EC－120溫拌改性瀝青高溫與疲勞性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)

李文輝

（重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

近年來(lái)，隨著中國(guó)高速公路的飛速發(fā)展，改性瀝青作為優(yōu)質(zhì)結(jié)合料，具有提高路面瀝青混合料的路用性能和延長(zhǎng)使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用.目前應(yīng)用于路面較為普遍的SBS改性瀝青和易性較差，這是由于SBS與基質(zhì)瀝青無(wú)論在分子結(jié)構(gòu)組成，還是化學(xué)性質(zhì)上均存在著較大的差異，因此二者難以相融，比較容易出現(xiàn)離析分層的現(xiàn)象.另外，SBS改性瀝青混合料的施工溫度較普通瀝青混合料的高10～20℃，如施工時(shí)間把握不好，極易導(dǎo)致混合料中的改性瀝青過(guò)度老化，影響混合料的路用性能.

EC－120溫拌改性劑作為一種熔點(diǎn)在100℃左右的有機(jī)添加劑，與基質(zhì)瀝青的相容性較好，且制備簡(jiǎn)單，不存在離析問(wèn)題.所制得的EC－120溫拌改性瀝青不僅能顯著提高瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性，還能大幅降低改性瀝青的施工粘度.與其他改性瀝青相比較，降低其施工溫度30～50℃，有利于緩解施工過(guò)程中瀝青的老化問(wèn)題，同時(shí)能有效降低瀝青混合料的生產(chǎn)能耗，減少了混合料生產(chǎn)過(guò)程中有害氣體和溫室氣體的排放量，符合節(jié)能減排的原則，符合走可持續(xù)發(fā)展道路的科學(xué)發(fā)展觀.基于對(duì)EC－120在路面瀝青使用前景上的樂(lè)觀判斷，作者擬針對(duì)EC－120溫拌改性瀝青的高溫性能和疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)及闡述.

1 試驗(yàn)材料

EC－120溫拌改性劑是一種合成直鏈脂肪族碳?xì)浠旌衔铮淙埸c(diǎn)為100℃，溫度超過(guò)120℃時(shí)以液體的形式完全溶解于瀝青結(jié)合料中，在瀝青結(jié)合料中形成柵格結(jié)構(gòu)，這使改性劑能穩(wěn)定、均勻地溶于瀝青結(jié)合料中而不產(chǎn)生離析，其基本物理指標(biāo)詳見(jiàn)表1.在試驗(yàn)室內(nèi)制備EC－120溫拌改性瀝青結(jié)合料也較為簡(jiǎn)單，只需將這種改性劑添加在溫度高于120℃的瀝青中，并攪拌30min，即可制得.

表1 EC－120溫拌改性劑的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indicators of EC－120warm mix modifier

為了更有說(shuō)服力地闡述EC－120對(duì)瀝青結(jié)合料的高溫性能與疲勞性能的影響，選用2種有地域代表性的基質(zhì)瀝青，一種是在南方炎熱高溫地區(qū)應(yīng)用較為廣泛的70號(hào)埃索瀝青（ES70＃），另一種是在北方寒冷低溫地區(qū)應(yīng)用較為普遍的130號(hào)盤錦瀝青（PJ130＃）.

2 EC－120溫拌改性瀝青高溫性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)

瀝青路面的高溫流動(dòng)變形問(wèn)題一直是最普遍、最常見(jiàn)的路面損壞形式之一.在中國(guó)大部分地區(qū)，尤其是南方，夏季最高氣溫可達(dá)到35～40℃以上，而此時(shí)瀝青路面最高溫度可能達(dá)到60～65℃以上，加之路面交通量大，某些地方甚至超載嚴(yán)重，導(dǎo)致路面迅速變性破壞.因此，為了保證瀝青路面的高溫條件下的路用性能，必須在瀝青標(biāo)準(zhǔn)中列入反映和評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo).

2.1 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

中國(guó)的瀝青高溫指標(biāo)是軟化點(diǎn)和60℃粘度.顯然，瀝青的軟化點(diǎn)越高，60℃粘度越高，瀝青的耐高溫性越強(qiáng).美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃（簡(jiǎn)稱為SHRP）在其瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范中提出對(duì)原樣瀝青及短期老化后（RTFOT）殘留瀝青試樣分別進(jìn)行兩次動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)（動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR），以G＊／sinδ（稱之為車轍因子）作為對(duì)瀝青結(jié)合料高溫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo).試樣在高溫設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切，速率為10rad／s，且必須滿足：① 原 樣 瀝 青 的 G＊／sinδ ≥ 1.0kPa；②RTFOT殘留瀝青的G＊／sinδ≥2.2kPa.否則稱之為試樣已破壞.破壞時(shí)的溫度稱為臨界破壞溫度.本研究采用SHRP動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)及其配套指標(biāo)G＊／sinδ來(lái)評(píng)價(jià)EC－120溫拌改性瀝青的高溫性能.事實(shí)上，復(fù)數(shù)剪切彈性模量G＊反映的是瀝青在變形過(guò)程中能量的變化，該變化包括瀝青的彈性勢(shì)能和因變形引起的內(nèi)部摩擦而損失的能量.而相位角δ反映的是瀝青的彈性和粘性成分的比例，δ越大，即sinδ（0°≤δ≤90°）越大，則表示粘性成分越大，變形不可恢復(fù)成分越大，越容易產(chǎn)生永久變形.顯然，G＊／sinδ反映的就是瀝青的彈性能力，其值越大，瀝青變形的恢復(fù)能力越強(qiáng)，越能抵抗高溫下產(chǎn)生的永久性車轍變形.

2.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)EC－120溫拌改性瀝青高溫性能

為研究EC－120溫拌改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能的影響，分別對(duì)已選定的兩種不同標(biāo)號(hào)的基質(zhì)瀝青及其不同摻量下的EC－120溫拌改性瀝青進(jìn)行老化前（原樣）和短期老化后（RTFOT）的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的關(guān)系曲線圖1～5所示.

圖1 ES70＃原樣瀝青車轍因子與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of ES70＃original asphalt

圖2 PJ130＃原樣瀝青車轍因子與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of PJ130＃original asphalt

圖3 ES70＃RTFOT殘留瀝青車轍因子與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of ES70＃RTFOT remaining asphalt

圖4 PJ130＃RTFOT殘留瀝青車轍因子與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between anti－rutting factor and test temperature of PJ130＃RTFOT remaining asphalt

從圖1～4中可以看出，隨著EC－120摻量的增加，兩種標(biāo)號(hào)的瀝青在短期老化前、后的G＊／sinδ均表現(xiàn)出大幅增加.尤其是在接近夏季路面高溫的64℃附近，當(dāng)EC－120摻量從0%增加到3.5%時(shí)，PJ130＃瀝青的G＊／sinδ在短期老化前、后的增幅分別達(dá)到10.9倍和6.5倍，同比均高于ES70＃的2.3倍和5.1倍，這不僅說(shuō)明EC－120對(duì)提升基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍性能效果非常顯著而且證明相比短期老化后和較低標(biāo)號(hào)的瀝青，EC－120對(duì)老化前和較高標(biāo)號(hào)的瀝青的高溫性能的提升更靈敏，改善效果更好.基于此，可以預(yù)期在同等交通荷載條件下EC－120溫拌改性瀝青高溫性能.在北方地區(qū)較之在南方地區(qū)的表現(xiàn)更出色.從圖1～4中亦能清晰地觀察到，隨著試驗(yàn)溫度的逐漸升高，各級(jí)摻量下的G＊／sinδ穩(wěn)步下降并趨于平滑，最終試樣被破壞.這說(shuō)明在極端高溫下，EC－120改性瀝青抗高溫車轍的能力不可避免地遭到破壞.當(dāng)然，人們總是期望臨界破壞溫度能不斷攀高，路面的高溫使用性能不斷地提升.

在一定范圍內(nèi)，隨著改性劑摻量的增加，改性瀝青的高溫性能會(huì)不斷提升，但是提升空間會(huì)不斷壓縮，提升幅度會(huì)逐漸放緩直至停滯.也就是說(shuō)，改性劑的摻量也有“邊際效應(yīng)”，隨著摻量的不斷增加，臨界破壞溫度總會(huì)在某一摻量時(shí)達(dá)到均衡，即超過(guò)該值時(shí)，對(duì)提升瀝青的高溫性能已無(wú)意義，甚至有其他負(fù)面影響.

從圖5中可以看出，雖然各個(gè)試驗(yàn)樣本的臨界破壞溫度高低各不相同，但是無(wú)論短期老化前的原樣瀝青還是短期老化后的殘留瀝青，隨著EC－120摻量的逐漸增加，臨界破壞溫度都大幅升高，改性劑摻量從0%增至3.5%，臨界破壞溫度提升了13.7%～37.2%，這印證了EC－120對(duì)提升改性瀝青的高溫性能有顯著效果.然而從圖5中也能看出，隨著改性劑摻量的增加，各曲線的增長(zhǎng)趨于收斂，接近一條水平線.這說(shuō)明改性劑摻量達(dá)到某值后，隨后的增加量對(duì)改善瀝青的高溫性能的幫助有限.通過(guò)觀察圖5中各曲線的走勢(shì)，綜合考慮改性瀝青成本的經(jīng)濟(jì)性可知，EC－120對(duì)提升基質(zhì)瀝青高溫性能的最佳摻量在3%～3.5%.

圖5 各試驗(yàn)樣本在不同EC－120摻量下的臨界溫度走勢(shì)Fig.5 Failure temperature trend of each test sample at different EC－120incorporating percentages

3 EC－120溫拌改性瀝青疲勞性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

中國(guó)對(duì)瀝青結(jié)合料的疲勞性能的相關(guān)研究與評(píng)價(jià)較為薄弱，有關(guān)規(guī)范［3］中亦無(wú)明確的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法.目前對(duì)這方面研究及評(píng)價(jià)比較系統(tǒng)而規(guī)范的方法仍是由SHRP［5］提出的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，并列入其Superpave瀝青結(jié)合料路用性能規(guī)范當(dāng)中.SHRP的研究人員認(rèn)為，瀝青路面的疲勞破壞發(fā)生在路面使用后期，此時(shí)路面瀝青混合料必然已經(jīng)相當(dāng)?shù)睦匣瑸槟７缕淅匣潭龋囼?yàn)室內(nèi)瀝青結(jié)合料不僅要經(jīng)過(guò)RTFOT模仿混合料拌和過(guò)程的老化，還須經(jīng)長(zhǎng)期老化（PAV）以模仿使用期的老化后方可進(jìn)行試驗(yàn).而且規(guī)范中亦規(guī)定了明確的試驗(yàn)溫度范圍，相當(dāng)于年最不利季節(jié)時(shí)期，即冬末春融時(shí)的路面溫度.

按照SHRP規(guī)范的要求，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，同樣以10rad／s的速率進(jìn)行DSR剪切，以G＊·sinδ作為評(píng)價(jià)指標(biāo).G＊·sinδ反映的是瀝青變形過(guò)程中由于內(nèi)部摩擦生熱導(dǎo)致的能量散失.隨著瀝青在剪切試驗(yàn)過(guò)程中的老化，G＊·sinδ不斷增大，瀝青在較低溫度條件下的粘性成分減少，彈性成分增加，因而抗耐疲勞性能也就越來(lái)越差，因此也把G＊·sinδ稱為疲勞因子.SHRP在其規(guī)范中規(guī)定DSR試驗(yàn)的G＊·sinδ應(yīng)滿足小于或等于5000kPa的要求，否則，瀝青將發(fā)生疲勞破壞，破壞發(fā)生時(shí)的溫度稱為臨界破壞溫度.

3.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)EC－120溫拌改性瀝青疲勞性能

對(duì)ES70＃和PJ130＃兩種標(biāo)號(hào)的基質(zhì)瀝青及其不同摻量下的EC－120溫拌改性瀝青進(jìn)行PAV老化后的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制關(guān)系曲線如圖6～7所示.

圖6 ES70＃PAV殘留瀝青疲勞因子與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between fatigue factor and test temperature of ES70＃PAV remaining asphalt

從圖6～7中可以看出，ES70＃和PJ130＃的基質(zhì)瀝青的疲勞因子（G＊·sinδ）都比摻加EC－120后改性瀝青的要低.從圖6，7中可以看出，試驗(yàn)溫度從31℃下降至19℃后，兩種基質(zhì)瀝青的G＊·sinδ均滿足SHRP規(guī)范要求的不大于5000 kPa，而摻加2%以上的EC－120后，兩者均不能滿足該要求.這說(shuō)明EC－120對(duì)瀝青結(jié)合料的抗疲勞性能不利.以PJ130＃瀝青為例，當(dāng)試驗(yàn)溫度分別為31℃和19℃時(shí)，3.5%摻量下的EC－120溫拌改性瀝青的G＊·sinδ比基質(zhì)瀝青的G＊·sinδ分別高3倍和1.9倍，雖然隨著環(huán)境溫度的降低，改性瀝青的抗疲勞性能有所回升，仍不能掩蓋EC－120對(duì)瀝青結(jié)合料的抗疲勞性能有較大的消極影響.當(dāng)然，這種負(fù)面影響可以通過(guò)降低改性劑的摻量來(lái)控制，例如：當(dāng)摻量在2%時(shí)，這兩種標(biāo)號(hào)改性瀝青的G＊·sinδ是基質(zhì)瀝青的1.2～1.3倍，因此，若從控制瀝青結(jié)合料疲勞性能損失的角度出發(fā)，則可建議EC－120改性劑的摻量不宜超過(guò)2%～2.5%.

圖7 PJ130＃PAV殘留瀝青疲勞因子與試驗(yàn)溫度關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between fatigue factor and test temperature of PJ130＃PAV remaining asphalt

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)ES70＃和PJ130＃基質(zhì)瀝青及摻加EC－120后的溫拌改性瀝青進(jìn)行高溫性能與疲勞性能的SHRP試驗(yàn)研究，可以得到結(jié)論：

1）摻加EC－120溫拌改性劑可以提高瀝青軟化點(diǎn)，使車轍因子顯著增高，從而大幅提升瀝青結(jié)合料抵抗高溫車轍變形能力，提高瀝青高溫穩(wěn)定性.從提升瀝青高溫性能方面考慮，3%～3.5%摻入量為宜.

2）從試驗(yàn)情況來(lái)看，EC－120對(duì)較高標(biāo)號(hào)的瀝青高溫性能的提升更靈敏，改善效果更好.可以預(yù)測(cè)：在同等交通量條件下，較之南方地區(qū)，EC－120溫拌改性劑提升瀝青高溫性能的效果在北方寒冷地區(qū)更加顯著.

3）摻加EC－120溫拌改性劑會(huì)使瀝青結(jié)合料在低溫條件下的粘性成分減少，損失柔性，疲勞因子增大，從而喪失部分抵抗疲勞的性能.因此，EC－120對(duì)瀝青結(jié)合料的疲勞性能有所損害.從保持瀝青疲勞性能出發(fā)，2%～2.5%的摻入量較為適宜.綜上，EC－120溫拌改性劑的摻量不宜千篇一律，應(yīng)因地制宜，視具體情況和具體的施工要求而定.

4）摻入EC－120會(huì)減少瀝青粘性成分，降低瀝青結(jié)合料的粘度，有利于降低施工溫度，從而使混合料拌和及現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中瀝青的老化問(wèn)題得到改善.

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