不同温拌技术对伸缩缝高黏沥青性能影响研究

梅煜康 陈 刚 金大勇 张新玉 高玉峰

(1.西南交通大学土木工程学院 成都 610031； 2.四川成渝高速公路股份有限公司成仁分公司 成都 610041；3.中国市政工程西南设计研究总院有限公司 成都 610031)

桥梁伸缩缝是一种为适应桥梁由温湿变化、混凝土收缩徐变等原因引起的变形而设置的结构，一般由高分子改性沥青胶结料和单粒径粗集料组成的弹塑体及底部支撑钢板组成。作为桥面铺装和与其他部分的连接体，高黏弹的伸缩缝弹塑体能够满足温度和汽车荷载引起的伸缩变形，适应伸缩缝结构的工作环境。现场调查结果检测显示，桥梁伸缩缝高温车辙变形是伸缩缝结构的主要病害之一，除材料自身性能不足以外，伸缩缝材料短期老化严重也是造成高温性能不足的主要原因[1]。伸缩缝材料由于成分中胶结料黏度较大，施工过程中为了能够达到足够的流动性和施工和易性，拌和时往往需要将弹塑体过量加热，除了导致高聚合物改性沥青胶结料内部结构破坏、造成材料性能下降之外，在施工过程中也易产生各种有毒气体、危害现场施工人员身体健康、造成恶劣的环境污染和能源消耗，并且增加施工难度[2]。为此，需要研究合理降低胶结料在施工过程中加热温度的方法，以避免材料在使用前造成的短期老化、延长材料使用寿命并提升弹塑体高温性能，同时降低施工难度、减少能源消耗。

桥梁伸缩缝由于需要满足桥梁伸缩变形，要求伸缩缝材料需要有一定的回弹性能，一般选用高掺量的高黏沥青胶结料弹塑体。伸缩缝沥青胶结料占整个伸缩缝弹塑体混合料质量的20%～30%，弹塑体胶结料的稳定性主要取决于胶结料的稳定性。因此，如何合理有效降低弹塑体胶结料沥青黏度是改善伸缩缝施工的关键。目前降低沥青黏度主要采用温拌剂改性技术，其中应用最为广泛的为有机添加剂温拌技术和乳化沥青温拌技术[3-4]。有机添加剂温拌剂是一种有机黏剂，其与沥青胶结料有较好的相容性，能够降低沥青的施工温度且对沥青混合料的使用性能影响较小；乳化沥青温拌技术是用一种特殊的高浓度乳化沥青替代普通热沥青进行混合料的拌和，当它参与拌和时，乳液中的水以蒸汽的形式释放出来，降低了拌和与压实时沥青的黏度，并使其形成与热拌沥青混合料相当的裹附性能。但对于温拌剂的研究与应用目前多聚焦于基质沥青，对于高聚合物改性沥青研究使用较少[5]。因此，本研究聚焦探讨适合伸缩缝胶结料的改性温拌剂，用以降低胶结料黏度并改善材料高温性能。

对于胶结料黏度测定，罗浩原等[6]研究表明，使用固定剪切速率的旋转平板黏度测试法(rotational plate viscosity,RPV)能有效规避布式黏度法测试改性沥青黏温曲线时出现的剪切稀化效应而导致的预测施工温度偏高问题，其确定的施工温度能使混合料的体积设计指标满足规范要求，同时充分发挥温拌剂的降温节能作用，更高效准确地测量改性沥青的表观黏度。对于伸缩缝胶结料高温性能评价，各国规范采用的高温稳定性评价指标包括软化点、针入度、弹性恢复率，以及流动值等。任东亚[7]、刘斌清等[8]通过对胶结料性能指标对比分析发现，受弹塑体胶结料聚合物掺量高以及其高延迟弹性恢复能力的影响，国内外现行无缝伸缩缝胶结料规范采用的评价指标对高黏弹沥青胶结料高温性能评价的一致性存在偏差，而基于多应力蠕变恢复试验(MSCR)的黏弹特性指标具有较好的一致性，且区分度明显，适合作为评价无缝伸缩缝沥青胶结料高温性能的关键控制指标[9-10]。

本研究选用目前常用的英国BJ型高分子聚合体改性沥青胶结料作为研究对象，选用4种温拌改性剂对其改性。使用固定剪切速率的RPV测定改性前后的胶结料黏温曲线，根据材料的拌和与压实温度对应的黏度，对比得出改性后胶结料的降温效果，并结合多应力蠕变恢复试验(MSCR)，测定胶结料的高温性能，综合评价改性效果。最终选取适合伸缩缝胶结料的温拌改性技术和产品，为改善伸缩缝施工，提升材料性能提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料及试验仪器

1) 沥青。选用无缝伸缩缝沥青胶结料为英国BJ型高分子聚合体改性沥青胶结料。根据JT/T 1129-2017《桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料》要求，沥青胶结料相关基本性能测试结果见表1。

表1 沥青胶结料基础性能

2) 温拌剂。选取4种沥青温拌添加剂对胶结料进行改性，分别为2种有机添加剂(南非产Sasobit温拌剂和国产MW-1温拌剂)和2种乳化沥青温拌改性剂(美国产Evotherm和国产ACMP-1)；温拌剂添加工艺方式采用湿拌法；添加剂量选用产品针对基质沥青的推荐用量，而针对高黏弹沥青胶结料的最佳掺量取值还需进一步研究对比。温拌剂相关性能见表2。

表2 温拌剂基础性能

1.2 试验方案

1) 黏度试验。采用Discover HR-3型动态剪切流变仪(DSR)，试验试件为DSR标准试件，沥青试样采用硅胶平板模具成型，高度2 mm，直径25 mm；利用RPV进行固定剪切速率下的黏温曲线扫描，温度从120～200 ℃，按10 ℃梯度升温；根据RPV对基质沥青的使用经验，采用固定剪切速率40 s-1得到的黏温曲线与相应混合料的最优压实度、最小空隙率的相关程度最大，因此剪切速率为固定剪切速率40 s-1。

2) 沥青胶结料高温性能试验。采用DSR对伸缩缝沥青进行多应力蠕变恢复试验(MSCR)。试验试件与黏度试验一致，使用25 mm 的转子，试件厚度2 mm，应变水平为0.5%，频率为10 rad/s，试验采用58，64，70，76，82 ℃ 5个温度；MSCR试验首先采用100 Pa的剪应力加载1 s，卸载9 s，重复10个周期，接着采用3 200 Pa的剪应力重复以上步骤，共20个周期。

2 测试结果

2.1 旋转平板表观黏度测试结果

沥青混合料的拌和温度主要取决于其胶结料黏度，沥青黏度随温度升高而衰减变化的曲线称为黏温曲线，是定量评价沥青拌和温度的重要方法之一。旋转平板表观黏度法测定的原样胶结料与4种改性后胶结料120～200 ℃的黏温曲线见图1。

图1 旋转平板表观黏度测试结果黏温曲线

现场研究显示，伸缩缝沥青胶结料由于黏度过高，将其黏度下降至基质沥青的拌和黏度时所需加热的温度需要超过200 ℃，所以实际施工过程中一般选用190 ℃作为其拌和温度，根据黏温曲线对应结果，此时材料黏度为4.14 Pa·s；压实温度约为180 ℃，对应的黏度为6.12 Pa·s。试验结果显示，在原样胶结料拌和黏度下，4种改性样品对应的拌和温度分别为ACMP1-175 ℃、MW1-180 ℃、Sasobit-181 ℃和Evotherm-185 ℃；在压实黏度下的对应温度分别为ACMP1-165 ℃、MW1-170 ℃、Sasobit-172 ℃和Evotherm-172 ℃。由试验结果可得，添加温拌剂之后胶结料的黏度均有所下降；中低温时胶结料黏度大，此时温拌剂降黏效果越好；随着温度上升，胶结料的黏度迅速下降，降温效果逐渐减弱；ACMP-1型温拌剂降黏效果最好，降低温度约15 ℃，说明该种温拌剂与胶结料有较好的相容性。

2.2 MSCR试验指标

高分子聚合体改性沥青胶结料具有一定的延迟弹性恢复性能，在一定时间内，恢复的变形量越大，则胶结料抵抗高温变形的能力越好。多应力蠕变恢复试验2种应力加载模式下10个循环周期平均应变恢复率分别为R0.1和R3.2，2种应变恢复率相对差值为Rdiff，胶结料在不同温度下恢复率相对差异试验结果见图2。

图2 胶结料在不同温度下恢复率相对差异

由图2可知，在0.1 kPa作用下，5种试验样品伸缩缝胶结料在试验温度下平均恢复率均大于95%，且样品之间的结果差距小于3%，改性后的胶结料的平均恢复率均略高于原样胶结料，说明样品胶结料在线弹性范围内均具有很好的回弹性能。在3.2 kPa作用条件下，胶结料的平均恢复率随温度的增加逐渐减小。当试验温度超过76 ℃时，原样胶结料的R3.2下降速率变快，原因是在高温高应力的综合作用下，胶结料从线性流变区域进入非线性流变区域，材料性能随温度变化变得敏感。温拌改性胶结料的R3.2相较于原样胶结料均有明显提升，4种改性后的胶结料在76 ℃以上时，恢复率提升10%～16%，效果提升排序：MW-1>Evotherm>Sasobit>ACMP-1。胶结料改性后对应力的敏感性下降，在高温状态下材料抗变形能力更好，其中MW-1型温拌改性剂对原材料的应力敏感性改善效果最好。

胶结料受到应力作用后，不可恢复的形变会逐渐累积形成车辙，MSCR试验中不可恢复应变是评价沥青胶结料高温抗车辙能力的重要指标。2种应力状态下，10个循环周期平均不可恢复蠕变柔量分别为Jnr0.1和Jnr3.2，不可恢复蠕变柔量的相对差值为Jnr-diff，胶结料在不同温度下的不可恢复蠕变柔量差异试验结果见图3。

图3 胶结料在不同温度下的不可恢复蠕变柔量差异

图3结果表明，在线弹性范围内，胶结料在应力作用下产生的不可恢复蠕变与温度上升成正比。试验温度大于70 ℃之后，胶结料黏度下降，由应力产生的变形快速增加。原样胶结料温度敏感性高，试验温度大于76 ℃后不可恢复蠕变显著上升；而经过温拌剂改性后，材料的高温抗变形性能均有上升，特别是温度大于76 ℃的实验条件，胶结料抗变形能力提升明显。

试验结果表明，原样胶结料适用于76 ℃以下的工作环境，经过温拌改性剂改性之后，胶结料高温抗变形能力提升，可以适应76～82 ℃的工作环境。综合MSCR试验结果指标，温拌剂对材料的高温抗变形能力提升效果排序为Sasobit>MW-1>Evotherm>ACMP-1。

3 结论

1) 温拌剂的添加能够有效降低高黏弹沥青胶结料的黏度，降低高黏弹沥青胶结料的施工拌和温度和压实温度，降低施工难度。同时由于加热温度的降低，胶结料在施工过程中产生的短期老化效应得到相应改善，间接提升沥青胶结料相关性能，使其能更好地适应桥梁伸缩缝多变的工作环境。4种温拌改性剂的降黏效果排序为ACMP-1>MW-1>Sasobit>Evotherm。

2) MSCR多应力重复蠕变试验结果显示，温拌剂的添加能够改善高黏弹沥青胶结料的高温性能，原材料在温度上升至82 ℃时不可恢复蠕变上升，抗高温变形能力快速下降；改性后的胶结料可适用于76 ℃～82 ℃以上的工作环境，对于桥梁伸缩缝的高温工作环境材料实用性能提升明显；4种温拌材料的高温改性效果排序：Sasobit>MW-1>Evotherm>ACMP-1；有机添加剂对高黏弹沥青的高温性能提升效果优于乳化沥青温拌剂。改性后胶结料回弹性能和抗变形能力均有提升，并且能够适应80 ℃以上的工作环境。

3) 综合黏度试验和MSCR试验结果，MW-1型温拌改性剂用于高黏弹沥青胶结料后能够降低高黏弹沥青胶结料施工过程中的拌和温度和压实温度10 ℃，同时能够较好地改善沥青胶结料的高温性能，提升10%左右的高温性能，使胶结料能够更好地适应伸缩缝的工作环境。