基于水基發泡的泡沫瀝青膠結料性能研究

趙錫娟，張業茂

（1.南京工程學院經濟與管理學院，江蘇 南京 211167；2.南京工程學院建筑學院）

1 引言

瀝青是一種有機膠凝材料，主要用于生產防水材料和鋪筑瀝青路面等。在公路建設領域，采用溫拌瀝青路面技術，可降低瀝青混合料施工溫度，減少溫室氣體及有害氣體排放，實現節能減排的目的，對我國交通運輸領域實現“雙碳”目標具有重要意義。瀝青路面溫拌技術分為機械發泡類與添加劑類。機械發泡類溫拌技術具備高效節能、綠色環保、縮短施工周期、增加混合料生產和易性、降低混合料老化程度、保證路面壓實度等特點，同時，不需要添加劑，僅需瀝青量2%的水，具有經濟性優勢。目前美國溫拌技術中80%采用泡沫溫拌瀝青技術，取得了一定的研究成果，而我國對于環保型泡沫溫拌瀝青技術研究與應用在最近幾年才開始逐步推進[1-5]。

當前有關泡沫瀝青的研究主要集中于對瀝青發泡效果的評價，即對發泡過程中體積膨脹規律及氣泡和水分消散規律的研究，關于瀝青發泡后泡沫瀝青材料的性能評價研究十分有限。Guo N S等[6-8]利用X射線微斷層攝影技術研究不同PG 瀝青膠結料在氣泡消散過程中的規律。王冠等[9-13]通過比較橡膠瀝青發泡前后不同溫度下的儲存模量G'和損失模量G''，評價泡沫橡膠瀝青的溫度敏感性。由于瀝青發泡后氣泡的存在，使得一些傳統的評價試驗方法，如針入度、軟化點試驗測試得到的結果變異性較大，并不適用于評價基于水基發泡的泡沫瀝青材料的高低溫性能和黏溫性能。因此，選取合適的試驗方法對泡沫瀝青的各項性能進行合理的評價是本文的研究重點，可為今后泡沫瀝青更為廣泛的推廣應用提供參考。

2 材料與試驗方法

本文采用的原樣瀝青為江蘇省某公司的SBS 改性瀝青，采用德國某公司生產的WLB10S瀝青發泡試驗機對SBS改性瀝青進行發泡，通過膨脹率和半衰期兩個指標的測定[14]，確定SBS改性瀝青最佳發泡溫度為165℃，用水量為3%。本次主要對泡沫瀝青的各項性能進行測試，并與原樣瀝青性能進行比較分析，試驗方案見表1。

表1 試驗方案

2.1 黏度-溫度特性

本文根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）T 0625對瀝青發泡前后的黏度進行測試，試驗條件見表2。從試驗開始每間隔5s記錄試驗測得的黏度，直至4200s[15]。

表2 旋轉黏度試驗條件

2.2 高溫性能

國內外研究表明[1，2，11]，即便是SHRP PG 分級體系，其改性瀝青的高溫評價指標與現場抗車轍性能相關性亦較差。多應力重復蠕變恢復試驗（MSCR）的加載方式不同于SHRP車轍因子的正弦加載，而是施加蠕變應力后撤去應力作用，彈性變形得以恢復，不可恢復的變形則會累積到下一個循環荷載。路面所受的車輛荷載就是重復的加載和卸載過程，在重復加載和卸載過程中，路面形成了累積的永久變形。與現行的膠結料試驗方法相比，多應力重復蠕變恢復試驗能夠更準確地表征混合料抵抗永久變形的能力。

對泡沫瀝青和原樣瀝青進行旋轉薄膜烘箱老化，對老化后的殘留物進行試樣成型，選用25mm的硅膠試驗板，在64℃的試驗溫度下，采用動態剪切流變儀在兩個水平應力（0.1kPa 和3.2kPa）下進行試驗。試驗中每個循環的蠕變加載時間為1s，緊接著進行9s 的卸載恢復階段，每個應力水平進行10個蠕變-恢復循環。

試驗中每個循環的蠕變加載時間為1s，接著零荷載恢復9s。緊接著進行下一個加載-恢復循環。在每次循環結束后，都可以得到殘余應變ε10和可恢復應變εr。由此可以計算得到蠕變柔量和恢復率。

2.3 低溫性能

分別按照JTG E20—2011 中T 0610 和T 0630 對泡沫瀝青和原樣瀝青進行壓力老化試驗，得到的殘留物進行瀝青彎曲蠕變勁度試驗。根據美國的《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder》（AASHTO M320-05）和《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder》（ASTM D6373-21）可知，彎曲蠕變勁度S和m值根據加載60s的數據得到。

3 結果與討論

3.1 黏溫特性

圖1 為泡沫瀝青和原樣瀝青在不同溫度下的黏度隨時間變化的曲線，可以看出原樣瀝青的黏度在最初幾秒鐘內迅速增加，隨后隨測試時間的增加而逐漸減少最終趨于穩定。

圖1 泡沫瀝青和原樣瀝青在不同溫度下的黏度隨時間變化曲線

在0～500s區間時，曲線變化幅度較大，這是由于氣泡破裂使得黏度在測試初期不穩定，這也表明在瀝青發泡初期，旋轉黏度這一試驗方法并不適用于泡沫瀝青。

在0～4200s 區間時，隨著轉子的持續轉動，轉子和試驗筒之間的水分和氣泡逐漸消散，泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度-時間曲線逐漸平穩，氣泡消散后發泡對于瀝青的黏度-溫度特性并沒有明顯的影響，即泡沫瀝青的黏度和原樣瀝青基本相同。

在4200s 時，原樣瀝青和泡沫瀝青的黏度均已穩定，可以認為此時盛樣筒和轉子之間的氣泡已經基本消散，沒有氣泡破裂的現象。泡沫瀝青和原樣瀝青在4200s 時的黏度見表3，結果表明泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度隨測試溫度的增加而降低，流動性增加。同等溫度條件下，泡沫瀝青的黏度相對原樣瀝青略有降低，其可能原因是泡沫瀝青中存在極其微小的氣泡，起到潤滑的作用，施工和易性相對增加。

表3 泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度

3.2 高溫性能

從圖2可看出，在蠕變應力為0.1kPa的蠕變和恢復循環內，泡沫瀝青和原樣瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr和恢復率R 均呈現穩定狀態，這表明在0.1kPa 的蠕變應力作用下，9s 的恢復時間對于泡沫瀝青和原樣瀝青是足夠的；在蠕變應力為3.2kPa的蠕變和恢復循環內，泡沫瀝青和原樣瀝青的不可恢復蠕變柔量Jnr隨著循環次數增多呈下降趨勢，恢復率R呈現增加趨勢，這表明在卸載9s 的恢復時間內，彈性恢復沒有全部完成。在今后的試驗中，建議增加每個循環的恢復時間以使試樣的應變恢復完成。

圖2 泡沫瀝青和原樣瀝青的蠕變柔量和恢復率隨循環次數變化曲線（P為蠕變應力）

泡沫瀝青和原樣瀝青的蠕變柔量-循環次數曲線和恢復率-循環次數曲線在0.1kPa和3.2kPa沒有重合，這表明無論是泡沫瀝青還是原樣瀝青都呈現出應力敏感性。10 個蠕變-恢復循環內的恢復率R0.1、R3.2和蠕變柔量Jnr0.1、Jnr3.2平均值的計算結果見表4。計算在兩個應力水平條件0.1kPa 和3.2kPa 下的平均差值變化率Rdiff和Jnrdiff。對于泡沫瀝青，其Rdiff和Jnrdiff分別是19.60%和59.91%；對于原樣瀝青，其Rdiff和Jnrdiff分別是16.86%和86.53%。這也證明了泡沫瀝青和原樣瀝青均呈現較高的應力敏感性。該試驗中，最重要的兩個指標恢復率R3.2和蠕變柔量Jnr3.2均滿足美國的《Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder Using Multiple Stress Creep Recovery（MSCR）Test》（AASHTO MP19-10）中，當交通量等級（ESAL’s）＞3000 萬時，Jnr3.2≤0.5 kPa-1；Jnr3.2在0.50kPa-1～0.251kPa-1時，R≥45%的要求，可見泡沫瀝青和原樣瀝青均可用于當量軸載大于3000萬的特重交通。

表4 泡沫瀝青和與原樣瀝青恢復率與蠕變柔量

但由于Jnr增大會降低膠結料的高溫性能，因此，瀝青發泡略微不利于膠結料的高溫特性，主要還是由于泡沫瀝青中存在細微小水泡降低了瀝青的黏度。

3.3 低溫性能

低溫測試結果見表5。

表5 泡沫瀝青和原樣瀝青彎曲蠕變勁度和m值

從表5中可以看出，在-12℃的測試溫度下，泡沫瀝青和原樣瀝青的勁度分別為124MPa和116MPa；在-18℃的測試溫度下，泡沫瀝青和原樣瀝青的勁度分別達到281MPa和259MPa。這是由于隨著溫度的降低，無論是泡沫瀝青還是原樣瀝青都趨于玻璃態。

此外，在-12℃和-18℃條件下，泡沫瀝青和原樣瀝青的勁度均小于300MPa，滿足道路工程對瀝青抵抗低溫開裂能力的要求。但必須指出的是，相比于原樣瀝青，泡沫瀝青的勁度在-12℃和-18℃條件下均有所增長，勁度的增加不利于瀝青抵抗低溫開裂。

在-12℃測試溫度下，泡沫瀝青和原樣瀝青的m值分別為0.358和0.373；在-18℃條件下，其m值分別減小為0.291 和0.319?？梢钥闯?，瀝青發泡后m 值減小，降低了泡沫瀝青的低溫性能。

4 結語

通過對泡沫瀝青和原樣瀝青進行性能評價對比分析，得到以下主要結論：

①通過黏度試驗結果可得出，泡沫瀝青和原樣瀝青的黏度隨測試溫度的增加而降低，且在4200s時盛樣筒和轉子之間的氣泡已基本消散，氣泡消散后發泡對于瀝青的黏度-溫度特性并沒有明顯的影響。

②MSCR試驗結果表明，瀝青發泡前后均呈現較高的應力敏感性。

③BBR 試驗結果表明，泡沫瀝青在-12℃和-18℃試驗溫度下，其彎曲蠕變勁度S 均增加，而m 值均減小。表明瀝青發泡后低溫性能略有降低，但勁度均小于300MPa，滿足道路工程對瀝青抵抗低溫開裂能力的要求。