不同拌和溫度對瀝青結(jié)合料的耐久性影響研究

高濤濤，張金雷

(1.重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶市 402260；2.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司)

1 引言

溫拌瀝青技術(shù)，即通過一定的技術(shù)措施，在保證良好路用性能的前提下，以低于傳統(tǒng)熱拌瀝青的作業(yè)溫度進行施工作業(yè)。溫拌瀝青技術(shù)的發(fā)明得益于人們對環(huán)境保護的重視，其創(chuàng)新點在通過較低的拌和及壓實溫度等施工作業(yè)溫度，實現(xiàn)較少的溫室氣體排放量，由于世界各國對于溫拌瀝青的施工要求各不相同，導(dǎo)致其節(jié)能減排效果也不盡相同。通常來說，北美地區(qū)對溫拌瀝青的施工溫度定義為降溫幅度在28 ℃左右，而中國和歐洲部分國家采用的標準為20～40 ℃。

目前圍繞溫拌瀝青和溫拌瀝青混合料技術(shù)的研究通常集中于混合料結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料的研發(fā)，針對溫拌瀝青耐久性的影響研究相對較少。Gandhi等利用Sasobit制備溫拌瀝青混合料，在試驗室條件下研究其長期耐久性，得出溫拌瀝青混合料能表現(xiàn)出更好的抗車轍性和更強抗壓性的結(jié)論；Rashwan等研究120 ℃拌和溫度下溫拌瀝青混合料的長期耐久性，指出相比于熱拌瀝青，溫拌瀝青混合料的路用性能會略微降低，但耐久性顯著增強；Abbas等利用動態(tài)剪切流變儀和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜試驗等手段，同時研究了瀝青結(jié)合料的短期和長期耐久性，結(jié)果表明溫拌瀝青相比于傳統(tǒng)熱拌瀝青表現(xiàn)出更好的長期耐久性能；秦永春利用瀝青回收技術(shù)，分析不同施工溫度溫拌瀝青的各項指標，認為溫拌技術(shù)可大大緩解瀝青混合料的短期老化程度。綜上所述，之前的研究對瀝青結(jié)合料和瀝青混合料都有涉獵，而且部分研究成果證明溫拌瀝青確實能提高瀝青的長期耐久性；但很少有研究關(guān)注不同施工溫度對瀝青結(jié)合料長期老化性能的影響。

該文選取兩種基質(zhì)瀝青，基于兩種瀝青流變學(xué)試驗和數(shù)學(xué)建模，研究不同溫度對瀝青結(jié)合料長期耐久性的影響。

2 試驗材料及方法

該研究選取兩種70#基質(zhì)瀝青，分別命名為70A和70B，其三大指標見表1。根據(jù)美國SHRP規(guī)范，對兩種基質(zhì)瀝青分別進行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(短期老化)和壓力老化試驗(長期老化)，旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗的試驗溫度為123、143和163 ℃，短期老化后的瀝青試樣編號為R-70A-123、R-70A-143、R-70A-163。在此基礎(chǔ)上進行標準的20 h壓力老化試驗，相應(yīng)的瀝青樣品被命名為P-70A-123，P-70A-143和P-70A-163，70B瀝青的編號規(guī)則與此相同。該文中所使用的試驗材料試驗標準均滿足中國現(xiàn)有JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

表1 基質(zhì)瀝青三大指標

對基質(zhì)瀝青和老化后的瀝青樣本分別進行動態(tài)剪切試驗(DSR)和彎曲梁流變試驗(BBR)，以確定其高溫和低溫流變學(xué)性能，其中短期老化的瀝青試樣僅進行DSR試驗。DSR試驗采用動態(tài)剪切流變儀完成，該試驗通過上平板施加正弦模式的剪切振蕩，測定該條件下材料的力學(xué)響應(yīng)，以獲得相應(yīng)的動態(tài)剪切模量|G*|和相位角δ。為保證瀝青試樣的動態(tài)響應(yīng)發(fā)生在線性黏彈性范圍內(nèi)，首先采用應(yīng)變掃描確定每組試樣的線性黏彈性應(yīng)變范疇。等溫條件下頻率掃描試驗的試驗溫度設(shè)置為0～80 ℃，間隔為10 ℃，試驗頻率為0.1～10 Hz；其中，0～40 ℃的試驗采用8 mm直徑平板，而30～80 ℃的試驗利用25 mm直徑平板進行。BBR試驗利用彎曲梁流變儀進行，該試驗通過低溫條件下的三點彎曲試驗，測量瀝青結(jié)合料在蠕變荷載作用下的勁度，并計算相應(yīng)的勁度模量S和勁度模量變化率m值。試驗加載時間240 s，試驗溫度為-6、-12、-18、-24 ℃。上述兩種試驗的每種試驗樣本至少進行兩組平行試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 主曲線的構(gòu)建和時-溫等效原理

根據(jù)DSR試驗在等溫條件下頻率掃描試驗中測得的結(jié)果，可以在給定參考溫度下擬合出一條主曲線，該曲線以圖形的形式較為直觀地反映黏彈性材料的力學(xué)響應(yīng)，可以在一個較廣的溫度和頻率域內(nèi)評估材料的流變學(xué)特征。此外，在主曲線的基礎(chǔ)上，還可以進一步計算材料的相關(guān)流變學(xué)參數(shù)：如Glover-Rowe 參數(shù)和交叉溫度等。因此，在瀝青結(jié)合料性能分析領(lǐng)域，主曲線是一種廣泛使用的方法。該文采用Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型，建立瀝青結(jié)合料的復(fù)變剪切模量|G*|和相位角δ的主曲線。模型表達式如下：

(1)

(2)

式中：Ge為ω→0時的平衡模量，由于該文研究對象為瀝青結(jié)合料，故該值為0；Gg為ω→∞時的瞬時模量；f為試驗頻率；fc為位置參數(shù)；k、me為控制主曲線形狀的無量綱參數(shù)；aT為溫度的位移因子，由式(3)WLF方程決定。

由于該研究的試驗數(shù)據(jù)在不同溫度下獲得，因此需利用時-溫等效原理，結(jié)合熱力學(xué)Williams-Landel-Ferry(WLF)方程，來構(gòu)建主曲線方程，WLF模型的表達式為：

(3)

根據(jù)上述3個公式，擬合所有瀝青結(jié)合料的DSR試驗數(shù)據(jù)，分別生成其復(fù)變剪切模量|G*|和相位角δ的主曲線。圖1為瀝青結(jié)合料P-70A-123的試驗測量結(jié)果與模型預(yù)測值之間主曲線的對比分析。

圖1 瀝青結(jié)合料P-70A-123實測和模型預(yù)測主曲線對比

從圖1可以看出：模型預(yù)測與試驗結(jié)果的擬合程度相當(dāng)高，表明CAM模型能較好地反映試驗數(shù)據(jù)。以70A瀝青為例，給出不同老化條件下各瀝青結(jié)合料黏彈性主曲線圖，其中復(fù)變模量主曲線的縱軸采用對數(shù)坐標軸表達，兩個主曲線圖的橫軸均采用頻率的對數(shù)表示，見圖2。

從圖2可以看出:基質(zhì)瀝青表現(xiàn)出最低的復(fù)變模量和最高的相位角曲線；隨著老化溫度的升高和老化程度的加深，各瀝青試樣的復(fù)變模量和相位角曲線分別表現(xiàn)出逐漸升高和降低的趨勢，這與實際生產(chǎn)經(jīng)驗相符，表明CAM模型與實測數(shù)據(jù)之間的擬合程度較好。整體而言，不同老化溫度下，短期老化瀝青間的差異遠大于長期老化的條件。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短期老化溫度為123 ℃和143 ℃時，其復(fù)變模量和相位角的主曲線相對接近基質(zhì)瀝青的曲線，而與傳統(tǒng)熱拌瀝青的主曲線差異較為顯著，這表明溫拌瀝青的降溫過程能對瀝青結(jié)合料的短期耐久性產(chǎn)生顯著影響。針對長期老化的瀝青結(jié)合料主曲線而言，不同老化溫度下瀝青結(jié)合料的流變學(xué)特征較為相似，各曲線間的差距并非很顯著；仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，123 ℃和163 ℃兩種老化溫度下復(fù)變模量的主曲線有較為明顯的差異，而相位角主曲線間的差距不甚顯著。如前文所述，主曲線僅能提供簡單的視覺對比，很難量化判斷老化溫度對瀝青結(jié)合料耐久性能的影響是否顯著，因此需要引入新的流變學(xué)參數(shù)來進一步討論其影響。

圖2 瀝青結(jié)合料70A不同老化條件下的主曲線

3.2 Glover-Rowe 參數(shù)和交叉溫度

利用時-溫等效原理和主曲線方程，計算出所有瀝青結(jié)合料的G-R參數(shù)，并得出相對傳統(tǒng)熱拌瀝青的耐久性增加比例，結(jié)果見表2。同時，在Black圖(橫軸為δ，縱軸為G*)下繪制各瀝青結(jié)合料在15 ℃和0.000 5 rad/s條件下測定的G*和相位δ。該圖通過可視化的方式，可以非常直觀地反映出瀝青結(jié)合料的老化程度；即當(dāng)材料處于相對較高的老化程度時，由于G*的升高和δ的降低，在圖中顯示為向左上方移動。仍然以70A瀝青為例，見圖3。

由圖3可知：所有的瀝青黏合劑都位于損傷區(qū)以下，因此它們都不易受到表面損傷的影響。進一步觀察短期老化的瀝青結(jié)合料發(fā)現(xiàn)，3個散點近乎均勻分布，163 ℃的點與其他兩點距離稍遠；對長期老化的瀝青結(jié)合料而言，163 ℃和143 ℃兩點距離較近，123 ℃的點遠離以上兩點處于右下方?？梢远ㄐ缘贸鼋Y(jié)論：溫拌瀝青的降溫作業(yè)過程能夠明顯增加瀝青結(jié)合料的短期耐久性，而當(dāng)降溫幅度達到40 ℃時才能較為顯著地影響材料長期老化性能。表2為耐久性變化的定量分析結(jié)果，同時也佐證了圖3的結(jié)論，即降溫20 ℃或40 ℃均可對瀝青結(jié)合料的短期耐久性產(chǎn)生顯著影響，而只有降溫幅度高至40 ℃時才能顯著提升瀝青結(jié)合料的長期耐久性能。

表2 兩種瀝青結(jié)合料的G-R參數(shù)及耐久性增加率比較

圖3 不同老化條件瀝青結(jié)合料70A在Blcak圖下的G-R參數(shù)

交叉溫度可用來評價瀝青材料的脆性，一般作為Superpave瀝青結(jié)合料PG分級(Performance Grading)系統(tǒng)的補充參數(shù)使用，可以較為直觀地反映瀝青材料的抗疲勞性能，在瀝青結(jié)合料老化性能評估方面應(yīng)用較廣。交叉溫度在數(shù)學(xué)上的表達為儲能模量G′和損耗模量G″相等時的溫度值；換言之，即參考頻率下相位角等于45°時的溫度。該文中的參考頻率定義為1.59 Hz，該頻率與車輛以90 km/h速度行駛時對路面材料的剪切作用相當(dāng)。根據(jù)時-溫等效原理和主曲線方程，計算得出兩種瀝青結(jié)合料不同老化條件下的交叉溫度，結(jié)果見表3。

由表3可知:兩種瀝青黏合劑在同一老化水平中，均表現(xiàn)出相似的趨勢。對于短期和長期老化的瀝青結(jié)合料而言，交叉溫度的最大差值總是存在于123 ℃；而143 ℃和163 ℃兩組材料的溫差均小于2 ℃。即當(dāng)降溫僅有20 ℃時，相比傳統(tǒng)熱拌瀝青，溫拌瀝青的短期和長期耐久性改善并不明顯；而當(dāng)降溫幅度達到40 ℃時，其耐久性能則得到大幅提高。雖然該結(jié)果與G-R參數(shù)的對短期老化性能的評價有一定沖突，但對于長期耐久性的評價結(jié)果則完全一致。

表3 兩種瀝青結(jié)合料的交叉溫度和差值比較

3.3 ΔTc指標

根據(jù)美國ASTM D6648規(guī)范要求，選取試驗進行到60 s時的S和m值，分別計算出S=300 MPa和m=0.3時的低溫臨界溫度(Tc)。如上文所述，S和m分別為瀝青材料的低溫變形能力和低溫應(yīng)力松弛能力，而兩者的差值ΔTc=Tc(S)-Tc(m)能反映瀝青結(jié)合料的耐久性，其物理意義是瀝青材料松弛模量的損失值，隨著材料老化程度的加深，ΔTc值也相對更負。以70A瀝青結(jié)合料為例，繪制不同溫度條件下各瀝青結(jié)合料的S和m實測值，結(jié)果見圖4。

圖4 不同老化條件瀝青結(jié)合料70A 在不同溫度下的試驗結(jié)果

從圖4可看出:隨著試驗溫度的降低和老化溫度的提高，勁度模量S呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而勁度模量變化率m則同步減小。此外，各組試驗誤差都在可接受范圍內(nèi)波動，表明試驗結(jié)果可靠性較高。在此基礎(chǔ)上計算各瀝青結(jié)合料的ΔTc值，結(jié)果見表4。

從表4可以看出:隨著老化溫度的升高，兩種瀝青結(jié)合料的ΔTc值均表現(xiàn)出更負的趨勢，表明材料的耐久性逐漸削弱。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，143 ℃和163 ℃的ΔTc值差距非常小，而老化溫度為123 ℃時的ΔTc值與163 ℃的差值較大。這與降溫幅度達到40 ℃時，材料的低溫耐久性能得到顯著提高結(jié)論相同。

表4 兩種瀝青結(jié)合料的ΔTc值

4 結(jié)論

該文針對兩種70#基質(zhì)瀝青在不同老化溫度下的瀝青結(jié)合料試樣，根據(jù)動態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變試驗的結(jié)果，利用數(shù)學(xué)模型計算出3個流變學(xué)參數(shù)：G-R參數(shù)、交叉溫度和ΔTc指標，評估了老化溫度對瀝青結(jié)合料耐久性能的影響。得出以下結(jié)論：

(1)CAM模型能夠較好地擬合主曲線方程，利用時-溫等效原理和主曲線計算得出的Glover-Rowe參數(shù)和交叉溫度可以量化評價瀝青結(jié)合料的耐久性。降溫能夠顯著提升瀝青結(jié)合料的短期老化性能，而只有當(dāng)降溫幅度達到40 ℃時，才能明顯改善瀝青結(jié)合料的長期耐久性。

(2)采用BBR試驗得到瀝青的低溫抗裂性能，計算得出ΔTc指標用以評價材料的低溫耐久性，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用該指標對瀝青長期耐久性的評價結(jié)果與利用DSR試驗得出的結(jié)論相同。

(3)應(yīng)用G-R參數(shù)、交叉溫度和ΔTc指標來評價瀝青結(jié)合料耐久性是合理且準確的。這些指標不僅有明確的物理意義，且不同指標對于長期耐久性的評價結(jié)果具有良好的相關(guān)性；此外，上述指標能夠反映瀝青結(jié)合料在一個較廣溫度領(lǐng)域內(nèi)的耐久性特征。

(4)如果在溫拌瀝青混合料的生產(chǎn)過程中以低于傳統(tǒng)熱拌瀝青40 ℃的溫度進行作業(yè)，不僅能顯著提高道路的整體壽命，而且對于減少溫室氣體排放也有顯著影響。該研究僅針對瀝青結(jié)合料進行，可進一步擴展到瀝青混合料中。