段躍華，李正華，汪 政

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

為了增強(qiáng)水泥砂漿的攪拌效果，從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，國(guó)外相繼開(kāi)展振動(dòng)攪拌技術(shù)的研究[1]。我國(guó)在振動(dòng)攪拌領(lǐng)域的研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代初。馮忠緒等將攪拌理論研究與攪拌設(shè)備的開(kāi)發(fā)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，不僅解決了振動(dòng)攪拌理論機(jī)理問(wèn)題，還解決了工程應(yīng)用問(wèn)題。其團(tuán)隊(duì)率先發(fā)明了一種連續(xù)式振動(dòng)攪拌機(jī)，并建立完善了不同形式振動(dòng)攪拌的理論體系，還申請(qǐng)了雙臥軸式及立軸式振動(dòng)攪拌機(jī)的發(fā)明專利[2-5]。馮建生等[6]研究了振動(dòng)攪拌對(duì)C20、C30、C40不同配合比混凝土性能的影響，在其他試驗(yàn)條件皆相同的情況下，進(jìn)行不同配合比混凝土的振動(dòng)攪拌與常規(guī)攪拌的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，振動(dòng)攪拌混凝土能使坍落度降低，同時(shí)使得混凝土的保水性與粘聚性更好；振動(dòng)攪拌也能使混凝土含氣量有所提高，強(qiáng)度也比普通攪拌的提高10%以上。施洲輝等[7]通過(guò)分析現(xiàn)有攪拌技術(shù)的不足，將振動(dòng)攪拌應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石的生產(chǎn)，在試驗(yàn)中分別生產(chǎn)兩種不同配合比的水泥穩(wěn)定碎石，檢測(cè)其不同條件下的性能，對(duì)比分析得出振動(dòng)攪拌技術(shù)生產(chǎn)的水泥穩(wěn)定碎石各方面性能都要優(yōu)于傳統(tǒng)攪拌技術(shù)生產(chǎn)的水穩(wěn)碎石。董晨希等[8]使用EDEM離散元軟件進(jìn)行仿真分析，研究了雙臥軸攪拌機(jī)在不同攪拌方式下對(duì)混合料攪拌均勻性的影響。結(jié)果顯示，相較于普通攪拌，振動(dòng)攪拌混合料的均勻性更佳，是一種更優(yōu)異的攪拌方式。

但現(xiàn)階段在土木工程行業(yè)內(nèi)，振動(dòng)攪拌技術(shù)大多應(yīng)用于水泥混凝土、水泥穩(wěn)定碎石或級(jí)配碎石的生產(chǎn)，對(duì)應(yīng)用于瀝青及瀝青混合料振動(dòng)攪拌技術(shù)的研究則相對(duì)較少。然而瀝青作為瀝青混合料中的膠結(jié)材料，其性能關(guān)系到瀝青路面的使用性能及耐久性。瀝青一方面與集料裹覆混合，另一方面則是潤(rùn)滑混合料，使混合料更易攪拌均勻，所以制作混合料時(shí)瀝青的黏度不能太高；而鋪筑碾壓形成路面后，瀝青要形成強(qiáng)度穩(wěn)固的混合料，所以瀝青的黏度也不能太低[9-10]。同時(shí)，加熱攪拌混合料前后，瀝青的針入度、軟化點(diǎn)及延度等指標(biāo)不能有太大變化，應(yīng)滿足工程的實(shí)際需要。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，分析振動(dòng)攪拌對(duì)四種改性瀝青性能的影響，為振動(dòng)攪拌技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原理

目前流體力學(xué)理論中的流體可分成兩大類，即牛頓流體與非牛頓流體[11]。其中，非牛頓流體又可分為假塑性流體與脹流性流體。假塑性流體的黏度隨著剪變率的增大而減小，也被稱為“剪切變稀”流體。觸變性流體在固定不變的剪變率下，其黏度隨著剪切時(shí)間的增加而降低，故觸變性流體屬于假塑性流體的一種類型[12-13]。而熔融狀態(tài)的瀝青材料，特別是聚合物改性瀝青材料具有假塑性流體中觸變性流體的特性，即隨著剪切時(shí)間的增加黏度降低，出現(xiàn)“剪切變稀”的現(xiàn)象，這就使得瀝青能在溫度不變的狀態(tài)下而黏度降低[14]。本文主要依據(jù)此原理進(jìn)行瀝青振動(dòng)攪拌的研究。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備主要采用現(xiàn)有的振動(dòng)臺(tái)及布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀進(jìn)行改進(jìn)并結(jié)合。振動(dòng)臺(tái)為北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司的WS-Z30-50小型精密振動(dòng)臺(tái)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀為美國(guó)博勒飛公司的DV2T觸屏式旋轉(zhuǎn)黏度儀并搭配其RV型轉(zhuǎn)子使用。使用該振動(dòng)臺(tái)與布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀組成一套能給瀝青施加不同振動(dòng)效果，并在振動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)控溫測(cè)試瀝青樣品表觀黏度的裝置。

表1 WS-Z30-50小型振動(dòng)臺(tái)基本指標(biāo)參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)方法

為探究在普通攪拌中加入振動(dòng)作用對(duì)瀝青膠結(jié)料產(chǎn)生的影響，本試驗(yàn)選用中遠(yuǎn)海運(yùn)的Ⅰ型高黏改性瀝青及中遠(yuǎn)海運(yùn)的Ⅱ型高黏改性瀝青作為研究對(duì)象，并增加殼牌SBS改性瀝青及殼牌SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青兩個(gè)樣品作為對(duì)比研究。

在振動(dòng)黏度試驗(yàn)中，振動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)保溫爐及瀝青容器進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，容器壁與容器底來(lái)回推動(dòng)、摩擦瀝青，通過(guò)壓力與摩擦力帶動(dòng)瀝青運(yùn)動(dòng)。因此，振動(dòng)對(duì)熔融狀態(tài)瀝青的作用可表現(xiàn)為空間剪切作用，由此來(lái)模擬在振動(dòng)攪拌中振源帶動(dòng)瀝青及礦料運(yùn)動(dòng)，礦料及瀝青又推動(dòng)其附近的瀝青剪切運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而研究在普通攪拌中加入振動(dòng)作用對(duì)瀝青產(chǎn)生的影響。此外，還對(duì)四種改性瀝青樣品振動(dòng)前后的針入度、軟化點(diǎn)及延度進(jìn)行對(duì)比研究，以確保加入振動(dòng)作用后制備的瀝青混合料其瀝青的質(zhì)量指標(biāo)不會(huì)改變。

2 振動(dòng)前后改性瀝青黏度對(duì)比研究

由于實(shí)際生產(chǎn)中振幅固定為2 mm，且加入瀝青后混合料的振動(dòng)攪拌時(shí)間為90 s。為了在90 s內(nèi)充分利用振動(dòng)降黏的效果，選擇以上試驗(yàn)確定的最佳振動(dòng)溫度及最佳振動(dòng)頻率且振幅為2 mm的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，研究這四種改性瀝青樣品在90 s內(nèi)的振動(dòng)黏度與時(shí)間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖1～2所示。

圖1 振動(dòng)時(shí)間與黏度的關(guān)系曲線圖

本試驗(yàn)參數(shù)為：溫度175 ℃，振動(dòng)頻率40 Hz，振幅2 mm。由圖1可知，在未施加振動(dòng)作用時(shí)，這四種改性瀝青的黏度關(guān)系為：Ⅱ型高黏改性瀝青>SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青>Ⅰ型高黏改性瀝青>SBS改性瀝青，且Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青黏度相近，遠(yuǎn)大于Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青。隨著振動(dòng)作用的加入，前10 s四種改性瀝青的黏度略微下降；在振動(dòng)10 s之后，四種改性瀝青樣品的黏度隨著振動(dòng)時(shí)間的增加而急速下降；在振動(dòng)時(shí)間達(dá)70 s后四種改性瀝青的黏度變化趨于恒定。由于在振動(dòng)的10～70 s，Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的降黏幅度較大，所以在70 s后SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的黏度與Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青的黏度相當(dāng)，Ⅱ型高黏改性瀝青的黏度也降至與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青黏度相近。

由圖2的降黏率與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系也可看出，四種改性瀝青都表現(xiàn)出明顯的觸變性，即在恒定的振動(dòng)剪切條件下其黏度都隨著時(shí)間的增加而降低。振動(dòng)10 s后四種改性瀝青的降黏率都在大幅提高，且Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的降黏率增長(zhǎng)相對(duì)較快，其降黏率明顯高于Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青。這也是其黏度能在70 s后降至與Ⅰ型高黏改性瀝青和SBS改性瀝青相近的原因。在本試驗(yàn)條件下，這四種改性瀝青的降黏率都在70 s后趨于穩(wěn)定。

圖2 振動(dòng)時(shí)間與降黏率的關(guān)系曲線圖

3 振動(dòng)前后改性瀝青基本性能對(duì)比研究

由以上試驗(yàn)可知，在瀝青混合料攪拌時(shí)加入振動(dòng)作用，能在不提高溫度的情況下進(jìn)一步降低瀝青的黏度，增強(qiáng)瀝青的流動(dòng)性，使瀝青與集料混合更均勻，裹覆更充分，提高瀝青混合料攪拌生產(chǎn)的質(zhì)量。在瀝青混合料鋪筑形成路面之后，瀝青起著粘結(jié)穩(wěn)固集料的作用。雖然振動(dòng)作用停止后，瀝青的黏度會(huì)逐漸恢復(fù)，但振動(dòng)降黏過(guò)后是否會(huì)對(duì)瀝青的基本性能指標(biāo)產(chǎn)生不利的影響，目前尚未研究。

本文通過(guò)瀝青的三大指標(biāo)性能試驗(yàn)，即針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)作用前后的瀝青樣品進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)比其數(shù)據(jù)，探究振動(dòng)作用過(guò)后瀝青的基本性能是否會(huì)受到影響，從而改變其路面的使用性能。

3.1 針入度對(duì)比試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用上海昌吉公司的SYD-2801F針入度試驗(yàn)儀，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0604方法在25 ℃、5 s、100 g條件下進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)本研究所使用的四種改性瀝青分別進(jìn)行三次采樣，即振動(dòng)黏度試驗(yàn)前、振動(dòng)黏度試驗(yàn)后1 h和振動(dòng)黏度試驗(yàn)后24 h，以進(jìn)行后續(xù)的對(duì)比研究。在振動(dòng)黏度試驗(yàn)前抽取部分樣品澆筑試樣進(jìn)行測(cè)試；振動(dòng)黏度試驗(yàn)后，將經(jīng)過(guò)振動(dòng)作用且保持熔融狀態(tài)的瀝青樣品放入烘箱中，175 ℃保溫1 h后澆筑兩次試驗(yàn)用量的試樣，一部分立即開(kāi)始試驗(yàn)，模擬振動(dòng)攪拌出料后現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓時(shí)的瀝青狀態(tài)；另一部分在室溫中保存24 h后開(kāi)始試驗(yàn)，模擬振動(dòng)攪拌出料后路面鋪筑完成開(kāi)始通車(chē)使用時(shí)的瀝青狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 針入度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖3可知，樣品SBS改性瀝青、Ⅰ型高黏改性瀝青、Ⅱ型高黏改性瀝青及SAMⅠ-Ⅱ改性瀝青振動(dòng)試驗(yàn)前針入度分別為54(0.1 mm)、47(0.1 mm)、39(0.1 mm)及88(0.1 mm)；在振動(dòng)試驗(yàn)后1 h分別為51(0.1 mm)、44(0.1 mm)、37(0.1 mm)及83(0.1 mm)；在振動(dòng)試驗(yàn)后24 h分別為51(0.1 mm)、43(0.1 mm)、38(0.1 mm)及83(0.1 mm)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，每種改性瀝青的針入度值變化并不大，針入度值下降范圍都在5%～9%。這表明，在撤掉振動(dòng)作用保溫靜置的1 h里，改性劑及瀝青膠團(tuán)的重構(gòu)能恢復(fù)其性能，不會(huì)對(duì)瀝青針入度產(chǎn)生太大影響，反而由于振動(dòng)試驗(yàn)的重復(fù)加熱會(huì)使得瀝青老化，導(dǎo)致針入度降低。

3.2 軟化點(diǎn)對(duì)比試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用上海昌吉公司的SYD-2806G全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0606方法進(jìn)行試驗(yàn)。采樣及樣品保存方式與上述方法一致，對(duì)四種改性瀝青分別進(jìn)行三次采樣，驗(yàn)證其施工狀態(tài)及路面使用狀態(tài)的性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖4可知，四種經(jīng)過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)的改性瀝青樣品在1 h及24 h后其軟化點(diǎn)值與振動(dòng)作用之前變化不大，雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)有±1 ℃的變化，但這符合規(guī)范中正常試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)范圍。由此可知，攪拌時(shí)的振動(dòng)作用不會(huì)對(duì)施工時(shí)及路面正常使用時(shí)的瀝青軟化點(diǎn)性質(zhì)造成影響。

3.3 延度對(duì)比試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用上海昌吉公司的SYD-4508C瀝青延度試驗(yàn)儀，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0605方法在5 ℃、5 cm/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試樣采集制作和保存處置在采樣澆筑制作針入度對(duì)比試驗(yàn)樣品時(shí)一同進(jìn)行，也是分三個(gè)時(shí)段分別采樣澆筑，模擬不同的瀝青工況進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證其施工狀態(tài)及路面使用狀態(tài)的性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 延度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

分析圖5可知，試驗(yàn)中四種改性瀝青樣品在經(jīng)過(guò)振動(dòng)作用后延度值變化不大，雖然都表現(xiàn)出略有下降的趨勢(shì)，推測(cè)是振動(dòng)黏度試驗(yàn)時(shí)反復(fù)加熱瀝青導(dǎo)致的熱老化使得延度略有降低，但都符合規(guī)范中再現(xiàn)性試驗(yàn)變化幅度在30%以內(nèi)的規(guī)定。由此分析，振動(dòng)攪拌時(shí)的振動(dòng)作用不會(huì)對(duì)混合料施工時(shí)及路面使用時(shí)的瀝青延度造成太大影響。

由以上瀝青三大指標(biāo)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)中的這四種改性瀝青都表現(xiàn)出明顯的觸變性，即在受到振動(dòng)產(chǎn)生空間剪切作用時(shí)，改性劑及瀝青膠團(tuán)解纏和較弱化學(xué)鍵斷裂的程度大于重構(gòu)的程度，所以導(dǎo)致黏度降低，瀝青變軟且流動(dòng)性增加。但振動(dòng)作用停止后，改性劑及瀝青膠團(tuán)重構(gòu)的程度大于解纏和較弱化學(xué)鍵斷裂的程度，所以瀝青黏度恢復(fù)，各項(xiàng)性能指標(biāo)與振動(dòng)之前相差不大。這體現(xiàn)了觸變性流體的結(jié)構(gòu)可逆變化，在外力對(duì)該流體施加作用時(shí)其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，而停止作用力后，該觸變性流體的結(jié)構(gòu)又能逐漸恢復(fù)[15-18]。因此，在普通攪拌中加入振動(dòng)作用不會(huì)對(duì)路面施工及后續(xù)使用過(guò)程中的瀝青性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先通過(guò)自制的振動(dòng)黏度試驗(yàn)裝置對(duì)研究選用的四種改性瀝青進(jìn)行振動(dòng)黏度試驗(yàn)，研究了這四種改性瀝青下降黏率與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系；接著結(jié)合實(shí)際路面生產(chǎn)情況模擬瀝青所處的不同時(shí)段，通過(guò)針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)及延度試驗(yàn)，分別對(duì)振動(dòng)黏度試驗(yàn)前、振動(dòng)黏度試驗(yàn)后1 h及振動(dòng)黏度試驗(yàn)后24 h的四種改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)對(duì)比試驗(yàn)。得到以下主要結(jié)論：

(1)在恒定的振動(dòng)作用下四種改性瀝青的黏度都隨著振動(dòng)時(shí)間的增加而降低，且在此振動(dòng)條件下Ⅱ型高黏改性瀝青與SAMⅠ-Ⅱ型改性瀝青的降黏率遠(yuǎn)高于Ⅰ型高黏改性瀝青及SBS改性瀝青。

(2)在振動(dòng)溫度為175 ℃、頻率為40 Hz及振幅為2 mm的條件下，四種改性瀝青的黏度都能在70 s內(nèi)降至恒定值，滿足實(shí)際生產(chǎn)中此條件下振動(dòng)攪拌90 s內(nèi)瀝青黏度降至最低的要求，充分發(fā)揮了降黏效果。

(3)本研究中四種改性瀝青振動(dòng)前后的三大指標(biāo)對(duì)比試驗(yàn)表明，受振動(dòng)作用后瀝青的三大指標(biāo)性能變化不大。因此瀝青在受到振動(dòng)作用時(shí)黏度降低、流動(dòng)性增強(qiáng)，但不會(huì)對(duì)瀝青后續(xù)使用的基本性能產(chǎn)生負(fù)面影響。