不同温拌剂对沥青混合料路用性能的影响

2021-12-10袁康博代佳胜郭兴隆

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年11期

马峰, 袁康博, 傅珍, 代佳胜, 郭兴隆

(1.长安大学公路学院,陕西西安 710064; 2.长安大学材料科学与工程学院,陕西西安 710064)

近年来,沥青路面作为我国高等级路面铺筑的首选,其发展规模也随经济发展逐渐扩大[1]。在传统的热拌沥青混合料生产中,沥青和所用集料在一定高温下才可进行拌和、摊铺、碾压,其拌和温度一般情况下不低于160 ℃。因此在沥青混合料生产过程中,大量能源被消耗,温室气体以及有害物质等也相应产生[2]。近年来,绿色公路建设成为热门话题,为推动其发展,温拌沥青混合料技术被学术界提出并蓬勃发展,降低施工温度、能源消耗和污染物排放成为其发展目标[3]。因此温拌剂作为改性剂,被越来越广泛地运用。

国内外对于温拌技术已经有较多研究,并道出研究温拌沥青路用性能的必要性[4]。文献[5]研究了Evotherm温拌剂改性的沥青混合料,结果发现,使用温拌剂对混合料进行改性,能源的消耗以及污染气体排放量可以得到有效降低,且相对于热拌沥青混合料具有更好的抗疲劳性能与抗水损害性能;文献[6]研究了新型温拌剂ZYF-1,研究表明,ZYF-1对沥青混合料的低温性能及水稳定性有不利的影响,但与其他种类的常用温拌剂相比,其不利影响相对较小;文献[7]在再生沥青混合料中添加Sasobit和Aspha-min温拌剂,并对其进行路用性能研究,研究表明,混合料的抗车辙性能在2种温拌剂的加入下均有所提高,但温拌剂的添加对抗疲劳开裂性能并没有较大的影响,且降低了混合料的低温性能;文献[8]研究了Sasobit温拌剂对沥青混合料路用性能的影响,结果表明,掺入Sasobit使混合料的抗车辙性能得以提高,而水稳定性、低温抗裂性以及疲劳性能则会衰减;文献[9-12]从温拌剂种类及掺量入手,研究了Sasobit和Aspha-min改性后沥青混合料的路用性能,研究发现,温拌剂可有效降低施工温度,且合适掺量的温拌剂对混合料的高温性能有所提升,其掺入对低温性能、抗水损害性能、抗疲劳性能等略有不利,但均满足规范要求。由于改性剂种类以及温拌技术的多样性,虽然针对温拌沥青混合料性能的研究较多,但未将2种常用温拌剂对不同沥青混合料性能的影响加以对比,也未系统地将基质沥青及其SBS改性沥青混合料与其两者进行温拌改性后的沥青混合料的路用性能进行对比。

基于此,本研究将Sasobit和Aspha-min 2种常用温拌剂分别加入SK90沥青及其SBS改性沥青中,通过对加入温拌剂沥青混合料的研究,分析了其对沥青混合料路用性能的影响,旨在对我国绿色公路建设奠定基础。

1 原材料及混合料设计

1.1 原材料

1.1.1 沥青及矿料

本研究选用玄武岩为其粗细集料,磨细的石灰岩为其矿粉,选用AC-13连续型密级配为其级配类型。为研究温拌沥青混合料的路用性能,本研究中沥青选择施工中使用较多且性能良好的基质沥青SK90及其SBS改性沥青,SBS改性剂的掺量为沥青质量的4%,其相关指标见表1、表2所列。

表1 SK90沥青相关技术指标

表2 SBS改性剂相关技术指标

1.1.2 温拌剂

以Sasobit和Aspha-min为温拌剂用以制备温拌沥青混合料,Aspha-min温拌剂为一种人工合成沸石,是含有一定结合水的硅酸铝矿物,遇热沥青很快融入并伴随大量水分放出;Sasobit为一种新型的聚烯烃类沥青普适改性剂,是一种固体石蜡,能够增加沥青的流动性。Aspha-min、Sasobit温拌剂的具体参数见表3、表4所列。

表3 Aspha-min温拌剂相关技术指标、

表4 Sasobit温拌剂相关技术指标

1.2 施工温度的确定

为准确得到2种温拌剂对沥青混合料路用性能的影响,本研究共制备6种沥青混合料用以对比其路用性能,分别为基质沥青(种类1)以及使用Aspha-min、Sasobit对其进行改性的温拌沥青混合料(种类2、种类3)、SBS改性沥青混合料(种类4)及使用Aspha-min、Sasobit对其进行改性的温拌沥青混合料(种类5、种类6)。Aspha-min可直接加入石料中拌和,掺量为沥青混合料质量的0.3%,其拌和方式为干拌;Sasobit温拌沥青混合料的制备,则先完成温拌沥青结合料的制备,掺量为沥青质量的3%,其拌和方式为湿拌。以4%空隙率确定各种温拌沥青混合料施工时所需温度[13]。4%空隙率所确定的各种沥青混合料拌和及成型温度如图1所示。

图1 沥青混合料拌和温度及成型温度

从图1可以看出,2种温拌剂对沥青混合料的施工温度有不同程度的降低。在掺入Aspha-min后,基质沥青及其SBS改性沥青混合料施工温度分别降低了19、18 ℃;掺入Sasobit后,其施工温度分别降低了23、24 ℃;Sasobit温拌剂与另一种温拌剂相比，对混合料的降温作用更为明显。

1.3 油石比的确定

为确定最佳油石比,本文采用马歇尔试验方法,并根据已确定的施工温度制作试件。最佳油石比的选取见表5所列。

表5 温拌沥青混合料油石比单位:%

2 混合料路用性能分析

2.1 高温稳定性

为评价混合料高温稳定性,采用车辙试验,利用动稳定度并结合相对变形率对其进行评价[14-15],实验结果如图2所示。动稳定度与相对变形率的比值K如图3所示。

由图2可知,相对变形率与动稳定度的变化趋势大致相反,仅采用动稳定度为唯一指标来评价高温性能是不准确的,因此以相对变形率作为辅助评价指标来评价混合料的高温性能。由图2、图3可知,加入2种温拌剂后,沥青混合料的动稳定度明显提高,K值总体上也呈现出上升趋势。2种温拌剂对混合料的高温性能均有较明显的改善。尤其是Sasobit温拌剂的加入,使SK90及其改性沥青混合料的动稳定度分别提升70.9%和27.4%,且从K值可看出，加入Sasobit温拌剂的SBS改性沥青混合料与其他混合料相比具有更好的性能。但与Sasobit温拌剂相比,Aspha-min对混合料的高温抗车辙性能提升作用并不突出。

图2 温拌沥青车辙试验动稳定度和相对变形率

图3 动稳定度与相对变形率比值K

温拌剂的加入在一定程度上可提高沥青的软化点,因此沥青混合料的高温稳定性会随着温拌剂的加入而得到提升,特别是加入Sasobit温拌剂,提升幅度较大，Sasobit所吸附的沥青中的饱和组分随着沥青温度的降低逐渐析出,与沥青中未被熔化的Sasobit形成网状晶格结构,这种空间网状结构使得沥青在高温时的流动性降低,从而使混合料的稳定性得到一定的提升,抗车辙性能也随之提升;但是此种温拌剂为一种固体石蜡,过多的蜡会导致沥青在高温时发软,混合料的高温稳定性由此降低进而出现车辙等病害,因此Sasobit的掺量须控制在一定范围内,才能使混合料获得良好的高温性能,过高的掺量会使高温性能大幅下降。

2.2 低温抗裂性

为评价温拌沥青混合料的低温性能,选用弯曲破坏试验以及弯曲蠕变试验[16]。在最佳油石比下制备出温拌沥青混合料小梁试件,得到的最大弯拉应变如图4所示，劲度模量如图5所示。

图4 温拌沥青混合料最大弯拉应变

图5 温拌沥青混合料劲度模量

从图4可以看出,6种沥青混合料的各项指标均满足规范要求，但与SK90及其改性沥青混合料相比,在其中掺入Aspha-min温拌剂使其最大弯拉应变分别降低了3.8%和1.4%,在其中掺入Sasobit温拌剂使其最大弯拉应变分别降低了13.5%和8.3%。

由图5可知，在对SK90采用Sasobit进行温拌改性会使沥青混合料的劲度模量有所下降,但Sasobit使得SBS改性沥青混合料的劲度模量提高了7.7%;Aspha-min温拌剂使得SK90及其改性沥青混合料的劲度模量分别提高了4.3%和1.2%。

综上所述,对于混合料的低温性能2种温拌剂的加入都无明显改善作用,掺入Aspha-min温拌剂的沥青混合料低温性能略优于Sasobit温拌剂,2种温拌剂改性后的混合料与基质沥青混合料相比,其低温性能满足路面正常使用。

低温条件下沥青的柔性主要由沥青中极性分子以及具有直链与环状基团分子的含量、类型以及自由度所决定。而Sasobit温拌剂几乎不能与其结合成晶体,因此Sasobit的加入对沥青的低温性能没有明显改善,且由于Sasobit中含有的异烷烃具有支链,其含量过大会对沥青的低温性能造成不利影响,使橡胶沥青往变硬变脆的方向发展,沥青的低温延度便出现降低的趋势,加入Sasobit温拌剂后混合料的低温性能出现较为明显的下降，而Aspha-min温拌剂中所含的水会在沥青中产生细小的喷雾,使得沥青的体积膨胀,较低温度下的和易性也有所提升,因此使用其进行改性的沥青混合料低温性能略优于Sasobit温拌剂改性的,但使用Sasobit温拌剂改性的SBS改性沥青混合料满足路面使用要求。

2.3 抗疲劳性能

本文对温拌沥青混合料疲劳性能进行研究,采用四点弯曲疲劳试验,并进行二次疲劳加载试验,以对温拌沥青混合料的自愈合性能进行研究。混合料的应变与疲劳寿命拟合曲线如图6所示。

图6 应变疲劳寿命拟合曲线

由图6可知,随着沥青混合料应变水平的增加,其疲劳寿命持续下降。在沥青混合料中加入Sasobit温拌剂后,会略微增加沥青混合料的疲劳寿命;而加入Aspha-min温拌剂,疲劳寿命略有下降。这表明对于沥青混合料的抗疲劳性能,Sasobit温拌剂使用后其有所提升。由于在改性沥青中加入Sasobit温拌剂能较好地提高其低温黏度,其抗疲劳性能可得到改善;而Aspha-min温拌剂对其略有不利。

在加载应变为200×10-6的条件下,进行二次加载试验,其初始劲度模量和疲劳寿命变化如图7、图8所示。

图7 沥青混合料愈合前后初始劲度模量

图8 沥青混合料自愈合前后疲劳寿命

从图7可以看出,沥青混合料中加入Aspha-min温拌剂,初次加载后的初始劲度模量都有增加;自愈合后,基质沥青的初始劲度模量略有增加,而改性沥青则略有下降。加入Sasobit温拌剂,使得混合料初次加载和自愈合后的初始劲度模量均呈现上升趋势。

从图8可以看出,加入Aspha-min温拌剂的混合料在自愈合后,与初次加载时相比,其疲劳寿命略有缩短;而Sasobit温拌剂提高了沥青混合料初次加载和自愈合后的疲劳寿命。结果表明,加入Aspha-min温拌剂的沥青混合料在自愈合后,沥青混合料初始劲度模量和疲劳寿命均略有降低;而沥青混合料中加入Sasobit温拌剂,疲劳寿命和初始劲度模量均呈上升趋势,因此在沥青混合料中加入Sasobit温拌剂,可以提高自愈合能力。

出现该现象的原因是:随着沥青混合料中加入的Aspha-min温拌剂所释放的水分逐渐挥发,沥青混合料中会逐渐产生一些微小裂缝;而沥青混合料中加入Sasobit温拌剂后,会增加黏结能力,随着沥青混合料试件温度的上升,沥青混合料逐渐软化形成固-液二相胶体材料,提高的黏结性能使得沥青混合料劲度模量和疲劳寿命也有所提高。

温拌沥青混合料与热拌混合料相比更容易受潮,Aspha-min和Sasobit 2种温拌剂使得混合料的水稳定性都有着不同程度的下降[17],掺入Sasobit的混合料抗水损害性能满足规范要求,而Aspha-min使得混合料水稳定性下降较多,达不到规范要求[18]。但在实际工程中,抗剥落剂的使用可以有效降低水分损害,因此掺入温拌剂后沥青混合料各方面性能可满足使用要求[19]。