王 春,張喜艷,郝培文

(1.長安大學道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室,陜西 西安 710064;2.西安西北民航項目管理有限公司,陜西 西安 710075)

瀝青路面的水損害基本可以歸為以下兩方面原因[1]：一是路面內(nèi)部的水分在車輛和環(huán)境因素作用下,侵入到了集料與瀝青界面,導(dǎo)致二者的粘附性下降;二是瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分在車輛荷載作用下產(chǎn)生了沖刷作用,更加速了瀝青膜的剝離,進而導(dǎo)致集料顆粒出現(xiàn)松散掉粒,形成坑槽等病害。

溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)由于集料加熱溫度低水分難以充分烘干,使其在生產(chǎn)過程中就在集料表面殘留了一些水分,使得混合料始終受到水損害的威脅[2-6]。由于不同類型的溫拌技術(shù)降黏機理不同,所以添加不同溫拌劑以后對混合料水穩(wěn)性能的影響也略有不同。溫拌劑Aspha-min對WMA的水穩(wěn)定性影響最大[7-8],因為其釋放的殘留結(jié)晶水及結(jié)晶水釋放完成后的殘留粉末都會影響瀝青與集料的粘附性。國外許多研究都認為WMA路用性能和熱拌瀝青混合料(Hot Mix Asphalt,HMA)基本能達到同一水平，法國研究者通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究發(fā)現(xiàn)WMA只有水穩(wěn)定性能稍差于HMA[9]。黃開斌[10]采用常規(guī)試驗及DSR、低溫蠕變試驗等對添加Sasobit、Aspha-min的WMA與HMA混合料性能進行對比分析,發(fā)現(xiàn)添加兩種溫拌劑的WMA的水穩(wěn)定性都沒有受到影響,但是對于低溫性能則都有不利影響,而添加Sasobit的WMA提高了高溫穩(wěn)定性。孟良[11]通過測試WMA試件與HMA試件在凍融循環(huán)前后的動態(tài)模量,提出以凍融動態(tài)模量比來評價WMA的水穩(wěn)定性,研究表明該方法與傳統(tǒng)的凍融劈裂強度比具有良好的相關(guān)性,在添加Evotherm DAT和Saso WAM溫拌劑后混合料的水穩(wěn)定性仍能達到HMA水平。竇暉[12]采用“表面能”理論對溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行了計算分析,發(fā)現(xiàn)瀝青與集料種類對計算結(jié)果都有影響,但當采用堿性集料如石灰?guī)r時,則不論采用何種瀝青其水穩(wěn)定性都不會受到影響。陳偉等[13]通過凍融劈裂試驗以及漢堡車轍試驗對某乳化型溫拌瀝青混合料進行試驗,發(fā)現(xiàn)WMA的水穩(wěn)定性與HMA基本一致。劉雙[14]在采用凍融試驗、車轍試驗、小梁彎曲試驗對分別添加Aspha-min、Sasobit、Evotherm DAT的WMA與HMA路用性能進行對比分析,發(fā)現(xiàn)添加溫拌劑后混合料性能相對HMA并沒有下降。李鵬飛[15]針對有機蠟型 WMA的水穩(wěn)定性進行了研究,通過闡述該類 WMA 水損害發(fā)生的細觀行為,提出了該類 WMA 中集料的臨界含水率,為改善有機蠟類WMA水穩(wěn)定性能提供了理論依據(jù)。

由于溫度降低,集料不能完全烘干,殘留的水分必然會影響瀝青與集料的粘附,因此WMA的水穩(wěn)定性會有所下降?；诖?筆者對添加Aspha-min、Sasobit和DAT3種溫拌劑的WMA水穩(wěn)定性進行了浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和動水沖刷試驗,根據(jù)試驗結(jié)果分析了不同WMA水穩(wěn)定性衰減原因,提出了采用抗剝落劑和硅藻土對Aspha-min和Sasobit兩種溫拌劑進行復(fù)配改性的方式來改善這兩種WMA的水穩(wěn)性能。

1 試 驗

1.1 試驗材料

粗、細集料采用角閃巖,礦粉采用石灰?guī)r，其表現(xiàn)相對密度為2.744,不同規(guī)格礦料的密度見表1。

表1 集料密度Table 1 The density of aggregates

瀝青采用SBS改性瀝青,其各項技術(shù)指標見表2。溫拌劑選擇沸石類Aspha-min、有機蠟類Sasobit和表面活性類Evotherm DAT,其各項技術(shù)指標見表3。

表2 瀝青技術(shù)指標Table 2 The technical specification of asphalt

表3 溫拌劑技術(shù)指標Table 3 The technical specification of warm mix agent

礦料級配為AC-13,合成結(jié)果見表4。采用馬歇爾試驗方法確定混合料最佳油石比(見表5),WMA采用相同級配HMA的油石比。HMA的最佳拌和溫度取180 ℃,最佳壓實溫度取160 ℃,WMA的最佳拌和溫度取160 ℃,最佳壓實溫度取140 ℃。

表4 AC-13瀝青混合料合成級配Table 4 The gradation of AC-13

表5 最佳油石比下AC-13馬歇爾試驗結(jié)果Table 5 The optimum asphalt content of AC-13

1.2 水穩(wěn)定性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的水穩(wěn)定性試驗方法,對1種HMA與3種WMA的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂進行了驗證,試驗結(jié)果見表6～表7。

表6 浸水馬歇爾試驗結(jié)果Table 6 The results of immersion Marshall test

表7 凍融劈裂試驗結(jié)果Table 7 The results of freeze-thaw splitting test

由以上試驗結(jié)果可知,溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度都可以達到熱拌瀝青混合料的水平,但是凍融劈裂強度比都有不同程度的下降,其中使用Aspha-min的最差。

1.3 采取改善措施后的水穩(wěn)性能

基于上述溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的不利情況,筆者通過復(fù)配改性的方法對Aspha-min和Sasobit兩種固體類溫拌劑進行改進。目前可用于改善混合料水穩(wěn)定性能的材料種類很多,但應(yīng)用較多的主要有抗剝落劑、消石灰、水泥、硅藻土等,其中抗剝落劑又分液體和固體兩大類。通過分析各種材料添加于瀝青混合料時的改善效果,筆者選擇以抗剝落劑和硅藻土來進行復(fù)配,由于兩種溫拌劑都是固體,所以抗剝落劑也選擇固體粉末狀材料。筆者所選復(fù)配材料A為新型非胺類瀝青抗剝落劑,外觀為棕黃色固體微顆粒(見圖1(a));所選復(fù)配材料B為硅藻土,是一種微細粉末狀固體,呈淺黃色(見圖1(b)),其中SiO2質(zhì)量分數(shù)達到90%以上,具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好等特性,能夠有效改善瀝青混合料的使用性能。兩種復(fù)配材料的復(fù)配方案如表8所示。由于添加溫拌劑對混合料的殘留穩(wěn)定度基本沒有影響,因此復(fù)配后僅做凍融劈裂試驗,試驗結(jié)果如表9所示。

圖1 復(fù)合溫拌劑的兩種復(fù)配材料Fig.1 Two kinds of materials forcomposite warm mixing agent

表8 復(fù)合溫拌劑復(fù)配方案Table 8 The composite scheme of composite warm mixing agent

表9 凍融劈裂試驗結(jié)果Table 9 The results of freeze-thaw splitting test

1.4 動水沖刷試驗

目前,國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗方法大多屬于靜態(tài)浸水試驗,而瀝青路面內(nèi)部水分在車輛荷載作用下卻會產(chǎn)生動水壓力,即實際情況遠比試驗條件苛刻。鑒于此,筆者在常規(guī)浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗的基礎(chǔ)上,采用課題組研發(fā)的動水壓力沖刷試驗系統(tǒng)(見圖2)[2],對Aspha-min、Sasobit、DAT三種溫拌瀝青混合料及改進后的復(fù)合溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行測試與評價,以更好地分析溫拌劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響作用。

圖2 動水沖刷試驗系統(tǒng)Fig.2 The hydrodynamic scouring test system

該試驗系統(tǒng)通過對瀝青混合料試件循環(huán)不斷地施加正負壓力,使水流在壓力作用下不斷沖刷試件內(nèi)部孔隙,從而模擬瀝青路面在車輛荷載作用下的動水沖刷作用。

本次試驗采用的試驗參數(shù)如下[1]：

動水沖刷壓力：正壓100 kPa,負壓90 kPa;動水沖刷溫度：60 ℃,沖刷前試件需先在60 ℃水溫中保溫1小時;往復(fù)沖刷次數(shù)：200次,約1 h。

對沖刷后的瀝青混合料試件,采用單軸貫入試驗和劈裂試驗對其力學性能進行評價,評價指標為沖刷后試件強度與未沖刷試件強度之比。

1.4.1 單軸貫入試驗——位移強度法

采用位移強度法[16]對動水沖刷后溫拌瀝青混合料的高溫抗剪切性能進行研究。位移強度法是一種評價瀝青混合料抗剪性能的新方法,加載方式與傳統(tǒng)貫入剪切試驗類似,但其半圓形壓頭可以更好的模擬實際路面的受力情況,而且在計算時同時考慮了應(yīng)力強度和塑性位移。

試驗條件及結(jié)果計算方式如下：

試件：標準馬歇爾試件;

加載方式：采用位移控制方式,加載速度50 mm/min;

試驗溫度：60℃;

壓頭：半圓形壓頭(見圖3),壓頭外徑D為40 mm,倒角半徑r為10 mm;

圖3 壓頭尺寸Fig.3 The size of indenter

計算公式：試驗結(jié)果按式(1)計算。

(1)

式中：SD為應(yīng)力強度,MPa;P為應(yīng)力最大值,N;D為外徑，40 mm;r為倒角內(nèi)徑，10 mm;y為最大應(yīng)力對應(yīng)的位移,mm。試驗結(jié)果如表10所示。

表10 單軸貫入試驗結(jié)果Table 10 The results of uniaxial penetration test

1.4.2 低溫劈裂試驗

采用-10 ℃劈裂試驗來評價溫拌瀝青混合料試件在動水沖刷后的力學性能,具體試驗參照《瀝青混合料劈裂試驗》(JTG E20T0716—2011)進行,試件由馬歇爾法雙面各擊實75次成型,試驗加載速率為1 mm/min。試驗結(jié)果如表11所示。

表11 劈裂試驗結(jié)果Table 11 The results of splitting test

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果分析

對HMA與WMA的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig.4 The test results of water stability of WMA

由圖4可知：

(1)添加三種溫拌劑后,WMA的馬歇爾穩(wěn)定度相比HMA都有所下降,但是其殘留穩(wěn)定度則都達到了HMA的水平,其中添加Sasobit和DAT的都與HMA的一致,而Aspha-min甚至超出了HMA的水平。

(2)三種WMA的劈裂強度也比HMA的劈裂強度降低了一些,而且由于凍融試驗條件更加苛刻,所以WMA的TSR(表征凍融劈裂強度比)普遍沒有達到HMA的技術(shù)水平,添加Sasobit和DAT的還能稍稍高出規(guī)范要求值80%,而添加Aspha-min的則下降較嚴重,甚至比規(guī)范要求值還低了十個百分點。這是由于WMA降低生產(chǎn)溫度后,集料中原有的水分不能夠充分烘干,而且溫拌劑中引入的水分(Aspha-min與DAT)也會有一些殘留在瀝青與集料界面之間,從而導(dǎo)致溫拌瀝青混合料始終存在潛在的水損害威脅,當經(jīng)歷凍融循環(huán)后,其中殘留的水分也會經(jīng)歷凍脹與消融的過程,更加速了瀝青從集料表面剝離,導(dǎo)致集料剝落松散直至坑槽。Aspha-min WMA試件在經(jīng)歷凍融循環(huán)后試件破壞面上集料顆粒表面的瀝青膜則明顯剝離。

(3)從殘留穩(wěn)定度試驗可以看出,盡管添加溫拌劑后混合料的穩(wěn)定度都有下降,但是添加Sasobit的明顯較其他兩種下降較少,這說明晶格結(jié)構(gòu)的Sasobit熔于瀝青中后呈網(wǎng)狀分布，起到了加筋作用。但由于Sasobit仍然具有蠟的性質(zhì),所以添加以后也會影響瀝青的低溫抗裂性能,因此其TSR也較小。

(4)綜上可知,使用溫拌添加劑后混合料的水穩(wěn)定性普遍有下降趨勢,因此,在工程應(yīng)用中應(yīng)該對WMA的水穩(wěn)定性進行嚴格檢驗,當水穩(wěn)定性較差時必須采取改善措施。

2.2 采取改善措施后水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果分析

對Aspha-min和Sasobit兩種固體類溫拌劑進行復(fù)配改性后，其混合料殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 添加復(fù)合溫拌劑的瀝青混合料凍融劈裂強度比Fig.5 The TSR with composite warm mixing agent after freeze-thaw splitting test

由圖5可知,采用抗剝落劑與硅藻土對兩種溫拌劑進行復(fù)配改性后,WMA的凍融劈裂強度比都有了顯著提高。

(1)對于Aspha-min溫拌劑,采用抗剝落劑復(fù)配比硅藻土對TSR的改善效果更好,而同時采用抗剝落劑與硅藻土進行復(fù)合改性時效果達到最佳,其TSR排序為TSR(方案③)>TSR(方案①)>TSR(方案②)>TSR(Aspha-min WMA)。

(2)對于Sasobit溫拌劑,采用抗剝落劑復(fù)配比硅藻土對TSR提高更多,而同時采用抗剝落劑與硅藻土進行復(fù)合改性時與單獨使用抗剝落劑改性的效果基本一樣,各方案TSR排序為TSR(方案⑥)>TSR(方案④)>TSR(方案⑤)>TSR(Sasobit WMA)。

(3)綜上可知,抗剝落劑對WMA水穩(wěn)定性的改善效果比硅藻土更好,如圖6所示,未添加抗剝落劑的混合料凍融劈裂后試件內(nèi)部瀝青與集料剝離現(xiàn)象非常明顯,而添加抗剝落劑后凍融劈裂試件內(nèi)部則基本看不到瀝青與集料剝離的情況。因此對于Aspha-min和Sasobit溫拌劑,當僅考慮水穩(wěn)定性時,應(yīng)優(yōu)先推薦采用抗剝落劑進行復(fù)配。

圖6 添加抗剝落劑前后Aspha-min溫拌瀝青混合料凍融后試件Fig.6 The specimen with composite warm mixing agent after freeze-thaw splitting test

2.3 動水沖刷試驗結(jié)果分析

2.3.1 單軸貫入強度

由表10可知：①從未沖刷試件的應(yīng)力強度可以看出,添加溫拌劑后混合料的抗剪強度都有不同程度的下降。這也表明WMA拌和溫度降低后,確實使得瀝青老化程度減弱,瀝青相對而言仍然較軟,對混合料抗剪切性能較為不利。②動水沖刷前后WMA試件單軸貫入的位移也基本上都大于HMA,說明WMA的抗變形能力確實有所削弱。③所有混合料的殘留應(yīng)力強度比都處于較高水平,而且添加溫拌劑后混合料的殘留應(yīng)力強度比不降反升,說明添加溫拌劑后混合料的水穩(wěn)定性得到了改善,這與殘留穩(wěn)定度結(jié)果較為一致,而與凍融劈裂強度比完全不符,這應(yīng)該是與動水沖刷試件的試驗條件沒有凍融劈裂苛刻有關(guān),動水沖刷試件60 ℃浸水時間僅有2 h,而且試件是75次擊實成型的,空隙率較凍融劈裂試件小。④在對Aspha-min和Sasobit兩種溫拌劑進行復(fù)合改性后,混合料殘留應(yīng)力強度比有所提高,而最大應(yīng)力對應(yīng)位移也有一定增長,說明復(fù)合改性后混合料的水穩(wěn)定性有一定改善,而高溫抗變形能力則有所下降。

2.3.2 低溫劈裂試驗

由表11可知：①從未沖刷試件的劈裂抗拉強度來看,添加溫拌劑后混合料的低溫抗裂性能都有不同程度的下降,表明溫拌劑的使用對混合料的低溫抗裂性能確有不利影響。②添加溫拌劑后瀝青混合料的殘留劈裂強度比都有所下降,但是仍然都處于較高水平,這與凍融劈裂試驗結(jié)果仍不相符,可見即使采用動水沖刷,如果試驗條件沒有凍融劈裂苛刻,那么其劈裂強度仍然不會受到太大影響。③Aspha-min溫拌劑在復(fù)合改性后,其水穩(wěn)定性能都得到了一定程度的改善;而Sasobit溫拌劑在復(fù)合改性后,只有方案⑤(單獨添加硅藻土)的水穩(wěn)定性能有所提高,而方案④和⑥的水穩(wěn)定性則都有所降低。

3 結(jié) 論

(1)通過常規(guī)的水穩(wěn)定性試驗,發(fā)現(xiàn)使用沸石類Aspha-min溫拌劑的瀝青混合料水穩(wěn)定性較差,而使用有機蠟類Sasobit溫拌劑的瀝青混合料水穩(wěn)定性也處于較低水平,在多雨且寒冷地區(qū)使用時應(yīng)采取一定改善措施。

(2)采用抗剝落劑和硅藻土對Aspha-min和Sasobit溫拌劑進行復(fù)配改性后兩種WMA的水穩(wěn)性能都能得到明顯改善,在綜合考慮不同方案性價比后推薦采用硅藻土進行復(fù)配,復(fù)配改性后的WMA可以廣泛適用于不同氣候區(qū)域。

(3)動水沖刷試驗、單軸貫入試驗以及低溫劈裂試驗結(jié)果表明,筆者采用的動水沖刷試驗條件對混合料強度的損害要遠小于凍融作用。