温拌条件下沥青－潮湿集料交互作用的影响因素分析

孙立霞，谭忆秋，周沛延

（1.辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 引 言

温拌沥青混合料一般是采用物理或化学方法来降低沥青的黏度，使其能在较低的温度下进行拌合施工，并具有较好的流动性与润滑性。温拌沥青混合料在整个生产和施工过程中具有可减少有害气体排放、节约能源、减轻沥青的老化程度、延长可施工时间等优点；但由于拌合温度降低，易造成集料干燥不彻底，导致集料与沥青之间的相互作用能力下降，从而影响混合料的路用性能［1］。

温拌沥青混合料当中沥青与集料之间的交互作用同时受到材料特性和外部环境因素的影响，外部环境因素主要是通过测试条件来影响沥青与集料的交互作用，所以只要能够严格且合理化模拟真实条件下沥青与集料之间的交互作用，就可以消除环境因素的影响。因此，材料特性是影响沥青与集料之间交互作用能力的核心因素［2－3］。目前国内研究大多是从沥青性质和集料性质出发，单独分析集料拌合温度和集料含水率对沥青与集料之间交互作用能力的影响。其中，对含水率对集料与沥青之间的相互作用的影响研究亟待进一步深入和提高。本文采用动态剪切流变仪严格控制试验外部环境条件，并且在试验阶段将集料的拌合温度与集料含水率二者进行耦合控制，对中温拌合下沥青－潮湿集料交互作用的影响因素进行高精度的分析。

1 试验原材料

1.1 集料与沥青

本文所采用的集料为0.3mm玄武岩细集料，所采用的沥青为辽河90＃基质沥青，其常规性能指标见表1。

表1 基质沥青的常规性能

1.2 温拌剂

温拌剂采用的是Sasobit型和AM6505型。Sasobit是一种合成饱和碳氢化合物混合物，会引起沥青中蜡含量偏高从而影响沥青材料性能［4－7］。当温度高于115℃时Sasobit将会完全融解，使沥青的黏度降低，从而降低沥青混合料的拌合与压实温度；在温度低于熔点时，则可在沥青中形成网状晶格结构，提高路面抗车辙性能。AM6505是无水表面活性温拌剂，主要成分为润滑剂，使用时可直接加入到沥青中，降低沥青的黏度，从而使沥青混合料在温度较低的条件下仍有较好的施工性能。温拌剂的物理性质见表2。

表2 温拌剂物性参数

2 试验方案设计

沥青胶结料是一种黏弹性材料，沥青与填料之间的交互作用能力很大程度上影响着其流变特性。沥青胶结料体系中填料的表面沥青呈现出“自由态”和“结构态”2种状态，其中结构态沥青的比例越大则沥青胶结料的复数剪切模量G＊和复数黏度系数η＊越大，相位角δ反而越小，因此可以用G＊／sinδ来反映胶结料的性能，即抗车辙能力。G＊／sinδ越大，沥青与集料交互作用能力越强。因此，本文从沥青胶结料的流变特性出发，以复数黏度系数η＊、复数模量G＊、相位角δ等参数评价温拌状况下沥青与潮湿集料之间的交互作用能力。

为了研究温拌条件下不同含水率的集料与沥青交互作用能力，本文采用辽河90＃基质沥青、0.3 mm的细集料和Sasobit、AM6505两种温拌剂制备沥青胶结料。其中，温拌剂的掺量为沥青质量的3%，细集料用量为沥青质量的50%。每组试样的混合体积不小于50mL，使用布氏黏度仪剪切搅拌，当沥青胶结料表面不再有气体产生时即为沥青胶结料的搅拌终止时间［8－10］。沥青胶料黏度的变化曲线如图1所示。

图1 不同集料拱干时间下温拌胶结体黏度与搅拌时间的关系

由图1得到：潮湿集料烘干1h时，胶结体搅拌时间是8min；集料烘干2h时，胶结体搅拌时间是5min；沥青集料烘干3.5h时，沥青胶结体搅拌时间小于3min。

3 试验结果分析

3.1 复数剪切模量随温度的变化规律

复数剪切模量G＊包含黏性和弹性两部分，实数部分代表沥青材料形变过程中弹性形变贮存的能量；虚数部分代表黏性形变所损耗的能量大小。G＊越大，则沥青材料劲度越大，即抗流动变形能力越强。不同烘干程度下，集料在2种温拌沥青胶结料中复数剪切模量G＊随温度T的变化曲线如图2所示。

由图2可知，集料烘干时间越长，含水率越小，温拌沥青胶结料的复数剪切模量G＊越大，集料烘干时间在3.5h和2h之间时，含水率变化并不大，但是Sasobit胶结体复数剪切模量G＊变化较大，而AM6505变化较小，可以说明集料含水率对Sasobit型温拌胶结料的复数剪切模量G＊的影响比较大，对AM6505型温拌胶结料的影响较小。

图2 不同烘干时间下沥青温拌胶结体G＊－T曲线

3.2 相位角δ随温度的变化规律

沥青在通常状况下是一种弹性固体与黏性流体共存的黏弹性体系，因此沥青的应变将会滞后一个相位角δ，其范围是0°＜δ＜90°。相位角δ越大，黏性成分越多；δ越小，弹性成分越多。因此，本文采用δ表示沥青胶结料的变形状况。沥青相位角δ越大表征其低温状况较好，具有较强的变形能力；相位角δ越小则弹性较大，高温性能越好，抵抗变形能力越强。不同烘干时间的集料所制备的2种胶结料相位角δ随温度的变化曲线如图3所示。

由图3可知：随着集料烘干时间的增加，含水率减小，温拌沥青胶结体的相位角δ减小；集料烘干时间在3.5h和2h之间时，含水率变化并不大，但是Sasobit胶结体的相位角δ变化较小，而AM6505胶结体变化较大，可以说明集料含水率对Sasobit型温拌胶结料δ的影响比较小，对AM6505型温拌胶结料的影响较大。

图3 不同烘干时间温拌胶结体δ－T曲线

3.3 抗车辙因子G＊／sinδ随温度的变化规律

当荷载作用在沥青胶结料上会出现弹性（可恢复）和黏性（不可恢复）2种效应，Superpave以车辙因子G＊／sinδ来表征沥青胶结料的抗车辙能力。沥青与集料的交互作用就越强，沥青胶结料的流变性能就越差，车辙因子就越大，则混合料的高温性能越好。不同烘干时间的集料所制备的2种胶结料的抗车辙因子G＊／sinδ随温度的变化曲线如图4所示。

从图4可以看出，随着填料烘干时间延长，集料含水率降低，抗车辙因子G＊／sinδ越大，即抗车辙能力越强，说明G＊／sinδ完全可以评价温拌沥青与潮湿集料的交互作用能力。

3.4 复数黏度系数η＊随温度的变化规律

沥青与集料发生交互作用后，沥青的化学组分将重新排列。温拌及集料潮湿2个因素都会影响到“结构沥青”和“自由沥青”的比例，因此不同烘干时间的集料所制备的沥青胶浆的流动性也有很大区别，从而导致沥青胶浆的黏度不同。不同烘干时间的集料所制备的2种胶结料的复数黏度系数η＊随温度变化如图5所示。

由图5可知，随着集料含水率增大，胶结料的η＊将减小，即集料与沥青的交互作用减弱。在2～3.5h的烘干时间下，集料含水率变化不大，对Sasobit型温拌胶结料的η＊影响比较小，对AM6505型温拌胶结料的影响较大。因此，集料含水率变化对胶结体的相位角η＊影响比较显著，对AM6505型胶结料的影响较大。

图4 不同烘干时间温拌胶结体G＊／sinδ与温度的关系曲线

图5 不同烘干时间温拌胶结体η＊－T曲线

3.5 各评价指标对沥青混合料的灵敏度分析

为了评价含水率、试验温度及温拌剂种类与沥青－潮湿集料交互作用能力分析指标（δ、G＊、G＊／sinδ、η＊）的相关程度，应用Spearman相关分析方法做相关分析，结果如表3所示。

表3 Spearman分析结果

由表3可知以下几点。

（1）含水率、试验温度及温拌剂种类对δ的Spearman相关系数分别为0.610、0.362、0.113，其相关性程度由大到小排列为含水率、试验温度、温拌剂。因此，含水率增大会削弱沥青与集料的交互作用。

（2）含水率、试验温度及温拌剂种类对G＊的Spearman相关系数分别为－0.908、－0.33、0.134，其相关性程度由大到小为含水率、试验温度、温拌剂。G＊随含水率增大而减小，会削弱沥青与集料的交互作用。

（3）含水率、试验温度及温拌剂对G＊／sinδ的Spearman相关系数分别为－0.906、－0.337、0.133，其相关性程度由大到小为含水率、试验温度、温拌剂。G＊／sinδ随含水率的增大而减小，会削弱沥青与集料的交互作用。

（4）含水率、试验温度及温拌剂对η＊的Spearman相关系数分别为－0.92、－0.333、0.132，其相关性程度由大到小为含水率、试验温度、温拌剂。η＊随含水率增大而减小，会削弱沥青与集料的交互作用。

分析结果表明，含水率、温拌剂种类、试验温度与温拌沥青和集料交互作用能力评价指标（δ、G＊、G＊／sinδ、η＊）均显著相关，且含水率相关程度最大。因此，在采用温拌技术时，应尽量降低集料的含水率，从而增大集料与沥青的交互作用。

4 结 语

（1）集料的含水率大，将影响沥青与集料的裹附性，会造成沥青混合料的水损害，从而严重影响沥青路面的使用寿命。

（2）含水率随着集料烘干时间的延长逐渐减小，当集料烘干时间在2～3.5h，含水率对Sasobit型温拌胶结料的复数剪切模量G＊、δ、η＊影响比较大，对AM6505型温拌胶结料的影响较小，说明集料的含水率对不同温拌沥青胶结料的每一个指标影响程度不同。

（3）对温拌剂种类、试验温度、含水率与复数剪切模量G＊、复数黏度系数η＊、抗车辙因子G＊／sinδ、相位角δ作了Spearman相关性分析，结果均表现出显著相关，且相关程度由大到小依次为含水率、试验温度、温拌剂种类。

（4）复数剪切模量G＊和复数黏度系数η＊在评价沥青与集料交互作用能力时表现最为敏锐。