WG-Ⅰ温拌剂对水工沥青混凝土性能的影响

2019-07-29

长江科学院院报 2019年7期

(西安理工大学土木建筑工程学院，西安 710048)

1 研究背景

沥青混凝土在我国水利设施中广泛应用，常作为防渗材料和稳定材料应用于土石坝中的防渗部位、渠道防渗加固层、透水坝的滤水构造及其他方面[1]。目前，沥青混凝土的制备是将温度为165～175 ℃的沥青与165～185 ℃的热骨料进行拌合，随后在≥120 ℃的温度下进行现场摊铺与碾压[2-3]。随着拌合温度的升高，骨料表面裹附的沥青膜越薄，沥青的高温老化程度就越深，低温破坏应变随之减小，混凝土表面容易出现温缩裂缝，这将对沥青混凝土的整体防渗性和结构稳定性产生影响。因此，有必要研究低温条件下沥青混凝土的温拌技术，同时提升沥青混凝土的力学性能。

自20世纪90年代以来，国内外开展了沥青混凝土温拌技术的研究，该技术旨在降低沥青混凝土的拌合及摊铺温度，同时保持其性能[4]。温拌技术通常采取沥青与骨料在较低温度条件下(100～140 ℃)进行拌合，使物理性能到达或靠近热拌沥青混凝土，从而在拌合过程中减少燃料消耗、节约生产成本、减少有害气体排放、延长沥青混凝土的应用时间等[5-6]。

目前，国内外企业通常在沥青中加入温拌剂，实现低温拌合沥青混凝土。已经研制并推广的温拌剂有几十种，其温拌方式主要为泡沫沥青法、有机添加剂法、表面活性添加剂法，这3种方式均可实现沥青混凝土的低温拌合[7-8]。研究表明不同温拌剂的适用范围、使用条件、工艺设计及适用效果均有所不同[9-10]。WG-Ⅰ温拌剂为表面活性剂型温拌剂，本文主要研究WG-Ⅰ温拌剂不同掺量对沥青性能、劈裂试验的影响，并对比了常规沥青混凝土(沥青、骨料温度均为170 ℃)与温拌剂掺量为2%的温拌沥青混凝土(沥青温度为170 ℃，骨料温度为120 ℃)在拉伸试验、弯曲试验、压缩试验中的性能，确定WG-Ⅰ温拌剂的应用条件，为现场施工提供相应技术参考。

表5 各级骨料通过率Table 5 Grading of the mixture ratio

2 原材料及试验方法

2.1 温拌剂

WG-Ⅰ温拌剂为棕黄色液体，密度为0.910～0.950 g/cm3,20 ℃时黏度为520 mPa·s，属于表面活性剂型温拌剂。使用时，通常将其掺入到温度为100 ℃以上的基质沥青中，搅拌均匀后备用。它能够与沥青形成胶束结构，通过降低沥青的黏度，从而降低沥青混凝土的施工温度。

2.2 沥青

研究采用克拉玛依A级水工90号沥青，基本技术指标测试数据见表1。

表1 水工90号沥青技术参数
Table 1 Technical parameters of No.90 hydraulic asphalt

数据类别针入度/(0.1 mm)软化点/℃延度/cm实际测量值93.946.6>150技术标准80～100≥44≥45

注：针入度测试温度为25 ℃ ；延度测试温度为10 ℃

2.3 骨料

试验采用某工程石灰岩作为原材料，原材料检测结果见表2—表4。

表2 粗骨料质量检测结果Table 2 Inspection results of coarse aggregate quality

表3 细骨料质量检测结果Table 3 Inspection results of fine aggregate quality

表4 填料质量检测结果Table 4 Inspection results of packing quality

经检测，沥青、石灰岩粗骨料、破碎后的细骨料及矿粉各项指标均满足《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL 501—2010)的技术要求，可用于本文试验。

2.4 沥青混凝土配合比选择

通过配合比优选试验，确定级配指数为0.4，矿粉含量为12%，油石比为7%,可作为本文劈裂及性能试验中沥青混凝土的配合比。沥青混凝土各级骨料通过率见表5，级配曲线见图1。

图1 沥青混凝土级配曲线Fig.1 Gradation curves of asphalt concrete

2.5 试验方法

结合工程实际应用，采用温差拌合法制备马歇尔试件，即沥青温度为170 ℃，骨料温度为120 ℃，正反击实35次成型马歇尔试件，并对试件进行劈裂试验，通过分析温拌剂掺量与应力、应变的关系曲线，得到最适合的温拌剂掺量，随后对比其在拉伸试验、弯曲试验、压缩试验中的性能。

3 试验结果与讨论

3.1 温拌剂对沥青及骨料的影响

3.1.1 温度、温拌剂掺量对沥青黏度的影响

黏度值通常用来表示在一定施工温度条件下沥青的拌合容易程度，黏度指标是选择温拌剂的一个主要参数[11]。利用沥青标准黏度计来测定不同WG-Ⅰ温拌剂掺量(0%，1%，2%，3%，4%，5%)在不同温度条件(95，105，115 ℃)下的沥青黏度，探究不同温拌剂掺量对沥青黏度的影响，试验数据见表6。

表6 不同温度下不同温拌剂掺量的沥青黏度Table 6 Viscosity values of asphalt mixed with variedWMA content at different temperatures

由表6可以看出，在试验温度一定的条件下，沥青黏度随着WG-Ⅰ温拌剂掺量升高而减小。115 ℃条件下，温拌剂掺量为3%，4%，5%的温拌沥青的黏度较原沥青黏度分别下降了17.69%，27.96%，30.65%。这表明随着试验温度升高，温拌剂掺量的升高对沥青黏度的影响效果逐渐减弱。在温拌剂掺量一定的条件下，试验温度越低，温拌剂对沥青黏度的影响越大。同时，温拌剂掺量在4%～5%的区间上沥青黏度降幅逐渐减小，因此，随后沥青老化试验采用温拌剂掺量为4%。

3.1.2 不同温拌剂掺量对90号沥青三大指标及密度的影响

分析不同温拌剂掺量(0%，1%，2%，3%，4%，5%)对沥青针入度(标准试验温度25 ℃下)、软化点、延度(标准试验温度10 ℃下)及密度(标准试验温度20 ℃下)的影响，试验结果见表7。

表7 不同温拌剂掺量下沥青三大指标及密度Table 7 Three major indexes (needle penetration,softening temperature, and ductility) and density valuesof asphalt mixed with varied content of WMA

由表7可以看出，当试验温度为25℃时，沥青的针入度随着温拌剂掺量的升高而升高，且3%，4%，5%掺量的温拌沥青针入度较基质沥青(温拌剂掺量为0)分别提升了40.15%，52.29%，68.69%。这主要是由于温拌剂中的表面活性成分通过改变沥青内部沥青质的含量，使沥青变软、稠度降低，降低了沥青的黏度，从而使针入度随之升高。

随着温拌剂掺量的增加，温拌沥青的软化点逐渐降低，且3%，4%，5%掺量下，温拌沥青的软化点较基质沥青分别下降8.58%，11.37%，13.09%。随着软化点逐渐降低，沥青的温拌效果愈加明显。尽管软化点的降低会对沥青混凝土的高温热稳定性能造成一定影响，但考虑到土石坝中沥青混凝土的环境温度一般为20 ℃ 左右，因此，软化点的小幅度降低对水工沥青混凝土的稳定性影响较小。

随着温拌剂掺量的增加，试验测得温拌沥青在10 ℃的条件下，延度均>150 cm，表现出良好的延展性。通过对比延度为150 cm时不同温拌沥青的试验结果，发现温拌剂掺量的提高有助于提升沥青延度，这体现了温拌沥青在低温条件下具有良好的延展性，间接凸显出温拌剂良好的温拌能力。

随着温拌剂掺量的增加，温拌沥青的密度基本不变，这主要是由于沥青与温拌剂密度基本相同。因此，不同掺量的温拌剂对温拌沥青的密度影响基本可以忽略不计。

综上试验结果表明，温拌剂掺量>4%对基质沥青的黏度、针入度、软化点等基本性能指标的影响逐渐减弱，因此选择温拌剂掺量为4%的温拌沥青进行下一步的老化性能试验。

3.1.3 4%掺量温拌剂对90号沥青老化性能的影响

对温拌剂掺量为4%的温拌沥青进行2次旋转薄膜烘箱加热试验，检测2次老化后温拌沥青的三大指标，试验数据与基质沥青的指标对比见表8。

表8 温拌剂对老化沥青三大指标的影响Table 8 Influence of WMA on the three major indexesof aging asphalt

由表8可以看出，温拌沥青在2次老化测试过程中质量变化符合《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》对于90号沥青的要求≤±0.8%，这说明温拌剂与沥青的交融性能良好，高温条件下胶凝结构稳定，具有良好的物理、化学稳定性。

经过2次老化试验，温拌沥青的针入度较基质沥青分别下降15.24%和29.86%；针入度比分别为84.76%和70.14%，符合《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》对于90号沥青的要求≥57%，说明温拌剂有助于提升温拌沥青的抗老化性能。同时，随着沥青老化次数的增多，针入度随之减小，这主要是由沥青中芳香酚和胶质含量的改变而导致的[12]。

经过2次老化试验，温拌沥青的软化点分别提升7.02%和12.35%。这是由于沥青在高温条件下，沥青分子经过氧化、缩合反应作用，沥青质含量逐渐升高，从而导致温拌沥青的软化点有所上升[13]。因此，随着老化次数增多，沥青软化点逐渐升高。

经过2次老化试验后，温拌沥青的延度有所下降，尤其第二次老化试验对延度有较大影响，下降幅度至少为46.45%。这表明温拌沥青的延度随着老化次数的增多而减小，这主要是由于沥青中芳香酚和胶质的比例上升对沥青延度产生影响[14]。沥青经历老化后，各种含氧化合物生成，使得沥青质有所增加，可溶质有所减少，使沥青胶体的结构变弱，随着沥青本身的黏弹性和柔韧性逐渐降低[15]，沥青在经过老化试验后，延度出现逐渐降低的现象。

综合上述试验结果表明，温拌剂掺量为4%的温拌沥青不仅拥有良好的物理性能指标，还拥有良好的抗老化性能。

3.1.4 温拌沥青对粗骨料及细骨料黏附性能的影响

不同温拌剂掺量(0%～5%)对粗骨料黏附性等级及细骨料水稳定等级的影响关系见表9。

表9 不同温拌剂掺量对粗骨料黏附性等级及细骨料水稳定等级的影响Table 9 Influence of WMA dosage on the adhesion levelof coarse aggregate and the water stability level offine aggregate

由表9试验数据可以得出，随着温拌剂掺量的提升，粗骨料与温拌沥青的黏附性等级满足《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》的要求≥4；细骨料与温拌沥青的水稳定等级满足《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》的要求≥6。综上试验结果表明，温拌剂掺量为0%～5%时，温拌沥青与骨料的黏附性均满足试验要求。

在合理的掺量条件下，WG-I型温拌剂对沥青及骨料性能方面的影响较小，满足实际工程需要，可应用于碾压式沥青混凝土心墙，同时也可应用于沥青混凝土面板坝、浇筑式沥青混凝土心墙、公路路面施工以及其他防渗工程中。由于各工程工况有所区别，建议使用前重新进行性能试验验证。

3.2 温拌剂对沥青混凝土的性能影响

试验采用石灰岩骨料以及克拉玛依A级水工90号沥青，拌合工艺采用矿料温度为120 ℃、沥青温度为170 ℃，温拌剂掺量为0%，1%，2%，3%，4%，5%，制备马歇尔试件，试件编号分别为0#，1#，2#，3#，4#，5#，每组各3个试件，进行测试孔隙率、间接应力及间接应变值。劈裂试验结果见表10及图2。

表10 不同温拌剂掺量的马歇尔试件劈裂试验结果Table 10 Results of splitting test on Marshallconcrete specimens with varied WMA content

图2 温拌剂掺量对孔隙率、间接拉伸强度和间接拉伸应变的影响Fig.2 Influence of WMA content on porosity， indirecttensile strength and indirect tensile strain ofasphalt concrete specimens

根据表10和图2(a)可知，随着温拌剂掺量的增加，马歇尔试件的孔隙率基本保持不变，孔隙率均<2%，这是由于温拌剂只改变沥青的性能指标，对马歇尔试件的骨料排列影响较小，因此对孔隙率的影响较小。由表10和图2(b)可知，随着温拌剂掺量的增加，间接拉伸强度先减小后趋于平稳。由于温拌剂掺量的提升，沥青的针入度变大，因此在初始加入温拌剂时对拉伸强度的影响较大，而当温拌剂的掺量增加至2%以上，温拌剂对马歇尔试件的拉伸强度影响较小。由表10和图2(c)知，随着温拌剂掺量的增加，间接拉伸应变呈现先增大后减小的趋势。这是由于温拌剂掺量的提升使沥青延度有所增加，因此间接应变有所增加，但掺量超过2%时，对沥青针入度的影响较大,因此间接应变有所降低。

劈裂试验结果表明，温拌剂掺量超过2%时，对沥青混凝土的性能影响基本不变；同时参考温拌剂掺量对沥青的性能影响试验结果趋势分析，对比温拌剂掺量为2%和4%时，当沥青温度为100 ℃左右时，温度越低，温拌剂掺量的升高对沥青黏度、沥青混凝土和易性的影响较大；当沥青温度>115 ℃时，温度越高，温拌剂掺量的升高对沥青黏度、沥青混凝土和易性的影响逐渐减弱。综上试验结果分析，由于拌合温度在125～135 ℃，因此选择沥青混凝土性能试验的温拌剂掺量为2%。

3.3 性能试验验证

采用温差拌合法制备温拌沥青混凝土，对温拌沥青混凝土的性能试验进行验证，通过与常规沥青混凝土(沥青、骨料温度均为170 ℃)进行性能对比，探究温拌沥青混凝土能否应用于实际工程中。常规混凝土试件代号为X0，温拌沥青混凝土试件代号为X2。

3.3.1 小梁弯曲性能试验

制作沥青混凝土板式试件，然后再切割成250 mm×35 mm×40 mm(长×宽×高)小梁弯曲试件。试验温度为10 ℃，变形速率按小梁跨中1.67 mm/min控制(应变速率1 %/min)，试验数据见表11。

表11 小梁弯曲试验结果Table 11 Results of bending test on asphaltconcrete specimens

由表11可知，X0号和X2号2种沥青混凝土平均孔隙率为0.72%和1.44%，均满足孔隙率<2%的要求；平均抗弯强度为0.78 MPa和0.64 MPa；平均抗弯强度对应的应变分别为2.48%和5.44%，表明温拌沥青混凝土的应变能力有显著的提升。

3.3.2 拉伸性能试验

制备沥青混凝土制备板式试件，切割成尺寸为220 mm×40 mm×40 mm(长×宽×高)的沥青混凝土试件，在10 ℃条件下进行拉伸试验，变形速率为1.60 mm/min，通过传感器用计算机采集试验过程中试件的荷载和位移，由试件面积和长度计算出试件的抗拉强度和拉应变，试验数据见表12。

表12 沥青混凝土试件拉伸试验结果Table 12 Results of tensile test on asphaltconcrete specimens

由表12可知，X0号、X2号2种沥青混凝土平均抗拉强度为0.75 MPa和0.47 MPa，平均拉伸应变为1.44%和2.10%。由此可以得出,温拌沥青混凝土的抗拉强度有所降低,但拉伸应变有所提升。

3.3.3 压缩性能试验

沥青混凝土制备成Φ100 mm×100 mm尺寸试件，在10 ℃、变形速率为1.0 mm/min条件下进行抗压试验。通过传感器并由计算机采集试验过程中试件的应力和变形，由试件面积和高度计算出试件的抗压强度和压应变，试验数据见表13。

表13 沥青混凝土试件抗压试验结果Table 13 Results of compressive test on asphaltconcrete specimens

由表13可知，X0号、X2号2种沥青混凝土平均抗压强度为7.00 MPa和5.21 MPa，平均压应变为5.57%和6.84%。由此可以得出,温拌沥青混凝土的抗压强度有所降低,但压应变有所提升。

通过将含有2%温拌剂的温拌沥青混凝土与常规沥青混凝土的弯曲、拉伸、压缩试验性能进行对比，结果显示温拌沥青混凝土的力学性能稍有降低，这是由于温拌剂加入到沥青中，降低了沥青的黏度，从而导致应力减小，但仍能满足使用要求。与此同时，温拌沥青混凝土的应变有所增加，考虑到沥青混凝土心墙的作用位置为大坝坝体中心，应变的提高有效改善了坝体适应能力,提高了沥青混凝土的自愈能力，因此，应变的提升有利于提高大坝的防渗性能。