不同溫拌技術對伸縮縫高黏瀝青性能影響研究

梅煜康 陳 剛 金大勇 張新玉 高玉峰

(1.西南交通大學土木工程學院 成都 610031； 2.四川成渝高速公路股份有限公司成仁分公司 成都 610041；3.中國市政工程西南設計研究總院有限公司 成都 610031)

橋梁伸縮縫是一種為適應橋梁由溫濕變化、混凝土收縮徐變等原因引起的變形而設置的結構，一般由高分子改性瀝青膠結料和單粒徑粗集料組成的彈塑體及底部支撐鋼板組成。作為橋面鋪裝和與其他部分的連接體，高黏彈的伸縮縫彈塑體能夠滿足溫度和汽車荷載引起的伸縮變形，適應伸縮縫結構的工作環境。現場調查結果檢測顯示，橋梁伸縮縫高溫車轍變形是伸縮縫結構的主要病害之一，除材料自身性能不足以外，伸縮縫材料短期老化嚴重也是造成高溫性能不足的主要原因[1]。伸縮縫材料由于成分中膠結料黏度較大，施工過程中為了能夠達到足夠的流動性和施工和易性，拌和時往往需要將彈塑體過量加熱，除了導致高聚合物改性瀝青膠結料內部結構破壞、造成材料性能下降之外，在施工過程中也易產生各種有毒氣體、危害現場施工人員身體健康、造成惡劣的環境污染和能源消耗，并且增加施工難度[2]。為此，需要研究合理降低膠結料在施工過程中加熱溫度的方法，以避免材料在使用前造成的短期老化、延長材料使用壽命并提升彈塑體高溫性能，同時降低施工難度、減少能源消耗。

橋梁伸縮縫由于需要滿足橋梁伸縮變形，要求伸縮縫材料需要有一定的回彈性能，一般選用高摻量的高黏瀝青膠結料彈塑體。伸縮縫瀝青膠結料占整個伸縮縫彈塑體混合料質量的20%～30%，彈塑體膠結料的穩定性主要取決于膠結料的穩定性。因此，如何合理有效降低彈塑體膠結料瀝青黏度是改善伸縮縫施工的關鍵。目前降低瀝青黏度主要采用溫拌劑改性技術，其中應用最為廣泛的為有機添加劑溫拌技術和乳化瀝青溫拌技術[3-4]。有機添加劑溫拌劑是一種有機黏劑，其與瀝青膠結料有較好的相容性，能夠降低瀝青的施工溫度且對瀝青混合料的使用性能影響較小；乳化瀝青溫拌技術是用一種特殊的高濃度乳化瀝青替代普通熱瀝青進行混合料的拌和，當它參與拌和時，乳液中的水以蒸汽的形式釋放出來，降低了拌和與壓實時瀝青的黏度，并使其形成與熱拌瀝青混合料相當的裹附性能。但對于溫拌劑的研究與應用目前多聚焦于基質瀝青，對于高聚合物改性瀝青研究使用較少[5]。因此，本研究聚焦探討適合伸縮縫膠結料的改性溫拌劑，用以降低膠結料黏度并改善材料高溫性能。

對于膠結料黏度測定，羅浩原等[6]研究表明，使用固定剪切速率的旋轉平板黏度測試法(rotational plate viscosity,RPV)能有效規避布式黏度法測試改性瀝青黏溫曲線時出現的剪切稀化效應而導致的預測施工溫度偏高問題，其確定的施工溫度能使混合料的體積設計指標滿足規范要求，同時充分發揮溫拌劑的降溫節能作用，更高效準確地測量改性瀝青的表觀黏度。對于伸縮縫膠結料高溫性能評價，各國規范采用的高溫穩定性評價指標包括軟化點、針入度、彈性恢復率，以及流動值等。任東亞[7]、劉斌清等[8]通過對膠結料性能指標對比分析發現，受彈塑體膠結料聚合物摻量高以及其高延遲彈性恢復能力的影響，國內外現行無縫伸縮縫膠結料規范采用的評價指標對高黏彈瀝青膠結料高溫性能評價的一致性存在偏差，而基于多應力蠕變恢復試驗(MSCR)的黏彈特性指標具有較好的一致性，且區分度明顯，適合作為評價無縫伸縮縫瀝青膠結料高溫性能的關鍵控制指標[9-10]。

本研究選用目前常用的英國BJ型高分子聚合體改性瀝青膠結料作為研究對象，選用4種溫拌改性劑對其改性。使用固定剪切速率的RPV測定改性前后的膠結料黏溫曲線，根據材料的拌和與壓實溫度對應的黏度，對比得出改性后膠結料的降溫效果，并結合多應力蠕變恢復試驗(MSCR)，測定膠結料的高溫性能，綜合評價改性效果。最終選取適合伸縮縫膠結料的溫拌改性技術和產品，為改善伸縮縫施工，提升材料性能提供參考。

1 試驗設計

1.1 原材料及試驗儀器

1) 瀝青。選用無縫伸縮縫瀝青膠結料為英國BJ型高分子聚合體改性瀝青膠結料。根據JT/T 1129-2017《橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結料》要求，瀝青膠結料相關基本性能測試結果見表1。

表1 瀝青膠結料基礎性能

2) 溫拌劑。選取4種瀝青溫拌添加劑對膠結料進行改性，分別為2種有機添加劑(南非產Sasobit溫拌劑和國產MW-1溫拌劑)和2種乳化瀝青溫拌改性劑(美國產Evotherm和國產ACMP-1)；溫拌劑添加工藝方式采用濕拌法；添加劑量選用產品針對基質瀝青的推薦用量，而針對高黏彈瀝青膠結料的最佳摻量取值還需進一步研究對比。溫拌劑相關性能見表2。

表2 溫拌劑基礎性能

1.2 試驗方案

1) 黏度試驗。采用Discover HR-3型動態剪切流變儀(DSR)，試驗試件為DSR標準試件，瀝青試樣采用硅膠平板模具成型，高度2 mm，直徑25 mm；利用RPV進行固定剪切速率下的黏溫曲線掃描，溫度從120～200 ℃，按10 ℃梯度升溫；根據RPV對基質瀝青的使用經驗，采用固定剪切速率40 s-1得到的黏溫曲線與相應混合料的最優壓實度、最小空隙率的相關程度最大，因此剪切速率為固定剪切速率40 s-1。

2) 瀝青膠結料高溫性能試驗。采用DSR對伸縮縫瀝青進行多應力蠕變恢復試驗(MSCR)。試驗試件與黏度試驗一致，使用25 mm 的轉子，試件厚度2 mm，應變水平為0.5%，頻率為10 rad/s，試驗采用58，64，70，76，82 ℃ 5個溫度；MSCR試驗首先采用100 Pa的剪應力加載1 s，卸載9 s，重復10個周期，接著采用3 200 Pa的剪應力重復以上步驟，共20個周期。

2 測試結果

2.1 旋轉平板表觀黏度測試結果

瀝青混合料的拌和溫度主要取決于其膠結料黏度，瀝青黏度隨溫度升高而衰減變化的曲線稱為黏溫曲線，是定量評價瀝青拌和溫度的重要方法之一。旋轉平板表觀黏度法測定的原樣膠結料與4種改性后膠結料120～200 ℃的黏溫曲線見圖1。

圖1 旋轉平板表觀黏度測試結果黏溫曲線

現場研究顯示，伸縮縫瀝青膠結料由于黏度過高，將其黏度下降至基質瀝青的拌和黏度時所需加熱的溫度需要超過200 ℃，所以實際施工過程中一般選用190 ℃作為其拌和溫度，根據黏溫曲線對應結果，此時材料黏度為4.14 Pa·s；壓實溫度約為180 ℃，對應的黏度為6.12 Pa·s。試驗結果顯示，在原樣膠結料拌和黏度下，4種改性樣品對應的拌和溫度分別為ACMP1-175 ℃、MW1-180 ℃、Sasobit-181 ℃和Evotherm-185 ℃；在壓實黏度下的對應溫度分別為ACMP1-165 ℃、MW1-170 ℃、Sasobit-172 ℃和Evotherm-172 ℃。由試驗結果可得，添加溫拌劑之后膠結料的黏度均有所下降；中低溫時膠結料黏度大，此時溫拌劑降黏效果越好；隨著溫度上升，膠結料的黏度迅速下降，降溫效果逐漸減弱；ACMP-1型溫拌劑降黏效果最好，降低溫度約15 ℃，說明該種溫拌劑與膠結料有較好的相容性。

2.2 MSCR試驗指標

高分子聚合體改性瀝青膠結料具有一定的延遲彈性恢復性能，在一定時間內，恢復的變形量越大，則膠結料抵抗高溫變形的能力越好。多應力蠕變恢復試驗2種應力加載模式下10個循環周期平均應變恢復率分別為R0.1和R3.2，2種應變恢復率相對差值為Rdiff，膠結料在不同溫度下恢復率相對差異試驗結果見圖2。

圖2 膠結料在不同溫度下恢復率相對差異

由圖2可知，在0.1 kPa作用下，5種試驗樣品伸縮縫膠結料在試驗溫度下平均恢復率均大于95%，且樣品之間的結果差距小于3%，改性后的膠結料的平均恢復率均略高于原樣膠結料，說明樣品膠結料在線彈性范圍內均具有很好的回彈性能。在3.2 kPa作用條件下，膠結料的平均恢復率隨溫度的增加逐漸減小。當試驗溫度超過76 ℃時，原樣膠結料的R3.2下降速率變快，原因是在高溫高應力的綜合作用下，膠結料從線性流變區域進入非線性流變區域，材料性能隨溫度變化變得敏感。溫拌改性膠結料的R3.2相較于原樣膠結料均有明顯提升，4種改性后的膠結料在76 ℃以上時，恢復率提升10%～16%，效果提升排序：MW-1>Evotherm>Sasobit>ACMP-1。膠結料改性后對應力的敏感性下降，在高溫狀態下材料抗變形能力更好，其中MW-1型溫拌改性劑對原材料的應力敏感性改善效果最好。

膠結料受到應力作用后，不可恢復的形變會逐漸累積形成車轍，MSCR試驗中不可恢復應變是評價瀝青膠結料高溫抗車轍能力的重要指標。2種應力狀態下，10個循環周期平均不可恢復蠕變柔量分別為Jnr0.1和Jnr3.2，不可恢復蠕變柔量的相對差值為Jnr-diff，膠結料在不同溫度下的不可恢復蠕變柔量差異試驗結果見圖3。

圖3 膠結料在不同溫度下的不可恢復蠕變柔量差異

圖3結果表明，在線彈性范圍內，膠結料在應力作用下產生的不可恢復蠕變與溫度上升成正比。試驗溫度大于70 ℃之后，膠結料黏度下降，由應力產生的變形快速增加。原樣膠結料溫度敏感性高，試驗溫度大于76 ℃后不可恢復蠕變顯著上升；而經過溫拌劑改性后，材料的高溫抗變形性能均有上升，特別是溫度大于76 ℃的實驗條件，膠結料抗變形能力提升明顯。

試驗結果表明，原樣膠結料適用于76 ℃以下的工作環境，經過溫拌改性劑改性之后，膠結料高溫抗變形能力提升，可以適應76～82 ℃的工作環境。綜合MSCR試驗結果指標，溫拌劑對材料的高溫抗變形能力提升效果排序為Sasobit>MW-1>Evotherm>ACMP-1。

3 結論

1) 溫拌劑的添加能夠有效降低高黏彈瀝青膠結料的黏度，降低高黏彈瀝青膠結料的施工拌和溫度和壓實溫度，降低施工難度。同時由于加熱溫度的降低，膠結料在施工過程中產生的短期老化效應得到相應改善，間接提升瀝青膠結料相關性能，使其能更好地適應橋梁伸縮縫多變的工作環境。4種溫拌改性劑的降黏效果排序為ACMP-1>MW-1>Sasobit>Evotherm。

2) MSCR多應力重復蠕變試驗結果顯示，溫拌劑的添加能夠改善高黏彈瀝青膠結料的高溫性能，原材料在溫度上升至82 ℃時不可恢復蠕變上升，抗高溫變形能力快速下降；改性后的膠結料可適用于76 ℃～82 ℃以上的工作環境，對于橋梁伸縮縫的高溫工作環境材料實用性能提升明顯；4種溫拌材料的高溫改性效果排序：Sasobit>MW-1>Evotherm>ACMP-1；有機添加劑對高黏彈瀝青的高溫性能提升效果優于乳化瀝青溫拌劑。改性后膠結料回彈性能和抗變形能力均有提升，并且能夠適應80 ℃以上的工作環境。

3) 綜合黏度試驗和MSCR試驗結果，MW-1型溫拌改性劑用于高黏彈瀝青膠結料后能夠降低高黏彈瀝青膠結料施工過程中的拌和溫度和壓實溫度10 ℃，同時能夠較好地改善瀝青膠結料的高溫性能，提升10%左右的高溫性能，使膠結料能夠更好地適應伸縮縫的工作環境。