基于布氏黏度与MSCR的温拌改性沥青性能评价

2022-06-07谢振文庄宝利虢曙安

公路工程 2022年2期

谢振文,庄宝利,虢曙安

(1.湖南省建工交通建设有限公司,湖南长沙 410014;2.湖南省交通科学研究院有限公司,湖南长沙 410015)

0 引言

公路沥青路面建设中热拌沥青混合料是传统工程生产中应用较多的一种混合料，但随着节能环保的需求，如何提升沥青路面建设中的能源消耗、减少污染物和废弃物的排放是现阶段公路建设的热点。目前，相较于热拌沥青混合料高温生产和施工的工作环境，温拌改性沥青逐渐成为另一种选择并广泛应用于沥青路面建设中[1-4]。温拌沥青技术原理为通过在沥青中添加温拌改性剂进而降低沥青的黏度，从而达到在较低温度下进行拌和、碾压成型沥青混合料的一种技术方法[5-7]。一般而言，采用温拌改性技术可比同条件下的热拌沥青混合料施工温度降低约15 ℃～30 ℃，同时也能较好地保证沥青混合料的路用性能不受影响[4]。龙云霄[8]等采用对阻燃改性剂进行表面改性进而制备得到新型复合温拌剂，最后通过路用性能试验和微观性能试验分析了新制备的表面活性温拌剂的使用效果。宋云连[9]采用表面活性温拌剂对不同沥青的高温和低温性能进行了分析。郑新[10]等对泡沫型温拌沥青的黏温特性和拌制的混合料的疲劳性能进行了研究。温彦凯[11]等采用泡沫改性的方式制备温拌沥青并添加矿粉得到沥青胶浆，最终分析了泡沫温拌沥青胶浆的流变性能。从现有研究可以看出，部分研究单独对表面活性或泡沫型温拌改性沥青的性能进行分析，尚未综合比较2种类型温拌剂的实际效果。因此，本文通过选取3种温拌剂类型，并在不同掺量下研究温拌改性沥青的实际应用效果，以布氏旋转黏度评价其高温黏度性能，以多重应力蠕变恢复试验评价其高温性能，并最终优选温拌剂和确定最佳掺量，通过本研究为实际温拌改性沥青混合料的制备提供技术指导，同时这对于温拌剂的应用研究也同样具有推进作用。

1 试验材料和制备过程

1.1 沥青

本次选用的SBS改性沥青为I-D型，SBS改性沥青的各项基本指标按照我国沥青路面施工技术规范的要求进行测试。如表1所示，针入度、软化点和延度指标均满足规范要求。

表1 SBS改性沥青技术指标Table 1 Technical indexes of SBS modified asphalt类别针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)延度(10 ℃,5 cm/min)/cm软化点/℃检测结果55.239.081.1规范要求40～60≥20≥60

1.2 温拌剂

为了选择最佳的温拌剂，本次研究了市面3种典型的温拌剂：Evothem温拌剂、LKW温拌剂和TEGO温拌剂，代号分别为A、B、C。其中A、B为表面活性类型的温拌剂，C为泡沫型温拌剂，3种改性剂的基本物理性质如表2所示。根据产品使用说明，3种不同的温拌剂，均有各自最佳掺量范围。为了研究3种温拌剂在其最佳掺量范围内对沥青性能的提升效果，进而确定各温拌剂在对沥青性能提升时的最佳掺量，每种温拌剂根据其使用说明在最佳掺量范围内设定了3个对比掺量，如表3所示，其中掺量为0的试验组为对照组。需要说明的是，本研究所采用的改性剂掺量比例为改性剂与沥青的质量之比。

表2 温拌剂基本物理性质Table 2 Basic physical properties of warm mix agent改性剂类型外观形态密度/(g·cm-3)黏度/(mPa·s)A白色液态1.00100～300B黄色液态0.9150～250C黄色液态0.8720～40

表3 温拌改性剂掺量比例方案Table 3 Proportion scheme of warm mixing modifier改性剂种类改性剂掺量/%A00.10.20.3B00.20.40.6C00.30.50.7

1.3 温拌改性沥青的制备过程

本文采用的温拌剂为表面活性和泡沫类温拌剂，此种类型温拌剂与传统采用发泡的形式制备泡沫沥青有所不同，其制备方法不是采用加热沥青再加水的方式进行发泡生产，而是与制备改性沥青类似，在沥青中加入温拌剂再进行搅拌，待温拌剂与沥青混合均匀后即可制备温拌改性沥青，本文中采用的3种温拌剂均是以这样的方法制备温拌改性沥青。制备温拌改性沥青需要按照一定的工艺顺序，本研究采用如下方法制备温拌SBS改性沥青：

a.首先将SBS改性沥青置于烘箱中加热，待其软化成流动态后，采用金属罐称取一定质量的流动态沥青，之后将其放置于电热套中，并在170 ℃下保持温度恒定。

b.在SBS沥青加热完成后，分别按照表3的掺量称取一定剂量的温拌剂，并加入到SBS沥青金属罐中，在加入改性剂的过程中低速启动搅拌器，转速控制在600转/s左右。

c.在温拌剂添加完成后按照2 400转/s的转速启动搅拌器，使得温拌剂均匀混合在SBS沥青中，选取的搅拌时间为5 min。

2 温拌改性沥青的黏温性能分析

对于温拌改性沥青而言，其性能的优劣与其高温黏度密切相关，为了评价各改性剂，以及在不同掺量下的降黏效果，一般采用布氏黏度仪测试不同温度下的温拌改性沥青的黏度值[12-13]。布氏黏度仪的测试原理为通过测试沥青在转子作用下产生的力矩大小来评定，沥青的表观黏度越大，则转子在转动过程中所需的力也就越大，通过转子传感器检测出力的大小并以此计算出沥青的黏度。本研究进行黏度测试时选定的转子为21#，设定的测试温度为115 ℃、135 ℃、155 ℃和175 ℃，根据温度和预估沥青黏度设定相对应的转速，分别为5、10、15和20转/min。通过试验最终得到3种温拌改性沥青在不同掺量下的黏度结果如图1～图3所示。

图1 不同温度下添加温拌剂A的SBS改性沥青黏度值Figure 1 Viscosity value of SBS modified asphalt with warm modifier A at different temperatures

图2 不同温度下添加温拌剂B的SBS改性沥青黏度值Figure 2 Viscosity value of SBS modified asphalt with warm modifier B at different temperatures

图3 不同温度下添加温拌剂C的SBS改性沥青黏度值Figure 3 Viscosity value of SBS modified asphalt with warm modifier C at different temperatures

由图1～图3可知，对于表明活性温拌剂A和B而言，随着温度的增加，各掺量下SBS改性沥青的黏度下降较为明显，同时，同一温度下随着2种温拌剂掺量的增加，SBS改性沥青的黏度值减小，以175 ℃下的数据为例，添加0.3%A的SBS改性沥青与未添加温拌剂的SBS沥青相比，黏度值下降近20%，相对应地添加0.4%B的SBS改性沥青黏度值下降50%，说明2种改性剂具有良好的降黏效果。对于泡沫型温拌剂C而言，虽然随着温度的升高，各掺量下的SBS改性沥青黏度值也在降低，但随着掺量的增加，其黏度值降低效果并不明显，且与未添加温拌剂的SBS沥青相比，各温度下的黏度也比较接近，说明泡沫型温拌剂不能在SBS沥青的温拌降黏过程中发挥作用。究其原因可能是泡沫型温拌剂在实际应用中需要加入一定量的水，进而才能在发泡过程中起到“低温”降黏的作用。

通过布氏黏度试验得到了3种温拌改性SBS沥青在不同温拌剂掺量、不同温度下的黏度值，这为分析温拌剂性能有了初步的判断标准，但为了进一步选取最佳的温拌剂和确定温拌剂掺量，需要进一步根据温拌改性后的SBS沥青路用性能来确定，下面将进一步通过高温性能试验确定最佳温拌剂类型和最佳掺量。

3 温拌改性沥青高温性能评价

目前国内外评价沥青材料的高温性能试验方法主要有软化点、PG高温和MSCR试验，软化点试验属于主观经验的试验方法，美国SHRP计划提出了采用PG分级的方法评价沥青材料的基本性能，对于高温性能，PG试验中有针对高温性能进行分级的试验方法，虽然该方法具有一定的力学基础，但其评价指标中的车辙因子仍然不能准确描述改性沥青的高温力学性能。基于PG试验的不足，D’Angelo等提出了多重应力蠕变恢复试验测试沥青的高温性能，简称MSCR[14-16]。MSCR试验采用的试验设备为动态剪切流变仪，通过DSR转子在0.1 kPa和3.2 kPa下加载10个周期，并以10个周期的平均恢复百分比R，以及不可恢复的蠕变柔量Jnr进行评价，该方法广泛用于沥青的高温性能评价，以及力学性能分析。本次采用MSCR进行分析不同温拌改性沥青的高温性能，试验采用4个典型温度：58 ℃、64 ℃、70 ℃和76 ℃，最终得到的试验结果如表4～表7所示。

表4 各方案温拌改性SBS改性沥青R值结果(0.1 kPa)Table 4 R results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme (0.1 kPa)温拌剂方案不同温度(℃)下的R值58647076098.195.290.281.30.1%A98.996.191.582.20.2%A99.196.492.383.80.3%A99.296.692.784.10.2%B98.895.991.381.90.4%B98.996.191.982.30.6%B99.296.492.282.60.3%C98.395.490.381.50.5%C98.494.989.780.90.7%C98.494.490.080.1

表5 各方案温拌改性SBS改性沥青R值结果(3.2 kPa)Table 5 R results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme(3.2 kPa)温拌剂方案不同温度(℃)下的R值58647076094.590.086.374.90.1%A96.190.987.281.10.2%A96.691.287.882.10.3%A96.991.588.182.50.2%B95.590.387.180.10.4%B95.891.087.480.40.6%B96.391.387.680.60.3%C94.990.186.176.70.5%C95.190.486.676.50.7%C95.290.486.776.9

从表4和表5的试验结果可以发现：随着温度的逐渐提升，无论哪种温拌剂，以及各掺量下的R均有减小的趋势，主要由于温度升高，导致沥青的弹性性能下降，进而恢复比例减小。对于表面活性改性剂A、B而言，随着温拌剂掺量的增加，同一温度下的R均呈现增加的趋势，相较于为添加温拌剂的SBS沥青，R下降明显，说明温拌剂A、B的加入对提升SBS的恢复能力有较好的效果，同时，与温拌剂B改性的SBS沥青相比，温拌剂A

表6 各方案温拌改性SBS改性沥青Jnr值结果(0.1 kPa)Table 6 Jnr results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme(0.1 kPa)温拌剂方案不同温度(℃)下的Jnr值5864707600.0350.1410.2930.4420.1%A0.0180.1150.2210.3010.2%A0.0130.1010.1960.2450.3%A0.0100.0940.1870.2290.2%B0.0280.1350.2790.3390.4%B0.0230.1320.2680.3010.6%B0.0200.1280.2590.2880.3%C0.0330.1470.2890.4380.5%C0.0300.1420.2870.4310.7%C0.0300.1400.2860.430

表7 各方案温拌改性SBS改性沥青Jnr值结果(3.2 kPa)Table 7 Jnr results of warm mix modified SBS modified asphalt of each scheme (3.2 kPa)温拌剂方案不同温度(℃)下Jnr值5864707600.2110.4800.7931.4110.1%A0.1280.3900.6130.9690.2%A0.0980.3290.5390.8030.3%A0.0890.3050.4910.6980.2%B0.1890.4590.7561.2590.4%B0.1760.4240.7231.1030.6%B0.1480.4010.6911.0960.3%C0.2050.4720.7891.4150.5%C0.2010.4690.7831.4090.7%C0.1960.4650.7691.399

改性的SBS沥青在0.1 kPa和3.2 kPa下的R均较小，充分说明温拌剂A更能提升SBS抵抗高温变形的能力。此外，泡沫型温拌剂C对于SBS改性沥青的高温性能提升并不十分明显，无论是在0.1 kPa还是3.2 kPa下，各温度和各掺量下的R相较于未添加温拌剂的SBS沥青的R提升并不明显，反映出温拌剂C对于提升SBS高温性能效果较差。

表6和表7为各温度下不同改性剂掺量下的Jnr结果，从中可以发现，当温度升高时，各温度下的Jnr值随温度逐渐增加，其原因在于Jnr反映沥青在高温荷载下不可恢复性能，温度越高，沥青黏性越大，进而恢复能力减弱。与未添加温拌剂的SBS沥青Jnr值相比，随着温拌剂掺量的增加，采用温拌剂A和B改性的SBS沥青Jnr值减小，说明温拌剂A和B的加入对于提升沥青抗高温荷载的能力有明显作用，这也与前面R值结果相一致。而添加温拌剂C的SBS改性沥青在2个荷载水平和各温度下的Jnr值与未添加温拌剂的SBS沥青Jnr值比较接近，进一步反映温拌剂C对于提升SBS沥青的高温性能效果甚微。由此可以看出，泡沫型温拌剂在单独使用时对沥青的降黏效果，以及高温性能的提升均不明显，需要在水条件下才能发挥作用，而表面活性温拌剂通过物理活性改性的方式改变了沥青的结构，进而能达到降低沥青高温黏度、提升高温性能的作用，表面活性温拌剂的实际应用效果更佳。

此外，需要注意的是，表面活性温拌剂A相较于B对于降低SBS沥青的Jnr值效果更明显，但0.2%掺量的A与0.3%掺量下各指标相差并不十分明显，说明当温拌剂A掺量超过0.2%后，对于SBS沥青的高温抗变形能力提升空间不大，因此，结合R的结果,以及布氏黏度试验结果，可以最终确定最佳的温拌剂为表面活性温拌剂A，其最佳掺量为0.2%。