成型溫度為175 ℃，而對(duì)于添加降黏劑的高黏瀝青，拌和與成型溫度統(tǒng)一為155 ℃，溫度降低20 ℃?；旌狭显嚰ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，直徑為100 mm、高度為63.5 mm，通過(guò)高度控制，保證試件具有相同的孔隙率，而車轍板成型采用規(guī)范中的輪碾成型方法。對(duì)于馬歇爾試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)，每組進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，并以誤差棒來(lái)表示數(shù)據(jù)浮動(dòng)情況。

2.3 馬歇爾穩(wěn)定度

混合料的馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同瀝青混合料的馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見(jiàn)，當(dāng)在高黏瀝青中添加降黏劑后，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度出現(xiàn)不同的變化，對(duì)于高黏+聚乙烯蠟和高黏+Sasobit，2組混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度均低于原樣高黏瀝青，而對(duì)于SZ降黏劑，添加到高黏瀝青后，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度有所增加，表明路用性能強(qiáng)度得到提升。從流值結(jié)果來(lái)看，高黏瀝青添加聚乙烯蠟后，混合料的流值結(jié)果有所提升，表明抗變形能力有所增強(qiáng)，而對(duì)于SZ和Sasobit 2種降黏劑，添加高黏瀝青后會(huì)使混合料的流值有所降低，說(shuō)明混合料在某種程度上變“硬”。

2.4 肯塔堡飛散

瀝青混合料的肯塔堡飛散實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同瀝青混合料的飛散結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，對(duì)于原樣高黏瀝青混合料來(lái)講，飛散損失比較小，僅為5.7%，表明高黏瀝青超薄罩面混合料的抗松散性能很好。而加入降黏劑后發(fā)現(xiàn)，混合料的飛散結(jié)果均變大，然而幾種溫拌高黏瀝青混合料的飛散結(jié)果均小于10%，遠(yuǎn)低于規(guī)范中升級(jí)配20%的飛散損失上限。說(shuō)明降黏劑的加入對(duì)混合料的抗松散性能有所損害，然而幅度非常有限，加入降黏劑后混合料的飛散指標(biāo)仍能滿足要求。相較之下添加SZ降黏劑的高黏瀝青混合料飛散損失低于其他2種降黏劑結(jié)果，說(shuō)明添加SZ的高黏瀝青混合料抗松散性能優(yōu)于添加其他2種降黏劑的混合料。

2.5 凍融劈裂

不同瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可見(jiàn)，高黏瀝青添加聚乙烯蠟降黏劑后，混合料的原樣劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度均比高黏瀝青混合料低，說(shuō)明混合料整體強(qiáng)度偏軟。添加Sasobit降黏劑的混合料劈裂強(qiáng)度與原樣高黏瀝青混合料相當(dāng)而SZ降黏劑的加入能提升混合料的劈裂強(qiáng)度，說(shuō)明混合料變硬，這一結(jié)果與馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果比較類似。觀察凍融劈裂強(qiáng)度比TSR結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原樣高黏瀝青混合料的TSR結(jié)果能到89%，而添加聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑的高黏瀝青混合料TSR結(jié)果降低，表明抵抗水損害能力下降，而添加SZ降黏劑的混合料的TSR結(jié)果上升，說(shuō)明SZ降黏劑有助于提升超薄罩面混合料的水穩(wěn)定性能。

2.6 車轍試驗(yàn)

不同瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，對(duì)于原樣高黏瀝青磨耗層混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度比較低，一方面與瀝青的高溫性能有關(guān)，另一方面也與級(jí)配有關(guān)，即選用小粒徑的級(jí)配會(huì)導(dǎo)致車轍性能下降。而降黏劑加入之后磨耗層混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均變大，說(shuō)明降黏劑有增加混合料高溫穩(wěn)定性的作用。前述瀝青三大指標(biāo)結(jié)果也表明降黏劑的加入提高了瀝青的軟化點(diǎn)，有助于提升瀝青的高溫性能。觀察發(fā)現(xiàn)，高黏+SZ瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最高，達(dá)到4 219次/mm，這是由于高黏+SZ瀝青的軟化點(diǎn)最高，高溫性能最好。

圖5 不同瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本研究通過(guò)在高黏瀝青中分別添加Sasobit、聚乙烯蠟和SZ降黏劑，以降低高黏瀝青的黏度從而降低混合料的生產(chǎn)拌和溫度，并進(jìn)行混合料性能驗(yàn)證。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1) 聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑對(duì)高黏瀝青降黏效果明顯，兩者降黏效果比較接近，而SZ降黏劑在高溫條件下降黏效果比較顯著，在較低溫度下反而會(huì)增加瀝青的黏度，與聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑不同，SZ降黏劑的加入使得瀝青的黏度變化敏感性增加。

2) 根據(jù)不同瀝青擬合的黏-溫曲線函數(shù)關(guān)系式，以1 000 mPa·s為基準(zhǔn)黏度進(jìn)行溫度反算，聚乙烯蠟、Sasobit和SZ 3種降黏劑加入可使瀝青溫度分別降低16.7 ℃，15.8 ℃和13.6 ℃，相應(yīng)的混合料拌和溫度可平均降低20 ℃，達(dá)到溫拌的效果。

3) 高黏瀝青加入降黏劑會(huì)提升熱拌超薄磨耗層混合料的高溫性能，而對(duì)抗松散性能有所損害，對(duì)于聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑，其混合料性能比較接近，添加到高黏瀝青當(dāng)中會(huì)使混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和TSR結(jié)果有所降低，而SZ降黏劑不同于聚乙烯蠟和Sasobit，可提升混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和抗水損害性能，是一種高性能降黏劑。