老化對溫拌瀝青流變性能的影響研究

張樹芬

(廣西交通投資集團百色高速公路運營有限公司，廣西 百色 533000)

0 引言

聚焦“碳達峰、碳中和”發展目標，實現行業綠色低碳循環發展已成為當前交通基礎建設行業的主要發展戰略。溫拌瀝青由于在降低施工溫度、減少能耗、保護環境以及減少碳排放等方面具備顯著優勢，在當前行業發展背景下，必將替代熱拌瀝青，成為促進高速公路瀝青路面實現綠色建設的重要工藝[1]。

雖然目前對溫拌瀝青的認可度較高，但受制于成本控制因素，溫拌瀝青及其混合料的應用規模仍未達到預期，相關研究主要聚焦在溫拌劑種類對瀝青的改性效果、溫拌瀝青路用性能等方面[2-4]，而對于溫拌瀝青在施工過程中的短期老化以及后期應用過程中的長期老化的影響研究較少，而這正是保障溫拌瀝青及其混合料應用質量的關鍵環節。本文通過室內試驗分別模擬短期老化及長期老化作用，通過對溫拌瀝青試樣進行流變性能試驗，分析老化對其性能的影響，為后續溫拌瀝青及其混合料的推廣應用提供參考。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

采用中國石化鎮海煉化生產的70#瀝青作為基質瀝青，選用有機降粘型溫拌劑sasobit。相關材料性能指標如表1～2所示。

表1 70#基質瀝青性能檢測結果表

1.2 溫拌瀝青試樣的制備

基于熔融攪拌與研磨的工藝進行溫拌瀝青的室內制備，基質瀝青與溫拌劑的質量比為100∶3。溫拌瀝青的短期老化及長期老化模擬采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中RTFOT及PAV試驗。溫拌瀝青試樣及老化試樣的具體制備流程如圖1所示。

表2 溫拌劑相關性能指標表

圖1 溫拌瀝青的室內制備及老化試樣制備流程圖

1.3 試驗方案

對制備好的原樣溫拌瀝青、短期老化及長期老化后的溫拌瀝青分別進行流變性能試驗，試驗包括布氏旋轉黏度試驗、動態剪切流變試驗以及低溫彎曲梁流變試驗。具體試驗步驟及參數采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中相關規定。

2 試驗結果分析

2.1 布氏旋轉黏度

黏度作為一種流變指標，是對限定溫度條件下材料流動性能的反映。通過對原樣溫拌瀝青、短期老化及長期老化后的溫拌瀝青進行135 ℃下的布氏旋轉黏度試驗以評價其施工性能變化，具體結果如圖2所示。

圖2 不同溫拌瀝青135 ℃布氏旋轉黏度試驗結果柱狀圖

為保證瀝青具備良好施工性能，規范規定瀝青在135 ℃條件下布氏旋轉黏度上限值為3.0 Pa·s。由圖2可知，原樣瀝青的布氏旋轉黏度僅為0.4 Pa·s，遠小于規范上限值，這說明溫拌瀝青具備良好的施工和易性。溫拌瀝青的布氏旋轉黏度會隨著老化程度而增加，與原樣溫拌瀝青相比，短期老化后溫拌瀝青黏度增加了76%，而溫拌瀝青經過長期老化后的黏度較短期老化增加了15%。雖然長期老化導致黏度增加幅度最大，但長期老化是模擬溫拌瀝青經過5～7年使用后的性能，而短期老化則是模擬從瀝青混合料生產及攤鋪施工這一較短過程，從時間維度考慮，短期老化對溫拌瀝青黏度影響最為顯著。

2.2 車轍因子G*/sinδ

車轍因子G*/sinδ是通過動態剪切流變試驗測定，可對瀝青材料抗車轍性能進行直接評價的流變學指標。本文通過對原樣及老化前后的三種瀝青進行52 ℃～82 ℃溫度掃描，并將車轍因子G*/sinδ取半對數與溫度建立曲線關系，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同溫拌瀝青車轍因子G*/sinδ與溫度的半對數關系曲線圖

由圖3可知，各種溫拌瀝青車轍因子的變化趨勢保持一致，在溫度持續升高的情況下車轍因子不斷減小，這說明老化作用并沒有造成瀝青材料的粘彈特性發生改變，高溫條件導致瀝青趨于黏性，在外力作用下將發生不可恢復變形，最終在宏觀上體現為瀝青抗車轍能力的喪失。就單一溫度條件下而言，原樣溫拌瀝青的車轍因子最低，而溫拌瀝青經過短期老化后促使車轍因子顯著增大，長期老化后的溫拌瀝青車轍因子雖然略微高于短期老化溫拌瀝青，但兩者的曲線值較為接近。這說明短期老化會顯著增強溫拌瀝青的抗車轍性能，而長期老化增強效果較小。為對其進行定量評價，分別對曲線進行線性擬合，參考《高性能瀝青路面(superpave)施工規范》(DB52/T 1599-2021)中對原樣瀝青及老化后車轍因子最小值1.0 kPa及2.2 kPa推算各類瀝青的高溫失效溫度。具體結果如表3所示。

表3 G*/sinδ與溫度的半對數關系曲線擬合結果表

由表3可知，三種溫拌瀝青的線性擬合公式相關系數均較高，其中原樣瀝青的失效溫度為66.1 ℃，而經過短期老化及長期老化后的溫拌瀝青，其高溫失效溫度增加幅度分別為4.4 ℃和5.8 ℃，這說明老化顯著提升了溫拌瀝青的高溫穩定性。這主要是因為老化作用造成瀝青內部各組分比例發生變化，輕質組分變少而重質組分比例增加，導致瀝青稠度及硬度的提高，最終體現在瀝青經過老化后高溫失效溫度的變化。考慮到老化時間影響，短期老化對溫拌瀝青抗車轍性能的增強效果更為顯著。

2.3 蠕變勁度模量S和蠕變速率m變化

彎曲梁流變儀主要是通過測定瀝青材料在低溫條件下的蠕變勁度模量S以及蠕變速率m來評價材料的低溫抗裂性能。本文選取-18 ℃作為低溫試驗溫度，分別對原樣溫拌瀝青、短期老化及長期老化后溫拌瀝青進行低溫彎曲梁流變試驗。試驗結果如圖4所示。

圖4 不同溫拌瀝青蠕變勁度S和蠕變速率m變化曲線圖

如圖4所示，溫拌瀝青的蠕變勁度S會隨著老化程度的加深而逐漸增大，而蠕變速率m則會逐漸減小。蠕變勁度S的增大說明瀝青材料特性趨于脆性而更容易發生破壞，蠕變速率m減小則說明材料的應力松弛性能逐步喪失，更容易發生永久性破壞，兩者指標均反映出老化作用會削弱瀝青的低溫抗裂性能。蠕變勁度S和蠕變速率m的變化雖然可以反映瀝青材料低溫抗裂性能的變化趨勢，但缺乏定量對比描述。參考相關研究方法采用蠕變勁度S的蠕變速率m的比值S/m對低溫抗裂性能變化進行定量描述，S/m值越大說明瀝青材料低溫抗裂性能越差[5]。由圖4中的數據計算出原樣溫拌瀝青的S/m值為759，而經過短期老化及長期老化后溫拌瀝青的S/m值分別增加了12.7%和47.2%，由此可見，長期老化對溫拌瀝青低溫抗裂性能的損傷是短期老化的3.7倍，這說明與短期老化相比，長期老化會對溫拌瀝青低溫抗裂性能造成更為嚴重的破壞。

3 結語

(1)老化使得溫拌瀝青的135 ℃布氏旋轉黏度及車轍因子G*/sinδ增加，這說明溫拌瀝青的施工性能及高溫穩定性均有所提升，而短期老化在老化過程中的增強效果更為顯著。

(2)老化程度的加深會導致溫拌瀝青的蠕變勁度S增大，蠕變速率m減小，最終體現在對溫拌瀝青低溫抗裂性能的削弱。長期老化對溫拌瀝青低溫抗裂性能的削弱比短期老化更為嚴重。

(3)綜合老化對溫拌瀝青流變性能的指標影響，在后續溫拌瀝青的施工應用過程中需要強化對低溫抗裂性能指標的質量控制。