EC130溫拌劑對SBS改性瀝青高溫性能及抗疲勞性能的影響

劉 寧, 李迪安, 劉黎萍, 朱 奇, 張志濤, 黃 羽, 門光譽

(1. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室, 上海 201804; 2. 寧夏交通建設股份有限公司, 寧夏 銀川 750004; 3. 中建八局第一建設有限公司, 山東 濟南 250014)

隨著我國環保力度的加大和節能減排重視程度的提高,交通基礎設施的綠色可持續發展逐漸引起社會關注.作為一種新興綠色筑路技術,沸石發泡瀝青溫拌混合料技術因其使用方便,節能環保,且無需對生產設備進行改裝,在國內外備受青睞.

目前,對于沸石發泡瀝青及混合料的研究已取得了一定成果[1-3].鋪面工程中應用較多的沸石類溫拌劑主要有Aspha-min、Advera和EC130等.有關EC130溫拌瀝青的研究中,在常規力學指標方面較為統一的結論認為,添加EC130溫拌劑使瀝青的針入度和延度降低,軟化點增大[4];存在爭議的結論認為,添加EC130溫拌劑對瀝青的黏度影響不顯著,亦有研究發現添加EC130溫拌劑使瀝青的高溫黏度降低,低溫黏度增大[5].在流變特性方面,有研究[5]發現添加EC130溫拌劑可使瀝青的復數模量和車轍因子增大,相位角減小;亦有研究[6]發現添加EC130溫拌劑對瀝青的高、低溫流變性均有不利影響,但與FRMAXTM阻燃劑同時使用,可使瀝青的高溫PG分級提高一個等級,而低溫PG分級降低一個等級.有關EC130溫拌瀝青混合料的研究中,劉素梅等[7]通過馬歇爾穩定度試驗、浸水馬歇爾穩定度試驗及高溫車轍試驗,發現隨EC130溫拌劑摻量的增加,溫拌瀝青混合料的高溫穩定性逐漸增大,而穩定度和水穩定性呈先增加、后降低的趨勢.喬建剛等[8]研究了摻加EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑的瀝青瑪蹄脂(SMA)混合料路用性能,發現僅添加EC130時,EC130溫拌瀝青混合料高、低溫性能及水穩定性均隨EC130溫拌劑摻量的增加而降低.嚴超等[9]對EC130、EC120和Sasobit等3種溫拌劑改性瀝青混合料的水穩定性和高、低溫性能進行了研究,發現添加EC130的溫拌瀝青混合料的高、低溫性能不如添加EC120和Sasobit的瀝青混合料,但其水穩定性與二者相當.綜上,現階段對于EC130溫拌瀝青及其混合料的研究多集中于EC130溫拌劑摻量對瀝青及其混合料性能的影響以及與不同溫拌技術的對比,尚未有人從沸石物質組成角度,對沸石礦物和發泡水對沸石發泡溫拌瀝青及其混合料路用性能的影響進行深入剖析.

為研究EC130溫拌劑對SBS改性瀝青的高溫性能及抗疲勞性能的影響,文中根據EC130溫拌劑的物質組成,從EC130沸石礦物和EC130溫拌劑釋放的發泡水角度,以石灰巖礦粉作參照物,研究EC130沸石礦物及其發泡水對SBS改性瀝青的高溫性能及抗疲勞性能的影響,以此為EC130沸石發泡瀝青及其混合料的研究提供依據.

1 試 驗

1.1 原材料

1.1.1瀝 青

試驗選用SBS雙龍改性瀝青(I-D),其主要技術指標如表1所示.

表1 SBS改性瀝青主要技術指標

1.1.2溫拌劑

試驗選用的EC130溫拌劑屬于沸石類溫拌劑,呈白色粉末狀,是一種多孔含水無機材料,經試驗測定其中水的質量分數為23.5%,所含水分在100 ℃左右時被釋放.該溫拌劑加入熱瀝青后會釋放發泡水,水分蒸發使瀝青發泡,進而降低了瀝青黏度.EC130沸石礦物由EC130溫拌劑烘干、脫水制得,其篩分試驗結果見表2.

表2 篩分試驗結果

1.1.3礦 粉

試驗選用石灰巖礦粉,試驗前需要在溫度為105 ℃下烘干至恒重,冷卻備用.其篩分試驗結果見表2.

1.2 試驗方案

試驗采用石灰巖礦粉、EC130沸石礦物和EC130溫拌劑等3種添加物,設計1%、3%、5%、7%和9%等5個EC130溫拌劑摻量.相應地,石灰巖礦粉摻量=EC130沸石礦物摻量=EC130溫拌劑摻量×(1-EC130溫拌劑含水率).制備試驗用瀝青膠漿(瀝青+石灰巖礦粉)、沸石瀝青膠漿(瀝青+EC130沸石礦物)和沸石發泡瀝青膠漿(瀝青+EC130溫拌劑).制備工藝如下：將瀝青控溫至170 ℃后,按設計摻量加入添加物,以200 r/min的轉速進行機械攪拌10 min.

1.3 試驗方法

采用溫度掃描試驗、多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗和線性振幅掃描(LAS)試驗分別測定了上述瀝青膠漿在不同溫度下的高溫性能及抗疲勞性能.從EC130沸石礦物和發泡水的角度,參照石灰巖礦粉對瀝青性能的影響,分析了EC130沸石礦物和發泡水對SBS改性瀝青高溫性能和抗疲勞性能的影響.

1.3.1溫度掃描試驗

考慮在58、64、70、76和82 ℃等5個測試溫度下,對上述瀝青膠漿進行溫度掃描試驗.試驗控制應變為12%,掃描速率為10 rad/s.通過試驗得到車轍因子|G*|/sinδ和疲勞因子|G*|·sinδ.

1.3.2多重應力蠕變恢復試驗

在前述設定的5個測試溫度下,對上述瀝青膠漿進行MSCR試驗,試驗按照美國公路和運輸官員協會(AASHTO)制定的T350-14《基于流變儀的瀝青多重應力蠕變恢復試驗》(Multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR))規范進行.測試中,先在0.1 kPa應力條件下蠕變1 s,恢復9 s,重復10 個循環.接著在3.2 kPa應力條件下進行10個蠕變-恢復循環.通過試驗得到3.2 kPa應力條件下的不可恢復蠕變柔量Jnr,3.2.

1.3.3線性振幅掃描試驗

根據AASHTO制定的TP101-14《線性振幅掃描評估瀝青膠結料的損傷極限》(Estimating damage tolerance of asphalt binders using the linear amplitude sweep)規范對上述瀝青膠漿進行線性振幅掃描(LAS)試驗,試驗分為頻率掃描和振幅掃描兩部分.在頻率掃描中,試樣的頻率掃描范圍為0.2～30.0 Hz,應變振幅為0.1%,從而確定瀝青的流變特性,得到損傷分析參數.在振幅掃描中,加載頻率為10 Hz,加載時間為310 s,加載應變振幅由0.1%按線性關系增加到30.0%,試驗溫度為25 ℃.通過試驗得到瀝青疲勞壽命Nf.

2 結果與討論

針對試驗方案中的不同瀝青膠漿,基于上述試驗方法,研究EC130沸石礦物和發泡水對SBS改性瀝青高溫性能及抗疲勞性能的影響.

2.1 溫度掃描

2.1.1車轍因子分析

圖1為在不同溫度下,瀝青膠漿的車轍因子|G*|/sinδ與添加物摻量w的關系曲線.

首先,分析測試溫度的影響.由圖1可知,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的|G*|/sinδ均隨測試溫度的升高而減小.瀝青是一種典型的黏彈性材料,具有較強的溫度敏感性,溫度越高,其黏性越大,彈性越小,抗車轍性能降低[10].

其次,分析石灰巖礦粉、EC130沸石礦物和EC130溫拌劑摻量的影響.由圖1可知,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的|G*|/sinδ均隨添加物摻量的增加而逐漸增大.將3種添加物添加到瀝青中后,添加物中的礦物會對瀝青起到體積填充和物理吸附作用,吸附瀝青中輕質組分(飽和分和芳香分),從而促進瀝青質和膠質的結合,使瀝青中彈性成分增加,抗車轍性能增大[11].

圖1 不同溫度下車轍因子與添加物摻量關系曲線

第三,對比分析EC130沸石礦物與石灰巖礦粉的影響.選取不同瀝青膠漿82 ℃時的|G*|/sinδ進行對比,結果如圖2所示.

圖2 不同瀝青膠漿的車轍因子與添加物摻量關系柱狀圖

由圖2可知,在任一種摻量下,沸石瀝青膠漿的|G*|/sinδ較瀝青膠漿顯著增大.不同于石灰巖礦粉,EC130沸石礦物的粒徑小,比表面積大,且具有特殊的內部空隙結構,因而其在瀝青中分散度大,對瀝青的體積填充和物理吸附作用更為顯著.

第四,對比分析EC130沸石礦物與EC130溫拌劑的影響.由圖2可知,在任一摻量下,沸石發泡瀝青膠漿的|G*|/sinδ較沸石瀝青膠漿大幅降低.從EC130溫拌劑的物質組成看,除了包含沸石礦物外,EC130溫拌劑還含有一定的結合水,當溫度達到100 ℃左右會被釋放出來,水分受熱蒸發使瀝青發泡,起到降低瀝青黏度的作用,從而使得瀝青黏性成分增大,彈性減小,抗車轍性能降低.

2.1.2疲勞因子分析

圖3為不同溫度下,瀝青膠漿的疲勞因子|G*|·sinδ與添加物摻量的關系曲線.

圖3 不同溫度下疲勞因子與添加物摻量的關系曲線

首先,分析測試溫度的影響.由圖3可知,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的|G*|·sinδ均隨測試溫度的升高而減小.瀝青的黏性和塑性受溫度影響較大,隨溫度升高,其由“玻璃態”到“高彈態”進而變為“黏流態”[12],黏性成分增加,彈性成分減少,抗疲勞性能增大.

其次,分析添加物摻量的影響.由圖3可知,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的|G*|·sinδ均隨添加物摻量的增加而逐漸增大.主要是由于石灰巖礦粉、EC130沸石礦物和EC130溫拌劑自身所含礦物對瀝青的體積填充和物理吸附作用,使瀝青的彈性增大,黏性減小,抗疲勞性能降低.

第三,對比分析EC130沸石礦物與石灰巖礦粉、EC130溫拌劑對疲勞因子的影響.選取不同瀝青膠漿82 ℃的|G*|·sinδ進行對比,結果如圖4所示.由圖4可知,在任一摻量下,沸石瀝青膠漿的|G*|·sinδ較瀝青膠漿顯著提升.同樣歸因于EC130沸石礦物與石灰巖礦粉的粒徑、比表面積及內部孔隙結構的差異.

由圖4還可知,在任一摻量下,沸石發泡瀝青膠漿的|G*|·sinδ較沸石瀝青膠漿大幅降低.主要是由EC130溫拌劑受熱釋放的發泡水對瀝青產生的發泡降黏作用所致.

圖4 不同瀝青膠漿的疲勞因子與添加物摻量關系柱狀圖

2.2 MSCR試驗

不可恢復蠕變柔量Jnr,3.2可用于描述瀝青結合料的抗車轍性能,其值越小,則抗車轍性能越大.圖5為不同溫度下,瀝青膠漿的不可恢復蠕變柔量Jnr,3.2與添加物摻量的關系曲線.

首先,分析測試溫度的影響.由圖5可知,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的Jnr,3.2均隨測試溫度升高而增大.這是因為溫度升高,瀝青黏性增大,彈性減小,抗車轍性能降低.

圖5 不同溫度下不可恢復蠕變柔量與添加物摻量的關系曲線

其次,分析添加物摻量的影響.由圖5可知,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的Jnr,3.2均隨添加物摻量的增加而減小.主要由于3種添加物自身所含礦物對瀝青產生體積填充和物理吸附作用,使瀝青彈性增大,抗車轍性能亦增大.

第三,對比分析EC130沸石礦物與石灰巖礦粉的影響.選取不同瀝青膠漿82 ℃的Jnr,3.2進行對比,如圖6所示.由圖6可知,在任一摻量下,沸石瀝青膠漿的Jnr,3.2較瀝青膠漿小得多.

圖6 不同瀝青膠漿的不可恢復蠕變柔量與添加物摻量關系柱狀圖

第四,對比分析EC130沸石礦物與EC130溫拌劑的影響.由圖6可知,在任一摻量下,沸石發泡瀝青膠漿的Jnr,3.2較沸石瀝青膠漿大.

2.3 LAS試驗

圖7為不同瀝青膠漿的疲勞壽命Nf與應變水平γ的關系曲線.

圖7 不同瀝青膠漿的疲勞壽命與應變水平關系曲線

由圖7可知：在低應變水平下,沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的Nf均小于原樣瀝青,其中沸石瀝青膠漿的Nf最小;隨γ的增大,兩種瀝青膠漿Nf曲線逐漸向原樣瀝青靠攏;同一應變水平下,Nf由大至小依次為原樣瀝青、沸石發泡瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿.當EC130沸石礦物和EC130溫拌劑分別被添加到瀝青中,由于EC130沸石礦物對瀝青的體積填充和物理吸附作用使瀝青彈性增大,導致兩種瀝青膠漿抗疲勞性能均顯著降低.但由于EC130溫拌劑受熱釋放的發泡水與瀝青作用,造成瀝青發泡,使瀝青黏性增加,因而有利于沸石發泡瀝青膠漿抗疲勞性能提升.整個過程中,EC130沸石礦物對瀝青的增黏作用明顯大于發泡水的降黏作用,故沸石瀝青膠漿疲勞壽命小于沸石發泡瀝青膠漿.

2.4 車轍因子與不可恢復蠕變柔量的相關性分析

對3種膠漿在不同溫度下的|G*|/sinδ與Jnr,3.2進行線性回歸分析,其擬合方程與相關系數R2見表3.由表3可知,3種膠漿在不同溫度下的|G*|/sinδ與Jnr,3.2均存在冪指數關系,其R2均大于等于0.85,表明其相關性較好.

表3 車轍因子與不可恢復蠕變柔量的相關性分析

3 結 論

1) 隨著測試溫度的升高,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的車轍因子和疲勞因子均逐漸減小,而不可恢復蠕變柔量逐漸增大.

2) 隨石灰巖礦粉、EC130沸石礦物和EC130溫拌劑摻量的增加,瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿的車轍因子和疲勞因子均逐漸增大,而不可恢復蠕變柔量逐漸減小.在同一摻量下,沸石瀝青膠漿的車轍因子和疲勞因子均大于瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿,不可恢復蠕變柔量則與之相反.

3) 相較原樣瀝青,添加EC130沸石礦物和EC130溫拌劑均使瀝青的疲勞壽命減小;在同一應變水平下,添加EC130沸石礦物瀝青的疲勞壽命小于添加EC130溫拌劑的瀝青.

4) 瀝青膠漿、沸石瀝青膠漿和沸石發泡瀝青膠漿在不同溫度下的車轍因子與不可恢復蠕變柔量均存在良好的冪指數關系.