EC130温拌剂对SBS改性沥青高温性能及抗疲劳性能的影响

刘 宁, 李迪安, 刘黎萍, 朱 奇, 张志涛, 黄 羽, 门光誉

(1. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室, 上海 201804; 2. 宁夏交通建设股份有限公司, 宁夏 银川 750004; 3. 中建八局第一建设有限公司, 山东 济南 250014)

随着我国环保力度的加大和节能减排重视程度的提高,交通基础设施的绿色可持续发展逐渐引起社会关注.作为一种新兴绿色筑路技术,沸石发泡沥青温拌混合料技术因其使用方便,节能环保,且无需对生产设备进行改装,在国内外备受青睐.

目前,对于沸石发泡沥青及混合料的研究已取得了一定成果[1-3].铺面工程中应用较多的沸石类温拌剂主要有Aspha-min、Advera和EC130等.有关EC130温拌沥青的研究中,在常规力学指标方面较为统一的结论认为,添加EC130温拌剂使沥青的针入度和延度降低,软化点增大[4];存在争议的结论认为,添加EC130温拌剂对沥青的黏度影响不显著,亦有研究发现添加EC130温拌剂使沥青的高温黏度降低,低温黏度增大[5].在流变特性方面,有研究[5]发现添加EC130温拌剂可使沥青的复数模量和车辙因子增大,相位角减小;亦有研究[6]发现添加EC130温拌剂对沥青的高、低温流变性均有不利影响,但与FRMAXTM阻燃剂同时使用,可使沥青的高温PG分级提高一个等级,而低温PG分级降低一个等级.有关EC130温拌沥青混合料的研究中,刘素梅等[7]通过马歇尔稳定度试验、浸水马歇尔稳定度试验及高温车辙试验,发现随EC130温拌剂掺量的增加,温拌沥青混合料的高温稳定性逐渐增大,而稳定度和水稳定性呈先增加、后降低的趋势.乔建刚等[8]研究了掺加EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂的沥青玛蹄脂(SMA)混合料路用性能,发现仅添加EC130时,EC130温拌沥青混合料高、低温性能及水稳定性均随EC130温拌剂掺量的增加而降低.严超等[9]对EC130、EC120和Sasobit等3种温拌剂改性沥青混合料的水稳定性和高、低温性能进行了研究,发现添加EC130的温拌沥青混合料的高、低温性能不如添加EC120和Sasobit的沥青混合料,但其水稳定性与二者相当.综上,现阶段对于EC130温拌沥青及其混合料的研究多集中于EC130温拌剂掺量对沥青及其混合料性能的影响以及与不同温拌技术的对比,尚未有人从沸石物质组成角度,对沸石矿物和发泡水对沸石发泡温拌沥青及其混合料路用性能的影响进行深入剖析.

为研究EC130温拌剂对SBS改性沥青的高温性能及抗疲劳性能的影响,文中根据EC130温拌剂的物质组成,从EC130沸石矿物和EC130温拌剂释放的发泡水角度,以石灰岩矿粉作参照物,研究EC130沸石矿物及其发泡水对SBS改性沥青的高温性能及抗疲劳性能的影响,以此为EC130沸石发泡沥青及其混合料的研究提供依据.

1 试 验

1.1 原材料

1.1.1沥 青

试验选用SBS双龙改性沥青(I-D),其主要技术指标如表1所示.

表1 SBS改性沥青主要技术指标

1.1.2温拌剂

试验选用的EC130温拌剂属于沸石类温拌剂,呈白色粉末状,是一种多孔含水无机材料,经试验测定其中水的质量分数为23.5%,所含水分在100 ℃左右时被释放.该温拌剂加入热沥青后会释放发泡水,水分蒸发使沥青发泡,进而降低了沥青黏度.EC130沸石矿物由EC130温拌剂烘干、脱水制得,其筛分试验结果见表2.

表2 筛分试验结果

1.1.3矿 粉

试验选用石灰岩矿粉,试验前需要在温度为105 ℃下烘干至恒重,冷却备用.其筛分试验结果见表2.

1.2 试验方案

试验采用石灰岩矿粉、EC130沸石矿物和EC130温拌剂等3种添加物,设计1%、3%、5%、7%和9%等5个EC130温拌剂掺量.相应地,石灰岩矿粉掺量=EC130沸石矿物掺量=EC130温拌剂掺量×(1-EC130温拌剂含水率).制备试验用沥青胶浆(沥青+石灰岩矿粉)、沸石沥青胶浆(沥青+EC130沸石矿物)和沸石发泡沥青胶浆(沥青+EC130温拌剂).制备工艺如下：将沥青控温至170 ℃后,按设计掺量加入添加物,以200 r/min的转速进行机械搅拌10 min.

1.3 试验方法

采用温度扫描试验、多重应力蠕变恢复(MSCR)试验和线性振幅扫描(LAS)试验分别测定了上述沥青胶浆在不同温度下的高温性能及抗疲劳性能.从EC130沸石矿物和发泡水的角度,参照石灰岩矿粉对沥青性能的影响,分析了EC130沸石矿物和发泡水对SBS改性沥青高温性能和抗疲劳性能的影响.

1.3.1温度扫描试验

考虑在58、64、70、76和82 ℃等5个测试温度下,对上述沥青胶浆进行温度扫描试验.试验控制应变为12%,扫描速率为10 rad/s.通过试验得到车辙因子|G*|/sinδ和疲劳因子|G*|·sinδ.

1.3.2多重应力蠕变恢复试验

在前述设定的5个测试温度下,对上述沥青胶浆进行MSCR试验,试验按照美国公路和运输官员协会(AASHTO)制定的T350-14《基于流变仪的沥青多重应力蠕变恢复试验》(Multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR))规范进行.测试中,先在0.1 kPa应力条件下蠕变1 s,恢复9 s,重复10 个循环.接着在3.2 kPa应力条件下进行10个蠕变-恢复循环.通过试验得到3.2 kPa应力条件下的不可恢复蠕变柔量Jnr,3.2.

1.3.3线性振幅扫描试验

根据AASHTO制定的TP101-14《线性振幅扫描评估沥青胶结料的损伤极限》(Estimating damage tolerance of asphalt binders using the linear amplitude sweep)规范对上述沥青胶浆进行线性振幅扫描(LAS)试验,试验分为频率扫描和振幅扫描两部分.在频率扫描中,试样的频率扫描范围为0.2～30.0 Hz,应变振幅为0.1%,从而确定沥青的流变特性,得到损伤分析参数.在振幅扫描中,加载频率为10 Hz,加载时间为310 s,加载应变振幅由0.1%按线性关系增加到30.0%,试验温度为25 ℃.通过试验得到沥青疲劳寿命Nf.

2 结果与讨论

针对试验方案中的不同沥青胶浆,基于上述试验方法,研究EC130沸石矿物和发泡水对SBS改性沥青高温性能及抗疲劳性能的影响.

2.1 温度扫描

2.1.1车辙因子分析

图1为在不同温度下,沥青胶浆的车辙因子|G*|/sinδ与添加物掺量w的关系曲线.

首先,分析测试温度的影响.由图1可知,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的|G*|/sinδ均随测试温度的升高而减小.沥青是一种典型的黏弹性材料,具有较强的温度敏感性,温度越高,其黏性越大,弹性越小,抗车辙性能降低[10].

其次,分析石灰岩矿粉、EC130沸石矿物和EC130温拌剂掺量的影响.由图1可知,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的|G*|/sinδ均随添加物掺量的增加而逐渐增大.将3种添加物添加到沥青中后,添加物中的矿物会对沥青起到体积填充和物理吸附作用,吸附沥青中轻质组分(饱和分和芳香分),从而促进沥青质和胶质的结合,使沥青中弹性成分增加,抗车辙性能增大[11].

图1 不同温度下车辙因子与添加物掺量关系曲线

第三,对比分析EC130沸石矿物与石灰岩矿粉的影响.选取不同沥青胶浆82 ℃时的|G*|/sinδ进行对比,结果如图2所示.

图2 不同沥青胶浆的车辙因子与添加物掺量关系柱状图

由图2可知,在任一种掺量下,沸石沥青胶浆的|G*|/sinδ较沥青胶浆显著增大.不同于石灰岩矿粉,EC130沸石矿物的粒径小,比表面积大,且具有特殊的内部空隙结构,因而其在沥青中分散度大,对沥青的体积填充和物理吸附作用更为显著.

第四,对比分析EC130沸石矿物与EC130温拌剂的影响.由图2可知,在任一掺量下,沸石发泡沥青胶浆的|G*|/sinδ较沸石沥青胶浆大幅降低.从EC130温拌剂的物质组成看,除了包含沸石矿物外,EC130温拌剂还含有一定的结合水,当温度达到100 ℃左右会被释放出来,水分受热蒸发使沥青发泡,起到降低沥青黏度的作用,从而使得沥青黏性成分增大,弹性减小,抗车辙性能降低.

2.1.2疲劳因子分析

图3为不同温度下,沥青胶浆的疲劳因子|G*|·sinδ与添加物掺量的关系曲线.

图3 不同温度下疲劳因子与添加物掺量的关系曲线

首先,分析测试温度的影响.由图3可知,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的|G*|·sinδ均随测试温度的升高而减小.沥青的黏性和塑性受温度影响较大,随温度升高,其由“玻璃态”到“高弹态”进而变为“黏流态”[12],黏性成分增加,弹性成分减少,抗疲劳性能增大.

其次,分析添加物掺量的影响.由图3可知,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的|G*|·sinδ均随添加物掺量的增加而逐渐增大.主要是由于石灰岩矿粉、EC130沸石矿物和EC130温拌剂自身所含矿物对沥青的体积填充和物理吸附作用,使沥青的弹性增大,黏性减小,抗疲劳性能降低.

第三,对比分析EC130沸石矿物与石灰岩矿粉、EC130温拌剂对疲劳因子的影响.选取不同沥青胶浆82 ℃的|G*|·sinδ进行对比,结果如图4所示.由图4可知,在任一掺量下,沸石沥青胶浆的|G*|·sinδ较沥青胶浆显著提升.同样归因于EC130沸石矿物与石灰岩矿粉的粒径、比表面积及内部孔隙结构的差异.

由图4还可知,在任一掺量下,沸石发泡沥青胶浆的|G*|·sinδ较沸石沥青胶浆大幅降低.主要是由EC130温拌剂受热释放的发泡水对沥青产生的发泡降黏作用所致.

图4 不同沥青胶浆的疲劳因子与添加物掺量关系柱状图

2.2 MSCR试验

不可恢复蠕变柔量Jnr,3.2可用于描述沥青结合料的抗车辙性能,其值越小,则抗车辙性能越大.图5为不同温度下,沥青胶浆的不可恢复蠕变柔量Jnr,3.2与添加物掺量的关系曲线.

首先,分析测试温度的影响.由图5可知,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的Jnr,3.2均随测试温度升高而增大.这是因为温度升高,沥青黏性增大,弹性减小,抗车辙性能降低.

图5 不同温度下不可恢复蠕变柔量与添加物掺量的关系曲线

其次,分析添加物掺量的影响.由图5可知,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的Jnr,3.2均随添加物掺量的增加而减小.主要由于3种添加物自身所含矿物对沥青产生体积填充和物理吸附作用,使沥青弹性增大,抗车辙性能亦增大.

第三,对比分析EC130沸石矿物与石灰岩矿粉的影响.选取不同沥青胶浆82 ℃的Jnr,3.2进行对比,如图6所示.由图6可知,在任一掺量下,沸石沥青胶浆的Jnr,3.2较沥青胶浆小得多.

图6 不同沥青胶浆的不可恢复蠕变柔量与添加物掺量关系柱状图

第四,对比分析EC130沸石矿物与EC130温拌剂的影响.由图6可知,在任一掺量下,沸石发泡沥青胶浆的Jnr,3.2较沸石沥青胶浆大.

2.3 LAS试验

图7为不同沥青胶浆的疲劳寿命Nf与应变水平γ的关系曲线.

图7 不同沥青胶浆的疲劳寿命与应变水平关系曲线

由图7可知：在低应变水平下,沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的Nf均小于原样沥青,其中沸石沥青胶浆的Nf最小;随γ的增大,两种沥青胶浆Nf曲线逐渐向原样沥青靠拢;同一应变水平下,Nf由大至小依次为原样沥青、沸石发泡沥青胶浆、沸石沥青胶浆.当EC130沸石矿物和EC130温拌剂分别被添加到沥青中,由于EC130沸石矿物对沥青的体积填充和物理吸附作用使沥青弹性增大,导致两种沥青胶浆抗疲劳性能均显著降低.但由于EC130温拌剂受热释放的发泡水与沥青作用,造成沥青发泡,使沥青黏性增加,因而有利于沸石发泡沥青胶浆抗疲劳性能提升.整个过程中,EC130沸石矿物对沥青的增黏作用明显大于发泡水的降黏作用,故沸石沥青胶浆疲劳寿命小于沸石发泡沥青胶浆.

2.4 车辙因子与不可恢复蠕变柔量的相关性分析

对3种胶浆在不同温度下的|G*|/sinδ与Jnr,3.2进行线性回归分析,其拟合方程与相关系数R2见表3.由表3可知,3种胶浆在不同温度下的|G*|/sinδ与Jnr,3.2均存在幂指数关系,其R2均大于等于0.85,表明其相关性较好.

表3 车辙因子与不可恢复蠕变柔量的相关性分析

3 结 论

1) 随着测试温度的升高,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的车辙因子和疲劳因子均逐渐减小,而不可恢复蠕变柔量逐渐增大.

2) 随石灰岩矿粉、EC130沸石矿物和EC130温拌剂掺量的增加,沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆的车辙因子和疲劳因子均逐渐增大,而不可恢复蠕变柔量逐渐减小.在同一掺量下,沸石沥青胶浆的车辙因子和疲劳因子均大于沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆,不可恢复蠕变柔量则与之相反.

3) 相较原样沥青,添加EC130沸石矿物和EC130温拌剂均使沥青的疲劳寿命减小;在同一应变水平下,添加EC130沸石矿物沥青的疲劳寿命小于添加EC130温拌剂的沥青.

4) 沥青胶浆、沸石沥青胶浆和沸石发泡沥青胶浆在不同温度下的车辙因子与不可恢复蠕变柔量均存在良好的幂指数关系.