不同溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響

馬 峰, 袁康博, 傅 珍, 代佳勝, 郭興隆

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

近年來,瀝青路面作為我國高等級路面鋪筑的首選,其發(fā)展規(guī)模也隨經(jīng)濟發(fā)展逐漸擴大[1]。在傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料生產(chǎn)中,瀝青和所用集料在一定高溫下才可進行拌和、攤鋪、碾壓,其拌和溫度一般情況下不低于160 ℃。因此在瀝青混合料生產(chǎn)過程中,大量能源被消耗,溫室氣體以及有害物質(zhì)等也相應(yīng)產(chǎn)生[2]。近年來,綠色公路建設(shè)成為熱門話題,為推動其發(fā)展,溫拌瀝青混合料技術(shù)被學(xué)術(shù)界提出并蓬勃發(fā)展,降低施工溫度、能源消耗和污染物排放成為其發(fā)展目標(biāo)[3]。因此溫拌劑作為改性劑,被越來越廣泛地運用。

國內(nèi)外對于溫拌技術(shù)已經(jīng)有較多研究,并道出研究溫拌瀝青路用性能的必要性[4]。文獻[5]研究了Evotherm溫拌劑改性的瀝青混合料,結(jié)果發(fā)現(xiàn),使用溫拌劑對混合料進行改性,能源的消耗以及污染氣體排放量可以得到有效降低,且相對于熱拌瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能與抗水損害性能;文獻[6]研究了新型溫拌劑ZYF-1,研究表明,ZYF-1對瀝青混合料的低溫性能及水穩(wěn)定性有不利的影響,但與其他種類的常用溫拌劑相比,其不利影響相對較小;文獻[7]在再生瀝青混合料中添加Sasobit和Aspha-min溫拌劑,并對其進行路用性能研究,研究表明,混合料的抗車轍性能在2種溫拌劑的加入下均有所提高,但溫拌劑的添加對抗疲勞開裂性能并沒有較大的影響,且降低了混合料的低溫性能;文獻[8]研究了Sasobit溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響,結(jié)果表明,摻入Sasobit使混合料的抗車轍性能得以提高,而水穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及疲勞性能則會衰減;文獻[9-12]從溫拌劑種類及摻量入手,研究了Sasobit和Aspha-min改性后瀝青混合料的路用性能,研究發(fā)現(xiàn),溫拌劑可有效降低施工溫度,且合適摻量的溫拌劑對混合料的高溫性能有所提升,其摻入對低溫性能、抗水損害性能、抗疲勞性能等略有不利,但均滿足規(guī)范要求。由于改性劑種類以及溫拌技術(shù)的多樣性,雖然針對溫拌瀝青混合料性能的研究較多,但未將2種常用溫拌劑對不同瀝青混合料性能的影響加以對比,也未系統(tǒng)地將基質(zhì)瀝青及其SBS改性瀝青混合料與其兩者進行溫拌改性后的瀝青混合料的路用性能進行對比。

基于此,本研究將Sasobit和Aspha-min 2種常用溫拌劑分別加入SK90瀝青及其SBS改性瀝青中,通過對加入溫拌劑瀝青混合料的研究,分析了其對瀝青混合料路用性能的影響,旨在對我國綠色公路建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 原材料及混合料設(shè)計

1.1 原材料

1.1.1 瀝青及礦料

本研究選用玄武巖為其粗細集料,磨細的石灰?guī)r為其礦粉,選用AC-13連續(xù)型密級配為其級配類型。為研究溫拌瀝青混合料的路用性能,本研究中瀝青選擇施工中使用較多且性能良好的基質(zhì)瀝青SK90及其SBS改性瀝青,SBS改性劑的摻量為瀝青質(zhì)量的4%,其相關(guān)指標(biāo)見表1、表2所列。

表1 SK90瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS改性劑相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 溫拌劑

以Sasobit和Aspha-min為溫拌劑用以制備溫拌瀝青混合料,Aspha-min溫拌劑為一種人工合成沸石,是含有一定結(jié)合水的硅酸鋁礦物,遇熱瀝青很快融入并伴隨大量水分放出;Sasobit為一種新型的聚烯烴類瀝青普適改性劑,是一種固體石蠟,能夠增加瀝青的流動性。Aspha-min、Sasobit溫拌劑的具體參數(shù)見表3、表4所列。

表3 Aspha-min溫拌劑相關(guān)技術(shù)指標(biāo)、

表4 Sasobit溫拌劑相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

1.2 施工溫度的確定

為準(zhǔn)確得到2種溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響,本研究共制備6種瀝青混合料用以對比其路用性能,分別為基質(zhì)瀝青(種類1)以及使用Aspha-min、Sasobit對其進行改性的溫拌瀝青混合料(種類2、種類3)、SBS改性瀝青混合料(種類4)及使用Aspha-min、Sasobit對其進行改性的溫拌瀝青混合料(種類5、種類6)。Aspha-min可直接加入石料中拌和,摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%,其拌和方式為干拌;Sasobit溫拌瀝青混合料的制備,則先完成溫拌瀝青結(jié)合料的制備,摻量為瀝青質(zhì)量的3%,其拌和方式為濕拌。以4%空隙率確定各種溫拌瀝青混合料施工時所需溫度[13]。4%空隙率所確定的各種瀝青混合料拌和及成型溫度如圖1所示。

圖1 瀝青混合料拌和溫度及成型溫度

從圖1可以看出,2種溫拌劑對瀝青混合料的施工溫度有不同程度的降低。在摻入Aspha-min后,基質(zhì)瀝青及其SBS改性瀝青混合料施工溫度分別降低了19、18 ℃;摻入Sasobit后,其施工溫度分別降低了23、24 ℃;Sasobit溫拌劑與另一種溫拌劑相比，對混合料的降溫作用更為明顯。

1.3 油石比的確定

為確定最佳油石比,本文采用馬歇爾試驗方法,并根據(jù)已確定的施工溫度制作試件。最佳油石比的選取見表5所列。

表5 溫拌瀝青混合料油石比 單位:%

2 混合料路用性能分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

為評價混合料高溫穩(wěn)定性,采用車轍試驗,利用動穩(wěn)定度并結(jié)合相對變形率對其進行評價[14-15],實驗結(jié)果如圖2所示。動穩(wěn)定度與相對變形率的比值K如圖3所示。

由圖2可知,相對變形率與動穩(wěn)定度的變化趨勢大致相反,僅采用動穩(wěn)定度為唯一指標(biāo)來評價高溫性能是不準(zhǔn)確的,因此以相對變形率作為輔助評價指標(biāo)來評價混合料的高溫性能。由圖2、圖3可知,加入2種溫拌劑后,瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯提高,K值總體上也呈現(xiàn)出上升趨勢。2種溫拌劑對混合料的高溫性能均有較明顯的改善。尤其是Sasobit溫拌劑的加入,使SK90及其改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提升70.9%和27.4%,且從K值可看出，加入Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青混合料與其他混合料相比具有更好的性能。但與Sasobit溫拌劑相比,Aspha-min對混合料的高溫抗車轍性能提升作用并不突出。

圖2 溫拌瀝青車轍試驗動穩(wěn)定度和相對變形率

圖3 動穩(wěn)定度與相對變形率比值K

溫拌劑的加入在一定程度上可提高瀝青的軟化點,因此瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會隨著溫拌劑的加入而得到提升,特別是加入Sasobit溫拌劑,提升幅度較大，Sasobit所吸附的瀝青中的飽和組分隨著瀝青溫度的降低逐漸析出,與瀝青中未被熔化的Sasobit形成網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu),這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得瀝青在高溫時的流動性降低,從而使混合料的穩(wěn)定性得到一定的提升,抗車轍性能也隨之提升;但是此種溫拌劑為一種固體石蠟,過多的蠟會導(dǎo)致瀝青在高溫時發(fā)軟,混合料的高溫穩(wěn)定性由此降低進而出現(xiàn)車轍等病害,因此Sasobit的摻量須控制在一定范圍內(nèi),才能使混合料獲得良好的高溫性能,過高的摻量會使高溫性能大幅下降。

2.2 低溫抗裂性

為評價溫拌瀝青混合料的低溫性能,選用彎曲破壞試驗以及彎曲蠕變試驗[16]。在最佳油石比下制備出溫拌瀝青混合料小梁試件,得到的最大彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D4所示，勁度模量如圖5所示。

圖4 溫拌瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變

圖5 溫拌瀝青混合料勁度模量

從圖4可以看出,6種瀝青混合料的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，但與SK90及其改性瀝青混合料相比,在其中摻入Aspha-min溫拌劑使其最大彎拉應(yīng)變分別降低了3.8%和1.4%,在其中摻入Sasobit溫拌劑使其最大彎拉應(yīng)變分別降低了13.5%和8.3%。

由圖5可知，在對SK90采用Sasobit進行溫拌改性會使瀝青混合料的勁度模量有所下降,但Sasobit使得SBS改性瀝青混合料的勁度模量提高了7.7%;Aspha-min溫拌劑使得SK90及其改性瀝青混合料的勁度模量分別提高了4.3%和1.2%。

綜上所述,對于混合料的低溫性能2種溫拌劑的加入都無明顯改善作用,摻入Aspha-min溫拌劑的瀝青混合料低溫性能略優(yōu)于Sasobit溫拌劑,2種溫拌劑改性后的混合料與基質(zhì)瀝青混合料相比,其低溫性能滿足路面正常使用。

低溫條件下瀝青的柔性主要由瀝青中極性分子以及具有直鏈與環(huán)狀基團分子的含量、類型以及自由度所決定。而Sasobit溫拌劑幾乎不能與其結(jié)合成晶體,因此Sasobit的加入對瀝青的低溫性能沒有明顯改善,且由于Sasobit中含有的異烷烴具有支鏈,其含量過大會對瀝青的低溫性能造成不利影響,使橡膠瀝青往變硬變脆的方向發(fā)展,瀝青的低溫延度便出現(xiàn)降低的趨勢,加入Sasobit溫拌劑后混合料的低溫性能出現(xiàn)較為明顯的下降，而Aspha-min溫拌劑中所含的水會在瀝青中產(chǎn)生細小的噴霧,使得瀝青的體積膨脹,較低溫度下的和易性也有所提升,因此使用其進行改性的瀝青混合料低溫性能略優(yōu)于Sasobit溫拌劑改性的,但使用Sasobit溫拌劑改性的SBS改性瀝青混合料滿足路面使用要求。

2.3 抗疲勞性能

本文對溫拌瀝青混合料疲勞性能進行研究,采用四點彎曲疲勞試驗,并進行二次疲勞加載試驗,以對溫拌瀝青混合料的自愈合性能進行研究?；旌狭系膽?yīng)變與疲勞壽命擬合曲線如圖6所示。

圖6 應(yīng)變疲勞壽命擬合曲線

由圖6可知,隨著瀝青混合料應(yīng)變水平的增加,其疲勞壽命持續(xù)下降。在瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑后,會略微增加瀝青混合料的疲勞壽命;而加入Aspha-min溫拌劑,疲勞壽命略有下降。這表明對于瀝青混合料的抗疲勞性能,Sasobit溫拌劑使用后其有所提升。由于在改性瀝青中加入Sasobit溫拌劑能較好地提高其低溫黏度,其抗疲勞性能可得到改善;而Aspha-min溫拌劑對其略有不利。

在加載應(yīng)變?yōu)?00×10-6的條件下,進行二次加載試驗,其初始勁度模量和疲勞壽命變化如圖7、圖8所示。

圖7 瀝青混合料愈合前后初始勁度模量

圖8 瀝青混合料自愈合前后疲勞壽命

從圖7可以看出,瀝青混合料中加入Aspha-min溫拌劑,初次加載后的初始勁度模量都有增加;自愈合后,基質(zhì)瀝青的初始勁度模量略有增加,而改性瀝青則略有下降。加入Sasobit溫拌劑,使得混合料初次加載和自愈合后的初始勁度模量均呈現(xiàn)上升趨勢。

從圖8可以看出,加入Aspha-min溫拌劑的混合料在自愈合后,與初次加載時相比,其疲勞壽命略有縮短;而Sasobit溫拌劑提高了瀝青混合料初次加載和自愈合后的疲勞壽命。結(jié)果表明,加入Aspha-min溫拌劑的瀝青混合料在自愈合后,瀝青混合料初始勁度模量和疲勞壽命均略有降低;而瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑,疲勞壽命和初始勁度模量均呈上升趨勢,因此在瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑,可以提高自愈合能力。

出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是:隨著瀝青混合料中加入的Aspha-min溫拌劑所釋放的水分逐漸揮發(fā),瀝青混合料中會逐漸產(chǎn)生一些微小裂縫;而瀝青混合料中加入Sasobit溫拌劑后,會增加黏結(jié)能力,隨著瀝青混合料試件溫度的上升,瀝青混合料逐漸軟化形成固-液二相膠體材料,提高的黏結(jié)性能使得瀝青混合料勁度模量和疲勞壽命也有所提高。

溫拌瀝青混合料與熱拌混合料相比更容易受潮,Aspha-min和Sasobit 2種溫拌劑使得混合料的水穩(wěn)定性都有著不同程度的下降[17],摻入Sasobit的混合料抗水損害性能滿足規(guī)范要求,而Aspha-min使得混合料水穩(wěn)定性下降較多,達不到規(guī)范要求[18]。但在實際工程中,抗剝落劑的使用可以有效降低水分損害,因此摻入溫拌劑后瀝青混合料各方面性能可滿足使用要求[19]。

3 結(jié) 論

本文通過比較加入的瀝青混合料與未經(jīng)過溫拌劑改性的瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和抗疲勞性能,得出以下結(jié)論:

(1) Aspha-min、Sasobit 2種溫拌劑均可提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能,但同時又都對低溫抗裂性較為不利,此外Sasobit溫拌劑可以提高瀝青混合料的疲勞性能;總體上在SBS改性瀝青中加入2種溫拌劑,其路用性能滿足規(guī)范要求。

(2) 在瀝青混合料中加入溫拌劑后最大彎拉應(yīng)變略有下降,而勁度模量增加。2種溫拌劑的摻入不能提升混合料的低溫性能,反而略有不利。但在SBS改性瀝青混合料中加入溫拌劑,其低溫性能滿足路面使用要求。

(3) Sasobit溫拌劑對瀝青混合料施工溫度的降低效果以及高溫穩(wěn)定性的改善效果顯著優(yōu)于Aspha-min溫拌劑,且Sasobit溫拌劑能夠提高瀝青混合料的抗疲勞性能,SBS改性瀝青混合料中摻入Sasobit溫拌劑可獲得性能優(yōu)良的溫拌瀝青混合料。