温拌沥青混合料水稳定性能改善措施

2022-11-05张喜艳郝培文

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年5期

王春,张喜艳,郝培文

(1.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室,陕西西安 710064;2.西安西北民航项目管理有限公司,陕西西安 710075)

沥青路面的水损害基本可以归为以下两方面原因[1]：一是路面内部的水分在车辆和环境因素作用下,侵入到了集料与沥青界面,导致二者的粘附性下降;二是沥青路面结构内的水分在车辆荷载作用下产生了冲刷作用,更加速了沥青膜的剥离,进而导致集料颗粒出现松散掉粒,形成坑槽等病害。

温拌沥青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)由于集料加热温度低水分难以充分烘干,使其在生产过程中就在集料表面残留了一些水分,使得混合料始终受到水损害的威胁[2-6]。由于不同类型的温拌技术降黏机理不同,所以添加不同温拌剂以后对混合料水稳性能的影响也略有不同。温拌剂Aspha-min对WMA的水稳定性影响最大[7-8],因为其释放的残留结晶水及结晶水释放完成后的残留粉末都会影响沥青与集料的粘附性。国外许多研究都认为WMA路用性能和热拌沥青混合料(Hot Mix Asphalt,HMA)基本能达到同一水平，法国研究者通过室内和现场试验研究发现WMA只有水稳定性能稍差于HMA[9]。黄开斌[10]采用常规试验及DSR、低温蠕变试验等对添加Sasobit、Aspha-min的WMA与HMA混合料性能进行对比分析,发现添加两种温拌剂的WMA的水稳定性都没有受到影响,但是对于低温性能则都有不利影响,而添加Sasobit的WMA提高了高温稳定性。孟良[11]通过测试WMA试件与HMA试件在冻融循环前后的动态模量,提出以冻融动态模量比来评价WMA的水稳定性,研究表明该方法与传统的冻融劈裂强度比具有良好的相关性,在添加Evotherm DAT和Saso WAM温拌剂后混合料的水稳定性仍能达到HMA水平。窦晖[12]采用“表面能”理论对温拌沥青混合料的水稳定性进行了计算分析,发现沥青与集料种类对计算结果都有影响,但当采用碱性集料如石灰岩时,则不论采用何种沥青其水稳定性都不会受到影响。陈伟等[13]通过冻融劈裂试验以及汉堡车辙试验对某乳化型温拌沥青混合料进行试验,发现WMA的水稳定性与HMA基本一致。刘双[14]在采用冻融试验、车辙试验、小梁弯曲试验对分别添加Aspha-min、Sasobit、Evotherm DAT的WMA与HMA路用性能进行对比分析,发现添加温拌剂后混合料性能相对HMA并没有下降。李鹏飞[15]针对有机蜡型 WMA的水稳定性进行了研究,通过阐述该类 WMA 水损害发生的细观行为,提出了该类 WMA 中集料的临界含水率,为改善有机蜡类WMA水稳定性能提供了理论依据。

由于温度降低,集料不能完全烘干,残留的水分必然会影响沥青与集料的粘附,因此WMA的水稳定性会有所下降。基于此,笔者对添加Aspha-min、Sasobit和DAT3种温拌剂的WMA水稳定性进行了浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和动水冲刷试验,根据试验结果分析了不同WMA水稳定性衰减原因,提出了采用抗剥落剂和硅藻土对Aspha-min和Sasobit两种温拌剂进行复配改性的方式来改善这两种WMA的水稳性能。

1 试验

1.1 试验材料

粗、细集料采用角闪岩,矿粉采用石灰岩，其表现相对密度为2.744,不同规格矿料的密度见表1。

表1 集料密度Table 1 The density of aggregates

沥青采用SBS改性沥青,其各项技术指标见表2。温拌剂选择沸石类Aspha-min、有机蜡类Sasobit和表面活性类Evotherm DAT,其各项技术指标见表3。

表2 沥青技术指标Table 2 The technical specification of asphalt

表3 温拌剂技术指标Table 3 The technical specification of warm mix agent

矿料级配为AC-13,合成结果见表4。采用马歇尔试验方法确定混合料最佳油石比(见表5),WMA采用相同级配HMA的油石比。HMA的最佳拌和温度取180 ℃,最佳压实温度取160 ℃,WMA的最佳拌和温度取160 ℃,最佳压实温度取140 ℃。

表4 AC-13沥青混合料合成级配Table 4 The gradation of AC-13

表5 最佳油石比下AC-13马歇尔试验结果Table 5 The optimum asphalt content of AC-13

1.2 水稳定性能

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的水稳定性试验方法,对1种HMA与3种WMA的残留稳定度、冻融劈裂进行了验证,试验结果见表6～表7。

表6 浸水马歇尔试验结果Table 6 The results of immersion Marshall test

表7 冻融劈裂试验结果Table 7 The results of freeze-thaw splitting test

由以上试验结果可知,温拌沥青混合料的残留稳定度都可以达到热拌沥青混合料的水平,但是冻融劈裂强度比都有不同程度的下降,其中使用Aspha-min的最差。

1.3 采取改善措施后的水稳性能

基于上述温拌沥青混合料水稳定性的不利情况,笔者通过复配改性的方法对Aspha-min和Sasobit两种固体类温拌剂进行改进。目前可用于改善混合料水稳定性能的材料种类很多,但应用较多的主要有抗剥落剂、消石灰、水泥、硅藻土等,其中抗剥落剂又分液体和固体两大类。通过分析各种材料添加于沥青混合料时的改善效果,笔者选择以抗剥落剂和硅藻土来进行复配,由于两种温拌剂都是固体,所以抗剥落剂也选择固体粉末状材料。笔者所选复配材料A为新型非胺类沥青抗剥落剂,外观为棕黄色固体微颗粒(见图1(a));所选复配材料B为硅藻土,是一种微细粉末状固体,呈浅黄色(见图1(b)),其中SiO2质量分数达到90%以上,具有化学性质稳定、热稳定性好等特性,能够有效改善沥青混合料的使用性能。两种复配材料的复配方案如表8所示。由于添加温拌剂对混合料的残留稳定度基本没有影响,因此复配后仅做冻融劈裂试验,试验结果如表9所示。

图1 复合温拌剂的两种复配材料Fig.1 Two kinds of materials forcomposite warm mixing agent

表8 复合温拌剂复配方案Table 8 The composite scheme of composite warm mixing agent

表9 冻融劈裂试验结果Table 9 The results of freeze-thaw splitting test

1.4 动水冲刷试验

目前,国内外广泛应用的评价沥青混合料水稳定性的试验方法大多属于静态浸水试验,而沥青路面内部水分在车辆荷载作用下却会产生动水压力,即实际情况远比试验条件苛刻。鉴于此,笔者在常规浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的基础上,采用课题组研发的动水压力冲刷试验系统(见图2)[2],对Aspha-min、Sasobit、DAT三种温拌沥青混合料及改进后的复合温拌沥青混合料的水稳定性进行测试与评价,以更好地分析温拌剂对沥青混合料水稳定性的影响作用。

图2 动水冲刷试验系统Fig.2 The hydrodynamic scouring test system

该试验系统通过对沥青混合料试件循环不断地施加正负压力,使水流在压力作用下不断冲刷试件内部孔隙,从而模拟沥青路面在车辆荷载作用下的动水冲刷作用。

本次试验采用的试验参数如下[1]：

动水冲刷压力：正压100 kPa,负压90 kPa;动水冲刷温度：60 ℃,冲刷前试件需先在60 ℃水温中保温1小时;往复冲刷次数：200次,约1 h。

对冲刷后的沥青混合料试件,采用单轴贯入试验和劈裂试验对其力学性能进行评价,评价指标为冲刷后试件强度与未冲刷试件强度之比。

1.4.1 单轴贯入试验——位移强度法

采用位移强度法[16]对动水冲刷后温拌沥青混合料的高温抗剪切性能进行研究。位移强度法是一种评价沥青混合料抗剪性能的新方法,加载方式与传统贯入剪切试验类似,但其半圆形压头可以更好的模拟实际路面的受力情况,而且在计算时同时考虑了应力强度和塑性位移。

试验条件及结果计算方式如下：

试件：标准马歇尔试件;

加载方式：采用位移控制方式,加载速度50 mm/min;

试验温度：60℃;

压头：半圆形压头(见图3),压头外径D为40 mm,倒角半径r为10 mm;

图3 压头尺寸Fig.3 The size of indenter

计算公式：试验结果按式(1)计算。

(1)

式中：SD为应力强度,MPa;P为应力最大值,N;D为外径，40 mm;r为倒角内径，10 mm;y为最大应力对应的位移,mm。试验结果如表10所示。

表10 单轴贯入试验结果Table 10 The results of uniaxial penetration test

1.4.2 低温劈裂试验

采用-10 ℃劈裂试验来评价温拌沥青混合料试件在动水冲刷后的力学性能,具体试验参照《沥青混合料劈裂试验》(JTG E20T0716—2011)进行,试件由马歇尔法双面各击实75次成型,试验加载速率为1 mm/min。试验结果如表11所示。

表11 劈裂试验结果Table 11 The results of splitting test

2 试验结果分析

2.1 水稳定性试验结果分析

对HMA与WMA的残留稳定度、冻融劈裂试验结果如图4所示。

图4 温拌沥青混合料水稳定性试验结果Fig.4 The test results of water stability of WMA

由图4可知：

(1)添加三种温拌剂后,WMA的马歇尔稳定度相比HMA都有所下降,但是其残留稳定度则都达到了HMA的水平,其中添加Sasobit和DAT的都与HMA的一致,而Aspha-min甚至超出了HMA的水平。

(2)三种WMA的劈裂强度也比HMA的劈裂强度降低了一些,而且由于冻融试验条件更加苛刻,所以WMA的TSR(表征冻融劈裂强度比)普遍没有达到HMA的技术水平,添加Sasobit和DAT的还能稍稍高出规范要求值80%,而添加Aspha-min的则下降较严重,甚至比规范要求值还低了十个百分点。这是由于WMA降低生产温度后,集料中原有的水分不能够充分烘干,而且温拌剂中引入的水分(Aspha-min与DAT)也会有一些残留在沥青与集料界面之间,从而导致温拌沥青混合料始终存在潜在的水损害威胁,当经历冻融循环后,其中残留的水分也会经历冻胀与消融的过程,更加速了沥青从集料表面剥离,导致集料剥落松散直至坑槽。Aspha-min WMA试件在经历冻融循环后试件破坏面上集料颗粒表面的沥青膜则明显剥离。

(3)从残留稳定度试验可以看出,尽管添加温拌剂后混合料的稳定度都有下降,但是添加Sasobit的明显较其他两种下降较少,这说明晶格结构的Sasobit熔于沥青中后呈网状分布，起到了加筋作用。但由于Sasobit仍然具有蜡的性质,所以添加以后也会影响沥青的低温抗裂性能,因此其TSR也较小。

(4)综上可知,使用温拌添加剂后混合料的水稳定性普遍有下降趋势,因此,在工程应用中应该对WMA的水稳定性进行严格检验,当水稳定性较差时必须采取改善措施。

2.2 采取改善措施后水稳定性能试验结果分析

对Aspha-min和Sasobit两种固体类温拌剂进行复配改性后，其混合料残留稳定度、冻融劈裂试验结果如图5所示。

图5 添加复合温拌剂的沥青混合料冻融劈裂强度比Fig.5 The TSR with composite warm mixing agent after freeze-thaw splitting test

由图5可知,采用抗剥落剂与硅藻土对两种温拌剂进行复配改性后,WMA的冻融劈裂强度比都有了显著提高。

(1)对于Aspha-min温拌剂,采用抗剥落剂复配比硅藻土对TSR的改善效果更好,而同时采用抗剥落剂与硅藻土进行复合改性时效果达到最佳,其TSR排序为TSR(方案③)>TSR(方案①)>TSR(方案②)>TSR(Aspha-min WMA)。

(2)对于Sasobit温拌剂,采用抗剥落剂复配比硅藻土对TSR提高更多,而同时采用抗剥落剂与硅藻土进行复合改性时与单独使用抗剥落剂改性的效果基本一样,各方案TSR排序为TSR(方案⑥)>TSR(方案④)>TSR(方案⑤)>TSR(Sasobit WMA)。

(3)综上可知,抗剥落剂对WMA水稳定性的改善效果比硅藻土更好,如图6所示,未添加抗剥落剂的混合料冻融劈裂后试件内部沥青与集料剥离现象非常明显,而添加抗剥落剂后冻融劈裂试件内部则基本看不到沥青与集料剥离的情况。因此对于Aspha-min和Sasobit温拌剂,当仅考虑水稳定性时,应优先推荐采用抗剥落剂进行复配。

图6 添加抗剥落剂前后Aspha-min温拌沥青混合料冻融后试件Fig.6 The specimen with composite warm mixing agent after freeze-thaw splitting test

2.3 动水冲刷试验结果分析

2.3.1 单轴贯入强度

由表10可知：①从未冲刷试件的应力强度可以看出,添加温拌剂后混合料的抗剪强度都有不同程度的下降。这也表明WMA拌和温度降低后,确实使得沥青老化程度减弱,沥青相对而言仍然较软,对混合料抗剪切性能较为不利。②动水冲刷前后WMA试件单轴贯入的位移也基本上都大于HMA,说明WMA的抗变形能力确实有所削弱。③所有混合料的残留应力强度比都处于较高水平,而且添加温拌剂后混合料的残留应力强度比不降反升,说明添加温拌剂后混合料的水稳定性得到了改善,这与残留稳定度结果较为一致,而与冻融劈裂强度比完全不符,这应该是与动水冲刷试件的试验条件没有冻融劈裂苛刻有关,动水冲刷试件60 ℃浸水时间仅有2 h,而且试件是75次击实成型的,空隙率较冻融劈裂试件小。④在对Aspha-min和Sasobit两种温拌剂进行复合改性后,混合料残留应力强度比有所提高,而最大应力对应位移也有一定增长,说明复合改性后混合料的水稳定性有一定改善,而高温抗变形能力则有所下降。

2.3.2 低温劈裂试验

由表11可知：①从未冲刷试件的劈裂抗拉强度来看,添加温拌剂后混合料的低温抗裂性能都有不同程度的下降,表明温拌剂的使用对混合料的低温抗裂性能确有不利影响。②添加温拌剂后沥青混合料的残留劈裂强度比都有所下降,但是仍然都处于较高水平,这与冻融劈裂试验结果仍不相符,可见即使采用动水冲刷,如果试验条件没有冻融劈裂苛刻,那么其劈裂强度仍然不会受到太大影响。③Aspha-min温拌剂在复合改性后,其水稳定性能都得到了一定程度的改善;而Sasobit温拌剂在复合改性后,只有方案⑤(单独添加硅藻土)的水稳定性能有所提高,而方案④和⑥的水稳定性则都有所降低。