溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能改善措施

王 春,張喜艷,郝培文

(1.長安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064;2.西安西北民航項(xiàng)目管理有限公司,陜西 西安 710075)

瀝青路面的水損害基本可以歸為以下兩方面原因[1]：一是路面內(nèi)部的水分在車輛和環(huán)境因素作用下,侵入到了集料與瀝青界面,導(dǎo)致二者的粘附性下降;二是瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分在車輛荷載作用下產(chǎn)生了沖刷作用,更加速了瀝青膜的剝離,進(jìn)而導(dǎo)致集料顆粒出現(xiàn)松散掉粒,形成坑槽等病害。

溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)由于集料加熱溫度低水分難以充分烘干,使其在生產(chǎn)過程中就在集料表面殘留了一些水分,使得混合料始終受到水損害的威脅[2-6]。由于不同類型的溫拌技術(shù)降黏機(jī)理不同,所以添加不同溫拌劑以后對混合料水穩(wěn)性能的影響也略有不同。溫拌劑Aspha-min對WMA的水穩(wěn)定性影響最大[7-8],因?yàn)槠溽尫诺臍埩艚Y(jié)晶水及結(jié)晶水釋放完成后的殘留粉末都會影響瀝青與集料的粘附性。國外許多研究都認(rèn)為WMA路用性能和熱拌瀝青混合料(Hot Mix Asphalt,HMA)基本能達(dá)到同一水平，法國研究者通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)WMA只有水穩(wěn)定性能稍差于HMA[9]。黃開斌[10]采用常規(guī)試驗(yàn)及DSR、低溫蠕變試驗(yàn)等對添加Sasobit、Aspha-min的WMA與HMA混合料性能進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)添加兩種溫拌劑的WMA的水穩(wěn)定性都沒有受到影響,但是對于低溫性能則都有不利影響,而添加Sasobit的WMA提高了高溫穩(wěn)定性。孟良[11]通過測試WMA試件與HMA試件在凍融循環(huán)前后的動態(tài)模量,提出以凍融動態(tài)模量比來評價(jià)WMA的水穩(wěn)定性,研究表明該方法與傳統(tǒng)的凍融劈裂強(qiáng)度比具有良好的相關(guān)性,在添加Evotherm DAT和Saso WAM溫拌劑后混合料的水穩(wěn)定性仍能達(dá)到HMA水平。竇暉[12]采用“表面能”理論對溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)瀝青與集料種類對計(jì)算結(jié)果都有影響,但當(dāng)采用堿性集料如石灰?guī)r時(shí),則不論采用何種瀝青其水穩(wěn)定性都不會受到影響。陳偉等[13]通過凍融劈裂試驗(yàn)以及漢堡車轍試驗(yàn)對某乳化型溫拌瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)WMA的水穩(wěn)定性與HMA基本一致。劉雙[14]在采用凍融試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)對分別添加Aspha-min、Sasobit、Evotherm DAT的WMA與HMA路用性能進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)添加溫拌劑后混合料性能相對HMA并沒有下降。李鵬飛[15]針對有機(jī)蠟型 WMA的水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,通過闡述該類 WMA 水損害發(fā)生的細(xì)觀行為,提出了該類 WMA 中集料的臨界含水率,為改善有機(jī)蠟類WMA水穩(wěn)定性能提供了理論依據(jù)。

由于溫度降低,集料不能完全烘干,殘留的水分必然會影響瀝青與集料的粘附,因此WMA的水穩(wěn)定性會有所下降?；诖?筆者對添加Aspha-min、Sasobit和DAT3種溫拌劑的WMA水穩(wěn)定性進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和動水沖刷試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了不同WMA水穩(wěn)定性衰減原因,提出了采用抗剝落劑和硅藻土對Aspha-min和Sasobit兩種溫拌劑進(jìn)行復(fù)配改性的方式來改善這兩種WMA的水穩(wěn)性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

粗、細(xì)集料采用角閃巖,礦粉采用石灰?guī)r，其表現(xiàn)相對密度為2.744,不同規(guī)格礦料的密度見表1。

表1 集料密度Table 1 The density of aggregates

瀝青采用SBS改性瀝青,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表2。溫拌劑選擇沸石類Aspha-min、有機(jī)蠟類Sasobit和表面活性類Evotherm DAT,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 The technical specification of asphalt

表3 溫拌劑技術(shù)指標(biāo)Table 3 The technical specification of warm mix agent

礦料級配為AC-13,合成結(jié)果見表4。采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定混合料最佳油石比(見表5),WMA采用相同級配HMA的油石比。HMA的最佳拌和溫度取180 ℃,最佳壓實(shí)溫度取160 ℃,WMA的最佳拌和溫度取160 ℃,最佳壓實(shí)溫度取140 ℃。

表4 AC-13瀝青混合料合成級配Table 4 The gradation of AC-13

表5 最佳油石比下AC-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The optimum asphalt content of AC-13

1.2 水穩(wěn)定性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法,對1種HMA與3種WMA的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂進(jìn)行了驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果見表6～表7。

表6 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of immersion Marshall test

表7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The results of freeze-thaw splitting test

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知,溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度都可以達(dá)到熱拌瀝青混合料的水平,但是凍融劈裂強(qiáng)度比都有不同程度的下降,其中使用Aspha-min的最差。

1.3 采取改善措施后的水穩(wěn)性能

基于上述溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的不利情況,筆者通過復(fù)配改性的方法對Aspha-min和Sasobit兩種固體類溫拌劑進(jìn)行改進(jìn)。目前可用于改善混合料水穩(wěn)定性能的材料種類很多,但應(yīng)用較多的主要有抗剝落劑、消石灰、水泥、硅藻土等,其中抗剝落劑又分液體和固體兩大類。通過分析各種材料添加于瀝青混合料時(shí)的改善效果,筆者選擇以抗剝落劑和硅藻土來進(jìn)行復(fù)配,由于兩種溫拌劑都是固體,所以抗剝落劑也選擇固體粉末狀材料。筆者所選復(fù)配材料A為新型非胺類瀝青抗剝落劑,外觀為棕黃色固體微顆粒(見圖1(a));所選復(fù)配材料B為硅藻土,是一種微細(xì)粉末狀固體,呈淺黃色(見圖1(b)),其中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上,具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好等特性,能夠有效改善瀝青混合料的使用性能。兩種復(fù)配材料的復(fù)配方案如表8所示。由于添加溫拌劑對混合料的殘留穩(wěn)定度基本沒有影響,因此復(fù)配后僅做凍融劈裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

圖1 復(fù)合溫拌劑的兩種復(fù)配材料Fig.1 Two kinds of materials forcomposite warm mixing agent

表8 復(fù)合溫拌劑復(fù)配方案Table 8 The composite scheme of composite warm mixing agent

表9 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 9 The results of freeze-thaw splitting test

1.4 動水沖刷試驗(yàn)

目前,國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的評價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法大多屬于靜態(tài)浸水試驗(yàn),而瀝青路面內(nèi)部水分在車輛荷載作用下卻會產(chǎn)生動水壓力,即實(shí)際情況遠(yuǎn)比試驗(yàn)條件苛刻。鑒于此,筆者在常規(guī)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用課題組研發(fā)的動水壓力沖刷試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖2)[2],對Aspha-min、Sasobit、DAT三種溫拌瀝青混合料及改進(jìn)后的復(fù)合溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行測試與評價(jià),以更好地分析溫拌劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響作用。

圖2 動水沖刷試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 The hydrodynamic scouring test system

該試驗(yàn)系統(tǒng)通過對瀝青混合料試件循環(huán)不斷地施加正負(fù)壓力,使水流在壓力作用下不斷沖刷試件內(nèi)部孔隙,從而模擬瀝青路面在車輛荷載作用下的動水沖刷作用。

本次試驗(yàn)采用的試驗(yàn)參數(shù)如下[1]：

動水沖刷壓力：正壓100 kPa,負(fù)壓90 kPa;動水沖刷溫度：60 ℃,沖刷前試件需先在60 ℃水溫中保溫1小時(shí);往復(fù)沖刷次數(shù)：200次,約1 h。

對沖刷后的瀝青混合料試件,采用單軸貫入試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)對其力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià),評價(jià)指標(biāo)為沖刷后試件強(qiáng)度與未沖刷試件強(qiáng)度之比。

1.4.1 單軸貫入試驗(yàn)——位移強(qiáng)度法

采用位移強(qiáng)度法[16]對動水沖刷后溫拌瀝青混合料的高溫抗剪切性能進(jìn)行研究。位移強(qiáng)度法是一種評價(jià)瀝青混合料抗剪性能的新方法,加載方式與傳統(tǒng)貫入剪切試驗(yàn)類似,但其半圓形壓頭可以更好的模擬實(shí)際路面的受力情況,而且在計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮了應(yīng)力強(qiáng)度和塑性位移。

試驗(yàn)條件及結(jié)果計(jì)算方式如下：

試件：標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件;

加載方式：采用位移控制方式,加載速度50 mm/min;

試驗(yàn)溫度：60℃;

壓頭：半圓形壓頭(見圖3),壓頭外徑D為40 mm,倒角半徑r為10 mm;

圖3 壓頭尺寸Fig.3 The size of indenter

計(jì)算公式：試驗(yàn)結(jié)果按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：SD為應(yīng)力強(qiáng)度,MPa;P為應(yīng)力最大值,N;D為外徑，40 mm;r為倒角內(nèi)徑，10 mm;y為最大應(yīng)力對應(yīng)的位移,mm。試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果Table 10 The results of uniaxial penetration test

1.4.2 低溫劈裂試驗(yàn)

采用-10 ℃劈裂試驗(yàn)來評價(jià)溫拌瀝青混合料試件在動水沖刷后的力學(xué)性能,具體試驗(yàn)參照《瀝青混合料劈裂試驗(yàn)》(JTG E20T0716—2011)進(jìn)行,試件由馬歇爾法雙面各擊實(shí)75次成型,試驗(yàn)加載速率為1 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 11 The results of splitting test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果分析

對HMA與WMA的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The test results of water stability of WMA

由圖4可知：

(1)添加三種溫拌劑后,WMA的馬歇爾穩(wěn)定度相比HMA都有所下降,但是其殘留穩(wěn)定度則都達(dá)到了HMA的水平,其中添加Sasobit和DAT的都與HMA的一致,而Aspha-min甚至超出了HMA的水平。

(2)三種WMA的劈裂強(qiáng)度也比HMA的劈裂強(qiáng)度降低了一些,而且由于凍融試驗(yàn)條件更加苛刻,所以WMA的TSR(表征凍融劈裂強(qiáng)度比)普遍沒有達(dá)到HMA的技術(shù)水平,添加Sasobit和DAT的還能稍稍高出規(guī)范要求值80%,而添加Aspha-min的則下降較嚴(yán)重,甚至比規(guī)范要求值還低了十個(gè)百分點(diǎn)。這是由于WMA降低生產(chǎn)溫度后,集料中原有的水分不能夠充分烘干,而且溫拌劑中引入的水分(Aspha-min與DAT)也會有一些殘留在瀝青與集料界面之間,從而導(dǎo)致溫拌瀝青混合料始終存在潛在的水損害威脅,當(dāng)經(jīng)歷凍融循環(huán)后,其中殘留的水分也會經(jīng)歷凍脹與消融的過程,更加速了瀝青從集料表面剝離,導(dǎo)致集料剝落松散直至坑槽。Aspha-min WMA試件在經(jīng)歷凍融循環(huán)后試件破壞面上集料顆粒表面的瀝青膜則明顯剝離。

(3)從殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)可以看出,盡管添加溫拌劑后混合料的穩(wěn)定度都有下降,但是添加Sasobit的明顯較其他兩種下降較少,這說明晶格結(jié)構(gòu)的Sasobit熔于瀝青中后呈網(wǎng)狀分布，起到了加筋作用。但由于Sasobit仍然具有蠟的性質(zhì),所以添加以后也會影響瀝青的低溫抗裂性能,因此其TSR也較小。

(4)綜上可知,使用溫拌添加劑后混合料的水穩(wěn)定性普遍有下降趨勢,因此,在工程應(yīng)用中應(yīng)該對WMA的水穩(wěn)定性進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn),當(dāng)水穩(wěn)定性較差時(shí)必須采取改善措施。

2.2 采取改善措施后水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果分析

對Aspha-min和Sasobit兩種固體類溫拌劑進(jìn)行復(fù)配改性后，其混合料殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 添加復(fù)合溫拌劑的瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.5 The TSR with composite warm mixing agent after freeze-thaw splitting test

由圖5可知,采用抗剝落劑與硅藻土對兩種溫拌劑進(jìn)行復(fù)配改性后,WMA的凍融劈裂強(qiáng)度比都有了顯著提高。

(1)對于Aspha-min溫拌劑,采用抗剝落劑復(fù)配比硅藻土對TSR的改善效果更好,而同時(shí)采用抗剝落劑與硅藻土進(jìn)行復(fù)合改性時(shí)效果達(dá)到最佳,其TSR排序?yàn)門SR(方案③)>TSR(方案①)>TSR(方案②)>TSR(Aspha-min WMA)。

(2)對于Sasobit溫拌劑,采用抗剝落劑復(fù)配比硅藻土對TSR提高更多,而同時(shí)采用抗剝落劑與硅藻土進(jìn)行復(fù)合改性時(shí)與單獨(dú)使用抗剝落劑改性的效果基本一樣,各方案TSR排序?yàn)門SR(方案⑥)>TSR(方案④)>TSR(方案⑤)>TSR(Sasobit WMA)。

(3)綜上可知,抗剝落劑對WMA水穩(wěn)定性的改善效果比硅藻土更好,如圖6所示,未添加抗剝落劑的混合料凍融劈裂后試件內(nèi)部瀝青與集料剝離現(xiàn)象非常明顯,而添加抗剝落劑后凍融劈裂試件內(nèi)部則基本看不到瀝青與集料剝離的情況。因此對于Aspha-min和Sasobit溫拌劑,當(dāng)僅考慮水穩(wěn)定性時(shí),應(yīng)優(yōu)先推薦采用抗剝落劑進(jìn)行復(fù)配。

圖6 添加抗剝落劑前后Aspha-min溫拌瀝青混合料凍融后試件Fig.6 The specimen with composite warm mixing agent after freeze-thaw splitting test

2.3 動水沖刷試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 單軸貫入強(qiáng)度

由表10可知：①從未沖刷試件的應(yīng)力強(qiáng)度可以看出,添加溫拌劑后混合料的抗剪強(qiáng)度都有不同程度的下降。這也表明WMA拌和溫度降低后,確實(shí)使得瀝青老化程度減弱,瀝青相對而言仍然較軟,對混合料抗剪切性能較為不利。②動水沖刷前后WMA試件單軸貫入的位移也基本上都大于HMA,說明WMA的抗變形能力確實(shí)有所削弱。③所有混合料的殘留應(yīng)力強(qiáng)度比都處于較高水平,而且添加溫拌劑后混合料的殘留應(yīng)力強(qiáng)度比不降反升,說明添加溫拌劑后混合料的水穩(wěn)定性得到了改善,這與殘留穩(wěn)定度結(jié)果較為一致,而與凍融劈裂強(qiáng)度比完全不符,這應(yīng)該是與動水沖刷試件的試驗(yàn)條件沒有凍融劈裂苛刻有關(guān),動水沖刷試件60 ℃浸水時(shí)間僅有2 h,而且試件是75次擊實(shí)成型的,空隙率較凍融劈裂試件小。④在對Aspha-min和Sasobit兩種溫拌劑進(jìn)行復(fù)合改性后,混合料殘留應(yīng)力強(qiáng)度比有所提高,而最大應(yīng)力對應(yīng)位移也有一定增長,說明復(fù)合改性后混合料的水穩(wěn)定性有一定改善,而高溫抗變形能力則有所下降。

2.3.2 低溫劈裂試驗(yàn)

由表11可知：①從未沖刷試件的劈裂抗拉強(qiáng)度來看,添加溫拌劑后混合料的低溫抗裂性能都有不同程度的下降,表明溫拌劑的使用對混合料的低溫抗裂性能確有不利影響。②添加溫拌劑后瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度比都有所下降,但是仍然都處于較高水平,這與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果仍不相符,可見即使采用動水沖刷,如果試驗(yàn)條件沒有凍融劈裂苛刻,那么其劈裂強(qiáng)度仍然不會受到太大影響。③Aspha-min溫拌劑在復(fù)合改性后,其水穩(wěn)定性能都得到了一定程度的改善;而Sasobit溫拌劑在復(fù)合改性后,只有方案⑤(單獨(dú)添加硅藻土)的水穩(wěn)定性能有所提高,而方案④和⑥的水穩(wěn)定性則都有所降低。

3 結(jié) 論

(1)通過常規(guī)的水穩(wěn)定性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)使用沸石類Aspha-min溫拌劑的瀝青混合料水穩(wěn)定性較差,而使用有機(jī)蠟類Sasobit溫拌劑的瀝青混合料水穩(wěn)定性也處于較低水平,在多雨且寒冷地區(qū)使用時(shí)應(yīng)采取一定改善措施。

(2)采用抗剝落劑和硅藻土對Aspha-min和Sasobit溫拌劑進(jìn)行復(fù)配改性后兩種WMA的水穩(wěn)性能都能得到明顯改善,在綜合考慮不同方案性價(jià)比后推薦采用硅藻土進(jìn)行復(fù)配,復(fù)配改性后的WMA可以廣泛適用于不同氣候區(qū)域。

(3)動水沖刷試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)以及低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明,筆者采用的動水沖刷試驗(yàn)條件對混合料強(qiáng)度的損害要遠(yuǎn)小于凍融作用。