Sasobit掺量对再生半柔性路面路用性能影响研究

2022-06-07叶腾飞包惠明

公路工程 2022年2期

叶腾飞，包惠明

(桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004)

0 引言

温拌沥青混合料(WMA)起源于欧洲，主要通过添加剂来降低混合料在拌和碾压时的黏度，提高沥青在低温下压实度[1-2]。温拌沥青混合料(WMA)较热拌沥青混合料(HMA)相比，其拌和碾压温度低，减少了有害气体的排放，节约了大量能源且降低了有害气体对施工人员的健康损害，温拌沥青路面是一种新型环保路面，具有广阔的应用前景[3]。厂拌热再生技术能较好地恢复再生沥青混合料(RAP)的性能，但会使得RAP材料发生二次老化，若将温拌沥青技术运用于路面再生，可较好解决上述问题[4-5]。目前随着温拌技术的发展，温拌剂的种类也逐渐增多，按作用机理可分为3种类型：①有机降黏型温拌剂;②发泡沥青降黏温拌剂;③乳化分散沥青降粘温拌剂，Sasobit(沙索)是有机温拌剂，大量试验结果表明：在普通沥青混合料中，Sasobit与沥青能发生化学反应，沥青中的—OH和C—H反应生成了芳香族C—O键，因此改变了沥青的结构和组分，显著提升了沥青混合料的高温性能[6]。

半柔性路面是在大空隙沥青混合料(20%～28%)中填充水泥砂浆形成的兼具沥青路面舒适性和混凝土路面高温稳定性的高性能复合路面[7]，本工作将研究Sasobit掺量对温拌再生半柔性路面路用性能影响研究，前期对最佳RAP掺量进行了试验研究，试验结果发现：再生半柔性路面的RAP掺量可达30%，当RAP掺量超过30%时，水稳指标冻融劈裂强度比(TSR)不满足规程要求。因此本工作再生半柔性路面RAP掺量为30%，在此基础上结合灰色关联理论分析温拌剂掺量对路用性能的影响。

1 原材料

1.1 RAP

试验用RAP源自安徽省高速公路改造所铣刨回收废料，经晾晒筛分后分为4档，本试验仅使用10～17 mm档，经抽提离心分离后测定该档油石比为2.74%；环球法测定其软化点为65.7 ℃；针入度为3.27 mm。通过对RAP材料进行傅里叶红外光谱(FTIR)测定发现：沥青发生了老化，其中的芳香分和胶质转化了沥青质。

1.2 沥青

试验沥青采用中石化有限公司茂名分公司生产的70#石油沥青，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[8]中的有关试验方法对基本指标进行检验，各项指标符合要求，检测指标见表1。

表1 沥青主要指标检测结果 Table 1 Test results of main indicators of asphalt类别针入度(25 ℃)100 g,5 s/(0.1 mm)软化点(环球法)/℃60 ℃动力黏度/(Pa·s)15 ℃ 延度/cm蜡含量(蒸馏法)/%闪点(开口)/℃溶解度(三氯乙烯)/%密度(15 ℃)/(g·cm-3)质量指标60～80≥46≥180≥100≤2.2≥260≥99.5实测检测结果7948208>1001.9>30099.701.033试验方法T 0604-2011T 0606-2011T 0620-2011T 0605-2011T 0615-2011T 0611-2011T 0607-2011T 0603-2011

1.3 Sasobit

Sasobit(简称沙索)由德国Sasol—Wax公司于1997年研发，在南非生产的一种既能改性又能温拌的沥青添加剂，熔点为100 ℃，135 ℃黏度为5.62×10-3(Pa·s)，在温拌条件下仍能保证优良的压实度，优化施工条件，改善施工的和易性，采用湿法添加温拌剂制备温拌沥青。

2 基于RAP半柔性路面级配设计

2.1 基体沥青混合料级配设计

半柔性路面级配设计国内外尚未确定统一的设计方法，国外主要依据工程经验进行设计，而各地组成材料有较大差异，难以保证施工质量的稳定[9]，张肖宁[10]等基于材料体积特性，提出了沥青混合料组成设计的CAVF法，CAVF法主要强调粗集料的挤嵌作用，而半柔性材料属于骨架-密实结构，本次使用CAVF法设计本次基体沥青混合料，设计空隙率为21%，RAP掺量为30%，仅掺加9.5～13.2 mm RAP粗集料，基体沥青混合料级配见表2。

表2 再生半柔性路面基体沥青混合料级配Table 2 Gradation of asphalt mixture for recycled semi-flexible pavement matrix 不同筛孔(mm)通过率/%13.29.504.752.361.180.600.300.150.075100.012.312.38.76.75.74.73.52.5

半柔性材料基体沥青混合料为形成大空隙，以粗集料为主，本次级配设计粗集料占比达90%左右，若采用马歇尔试验法确定最佳沥青用量，会导致自由沥青含量过多，因此国内采用谢伦保析漏试验和肯塔堡飞散试验确定混合料的最大沥青用量和最小沥青用量，然后以两者中值确定最佳沥青用量。试验测定结果见图1，以RAP掺量30%为例，其中η1为肯塔堡飞散损失，η2为谢伦保析漏损失，ω(沥青)为沥青用量，ω(RAP)为RAP掺量。

(a)飞散损失

(b) 析漏损失

绘制不同Sasobit掺量的沥青的析漏损失与飞散损失曲线图，曲线拐点处即为试验所确定的最大或最小沥青用量，试验测定结果如下：最大沥青用量为2.96%，最小沥青用量为2.68%，最终确定30%RAP的最佳沥青用量为2.82%。

2.2 砂浆级配设计

砂浆的级配对半柔性路面性能有着重要的影响，砂浆使得半柔性路面有较大的刚度，使其高温性能和水稳性能较普通沥青路面有较大幅度的提升，砂浆应具备较大的流动度同时兼具较高的强度[11]。我国的交通运输部发布了《半柔性混合料用水泥基灌浆材料》[12]作为行业标准，基本指标要求如下：抗折强度≥2.0 MPa，抗压强度≥15 MPa，7 d养生；初始流动度10～14 s；凝结时间≥120 min。

按规程推荐的材料进行设计，砂浆组成材料简单环保：水泥为广西桂林产PC42.5硅酸盐水泥；矿粉、粉煤灰为河南巩义某净水材料公司产，采用厦门艾斯欧公司生产的标准砂。具体配合比如下：水胶比0.5、矿粉掺量10%、粉煤灰掺量25%、砂掺量26.7%；按配合比测试结果如下：流动度11.5 s，抗压强度18.6 MPa，抗折强度3.7 MPa，凝结时间176 min，符合行业标准要求。

2.3 温拌再生半柔性路面路用性能

温拌剂采用湿拌工艺，将沥青加热到135 ℃左右，按沥青质量比例添加温拌剂，使用高速剪切机搅拌均匀，制备温拌沥青。相关研究表明砂浆在标准条件下养护7 d可达28 d强度的80%左右，半柔性路面砂浆养护7 d可实现快速通车要求，本次试验砂浆均只养护 7 d，温拌再生半柔性路面性能如下。

a.水稳定性能评价。通过前期研究发现，浸水马歇尔试验评价半柔性路面水稳性能存在一定局限性，主要表现为残留稳定度超过100%，因此建议使用冻融劈裂试验测定半柔性路面的水稳性能，按规范成型标准马歇尔试件灌浆养护7 d，试验测定冻融劈裂强度比(TSR)见图2。

图2 不同温拌剂掺量水稳性能指标Figure 2 Water stability index of different warm mixing amount

由图2可知：在《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2017)中，要求年降雨量≥500 mm地区，改性沥青混合料的TSR≥80%，在未掺加Sasobit温拌剂时，TSR仅为73.6%，不满足规程要求；在掺加温拌剂后，TSR与温拌剂掺量呈正相关，均满足规范要求；温拌与热拌沥青混合料相比，热拌时优于未掺加温拌剂时TSR，掺加温拌剂后温拌水稳性能优于热拌，表明Sasobit 温拌剂能有效改善半柔性路面水稳性能。

b.高温稳定性评价。高温稳定性能一般采用车辙试验来评价，按规范成型标准车辙试件，车辙试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，采用标准车辙试验，仪器控温60 ℃，轮压0.7 MPa，使用试验测定的动稳定度(DS)和车辙位移综合评价半柔性路面高温稳定性能，试验测定结果见图3。

图3 不同温拌剂掺量高温性能指标 Figure 3 High temperature stability index of different warm mixing agent content

由图3可知：从动稳定度来看，在掺加Sasobit温拌剂后，温拌再生半柔性路面的DS指标显著上升，且与温拌剂掺量呈成正相关，当温拌剂掺量超过3%时，温拌时DS指标超过热拌时的DS，当试验温度低于Sasobit温拌剂熔点时，Sasobit会在沥青中形成网状的晶格结构，从何提升了路面的高温稳定性能。而从不同掺量位移分析，温拌比热拌显著增大了车辙位移深度，温拌试验中车辙位移深度与掺量呈负相关，掺量在4%时位移最小，此时也比热拌时位移增大了30.7%，Sasobit温拌剂能提升DS但增大了车辙位移。

c.低温抗裂性评。半柔性路面低温抗裂性能没有统一的评价方法，沥青混合料的抗裂性能主要评价方法有低温小梁弯曲试验、低温弯曲蠕变，以及低温劈裂试验，在切割小梁试件时发现试件密闭空隙呈任意分布，个体差异较大，因此本次选用低温劈裂试验测定半柔性路面的低温抗裂性能。测定结果见图4。

图4 不同温拌剂掺量的低温抗裂性能指标Figure 4 Low-temperature anti-cracking performance index of different warm mixing agent content

由图4可知：参考规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2017)中选用应变作为低温抗裂性能的评价指标，本次选用低温劈裂的破坏拉伸应变作为衡量其低温性能指标。在试验温拌剂掺量范围内，添加温拌剂使得半柔性路面低温抗裂性能有所提升，破坏拉伸应变随温拌剂掺量的增加呈现先增大后降低趋势，在3%掺量性能最优，综合高温稳定性和水稳性能，建议最优温拌剂掺量为3%。

3 Sasobit温拌剂掺量与路用性能灰色关联度分析

3.1 灰色关联度理论

灰色关联分析模型以邓聚龙教授提出的邓氏灰色关联模型为主要代表之一，其使用点距离来测定系统间因素关系强弱[13-15]。

邓氏灰色关联分析主要有以下5个步骤：

a.确定参考序列和比较序列。

本次灰色关联分析以Sasobit温拌剂的掺量为参考序列，以DS、车辙深度、TSR和破坏拉伸应变作为比较序列。假定参考序列为X0，比较序列为Xi，其表达式：

X0={X0(1)，X0(2)，X0(3)…X0(m)}

(1)

X1，X2，X3，X4…Xi;

Xi={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)…Xi(m)}

(i=1，2，3 …m)

(2)

b.对试验测定数据无量纲处理。

对数据进行无量纲处理方法有多种，主要方法有极值划处理、极差化处理和均值化处理等，本工作选用均值化处理方法。

(3)

(i=1，2，3 …m)

(4)

c.参考序列为X0与比较序列为Xi的灰色关联系数ζi(k)计算式如下：

(5)

式中:k=1，2，3 …m，ρ为分辨系数，取值范围为0～1，通常取0.5。

d.关联度求解表达式如下:

(6)

e.分析关联度强弱：xi与x0的γi值越大，表明发展趋势相接近。

3.2 RAP掺量与路用性能灰色关联度分析

按邓氏灰色关联分析模型，求解Sasobit温拌剂的掺量与DS、车辙深度、TSR和破坏拉伸应变的灰色关联度见表3。

表3 不同温拌剂掺量的路用性能指标灰色关联度Table 3 Gray correlation degree of road performance indexes of different warm mixing agent content项目不同温拌剂掺量的关联系数0%2%3%4%关联度DS/(次·mm-1)0.410 0.926 0.701 0.477 0.628车辙深度/mm0.352 0.829 0.621 0.410 0.553TSR/%0.401 0.852 0.678 0.456 0.597破坏拉伸应变0.383 0.858 0.705 0.424 0.593

以DS、TSR和破坏拉伸应变作为高温稳定性能、水稳性能，以及低温抗裂性能的评价指标，通过邓氏灰色关联分析Sasobit温拌剂对路用性能影响强弱程度排序为：高温稳定性能>水稳性能>低温抗裂性能，本次研究将温拌再生技术首次运用于再生半柔性路面，再生半柔性路面的相关路用性能仍表现良好，为高RAP掺量温拌再生路面应用开辟了新的方向，一种新型高温抗车辙温拌再生路面——温拌再生半柔性路面应运而生。