徐加秋，陽恩慧，王世法，李世佳

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；3. 西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

目前，國內(nèi)外瀝青路面施工多采用的是熱拌瀝青混合料技術(shù)，其應(yīng)用效果有目共睹。但其使用過程中因拌和溫度高導(dǎo)致的高能耗，以及粉塵、瀝青煙、CO、SO2、CO2等有毒有害物質(zhì)的排放等問題也引起越來越多道路工作者的重視[1-3]。而溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt, WMA)是瀝青行業(yè)為應(yīng)對全球氣候變暖、能源消耗等問題而誕生的新型技術(shù)[4-5]。溫拌瀝青混合料指的是通過溫拌劑的添加使混合料的拌和溫度和施工溫度能降低不小于20 ℃而同時能保持和熱拌瀝青混合料一樣的路用性能的新型瀝青混合料的總稱[6]。由于其優(yōu)異的性能，溫拌瀝青混合料具有非常廣闊的應(yīng)用前景，在我國北方寒冷地區(qū)的使用也越來越廣泛。而作為一種道路新型技術(shù)，溫拌瀝青的低溫性能評價并未出現(xiàn)較好的評價方法和評價指標(biāo)，也未形成較完善的低溫性能評價體系。在現(xiàn)階段，低溫針入度、低溫延度、脆點和當(dāng)量脆點及玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度等指標(biāo)是我國主要的溫拌瀝青低溫性能指標(biāo)。但相關(guān)研究表明，這些評價指標(biāo)均存在一定局限性，與瀝青混合料的實際低溫路用性能關(guān)聯(lián)度較小[7-9]。對于基質(zhì)瀝青的低溫性能，美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)提出通過瀝青彎曲梁流變(BBR)試驗得到的勁度模量S和勁度模量變化率m兩項指標(biāo)來對其進行評價。國內(nèi)外研究人員利用BBR試驗對瀝青和瀝青膠結(jié)料的低溫性能作了大量的研究[10-12]。但單方面考慮瀝青的模量或松弛能力，只通過勁度模量或勁度模量變化率來評價瀝青的低溫抗裂性能是片面的[13]，因而需綜合考慮瀝青的模量與松弛能力。本研究通過瀝青彎曲梁流變試驗對溫拌瀝青低溫性能進行評價，分析并比選勁度模量S、勁度模量變化率m、低溫連續(xù)分級溫度Tc、k指標(biāo)及低溫性能綜合評價指標(biāo)J，以期為溫拌瀝青的低溫性能評價和推廣使用提供一定的參考。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 溫拌劑

本研究采用的溫拌劑為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的有機降黏型溫拌劑Sasobit。Sasobit是采用Fischer-Tropsch (FT)方法從煤炭液化中取得的一種高碳數(shù)脂肪烴類固體蠟顆粒[14-15]，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 Sasobit產(chǎn)品性能指標(biāo)

1.2 基質(zhì)瀝青

本研究共選用了3種瀝青，其性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 基質(zhì)瀝青性能測試結(jié)果

1.3 溫拌改性瀝青的制備

將A類瀝青加熱至165 ℃、B類和C類瀝青加熱至170 ℃呈流動狀態(tài)，運用高速剪切攪拌機制備溫拌改性瀝青。分別將1%，2%，3%摻量(質(zhì)量比)的Sasobit產(chǎn)品加入至加熱后的瀝青中，高速攪拌30～60 min，待其自然冷卻，即可制得溫拌改性瀝青。為了方便后續(xù)的研究分析，A類瀝青加入1%摻量的Sasobit用A+1%S表示，其余溫拌改性瀝青皆采用此類表示方法。

1.4 試驗方法

為模擬實際路面經(jīng)長期老化后的瀝青，對實驗室制備好的溫拌改性瀝青進行旋轉(zhuǎn)薄膜老化(RTFO)和壓力箱老化(PAV)，并按照ASTM D 6648[16]對老化后的溫拌瀝青進行BBR試驗。BBR試驗的測試溫度和低溫養(yǎng)護溫度為瀝青低溫等級最低溫度以上10 ℃，本次試驗所采用3類瀝青的低溫連續(xù)分級溫度分別為-27.2，-28.9，-29.6 ℃，因此低溫養(yǎng)護溫度設(shè)置為-18 ℃。本次試驗共設(shè)置了兩個測試溫度，分別為-18 ℃(瀝青低溫等級以上10 ℃)和-12 ℃(瀝青低溫等級以上16 ℃)，用于比較不同測試溫度對試驗的影響。每次BBR試驗取3個平行試件，分別測得不同測試溫度下每類瀝青膠結(jié)料的勁度模量S和勁度模量變化率m。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 勁度模量及勁度模量變化率結(jié)果分析

-12 ℃和-18 ℃溫度條件下各瀝青膠結(jié)料的勁度模量和勁度模量變化率測試結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同測試溫度下溫拌瀝青的勁度模量

圖2 不同測試溫度下溫拌瀝青的勁度模量變化率

瀝青的勁度模量S值及其變化率m值分別表征了瀝青低溫時的變形能力和應(yīng)力松弛能力。S值越小，m值越大，表示瀝青低溫條件下的性能越優(yōu)異。由圖1、圖2可知，隨著溫拌劑摻量的增大，兩個試驗溫度下溫拌瀝青的S值均有一定程度的上升，m值均呈一定程度的下降?？梢姡瑴匕鑴┑募尤胂魅趿藶r青的低溫性能。

但相關(guān)研究表明，僅單獨考慮瀝青的低溫變形能力或應(yīng)力松弛能力來評價瀝青的低溫性能存在一定的局限性[13]，應(yīng)綜合考慮低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力來評價溫拌改性瀝青的低溫性能。

2.2 PG連續(xù)分級溫度的結(jié)果分析

瀝青的PG分級是美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)提出的一套瀝青性能評價方法，它建立在瀝青材料的各項路用性能基礎(chǔ)上，具有較強的實用性和有效性，可用來較可靠地評價普通瀝青和改性瀝青的高低溫性能。但采用PG分級指標(biāo)評價瀝青的低溫性能也存在一定的局限性，PG分級的低溫等級每6 ℃設(shè)1檔，處于同一檔的兩種瀝青的低溫性能可能會存在一定差異。因此，參照ASTM D 7643—10[17], 使用PG連續(xù)分級溫度Tc來評價基質(zhì)瀝青和溫拌改性瀝青的低溫抗裂性能。ASTM D 7643—10通過測試不同溫度下瀝青膠結(jié)料的特定性能指標(biāo)值，再通過插值來確定連續(xù)分級溫度Tc。

對于除m值以外的性能指標(biāo)，插值公式為：

(1)

式中，Tc為連續(xù)分級溫度；T1和T2分別為兩種測試溫度中的較高者和較低者；P1和P2分別為T1和T2測試溫度下特定性能指標(biāo)的測試值；Ps為特定性能指標(biāo)的要求值，BBR試驗要求加載60 s后的勁度模量不得大于300 MPa且勁度模量變化率不得小于0.3，因此對于S指標(biāo)和m指標(biāo)，Ps分別取300和0.3。

m值指標(biāo)的插值公式為：

(2)

將不同測試溫度下基質(zhì)瀝青和溫拌改性瀝青的BBR試驗結(jié)果分別代入式(1)～式(2)中，取S指標(biāo)和m指標(biāo)得到的兩個低溫連續(xù)分級溫度中的較高者作為Tc，則基質(zhì)瀝青和溫拌改性瀝青的Tc結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫拌瀝青的低溫連續(xù)分級溫度

由低溫連續(xù)分級溫度Tc的結(jié)果可知，隨著溫拌劑摻量的增加，瀝青低溫連續(xù)分級呈不斷升高的趨勢，溫拌產(chǎn)品的加入削弱了瀝青的低溫抗裂性能，這與瀝青的勁度模量S值及其變化率m值得出的結(jié)論是一致的。由Tc指標(biāo)的定義可知，該指標(biāo)在一定程度上綜合考慮了瀝青低溫條件下的變形能力和應(yīng)力松弛能力，能更精確地評價溫拌改性瀝青的低溫抗裂性能。

2.3 k指標(biāo)的建立與結(jié)果分析

BBR試驗所得S值和m值分別表征了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，且S值越小、m值越大，瀝青的低溫抗裂性能越好。譚憶秋等[13]采用S值和m值兩項指標(biāo)構(gòu)建的新指標(biāo)k的表達(dá)式為：

(3)

因此k值越小，瀝青的低溫性能越好。各瀝青膠結(jié)料的k指標(biāo)計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫拌瀝青的k指標(biāo)

溫拌改性瀝青的k指標(biāo)計算結(jié)果表明，溫拌產(chǎn)品的加入削弱了瀝青的低溫性能，與上述低溫連續(xù)分級溫度結(jié)論類似。由k指標(biāo)的定義可知，該指標(biāo)兼顧考慮了瀝青的低溫變形能力與應(yīng)力松弛能力，可更精確地評價溫拌改性瀝青的低溫抗裂性能。

2.4 J指標(biāo)的建立及結(jié)果分析

2.4.1基于Buegers模型的黏彈參數(shù)分析

Burgers模型可看作由一個經(jīng)典Maxwell模型和一個經(jīng)典Kelvin模型串聯(lián)而成，可較好地反映瀝青材料的黏彈特性。Burgers模型中蠕變?nèi)崃侩S時間t的變化關(guān)系可表示為：

(4)

式中，J(t)為蠕變?nèi)崃?；E1和η1分別為Maxwell模型中的瞬時彈性模量和黏性流動參數(shù)；E2和η2分別為Kelvin模型中的延遲彈性模量和延遲黏性參數(shù)。

將BBR試驗所得數(shù)據(jù)利用1stopt軟件進行參數(shù)擬合，可得到各溫拌改性瀝青的Burgers模型的E1,η1,E2,η2這4個黏彈參數(shù)值，如圖5所示。

圖5 溫拌瀝青的4個指標(biāo)

溫拌產(chǎn)品的加入使Burgers模型4個黏彈參數(shù)的值皆呈增大趨勢，黏彈參數(shù)值越大，其抵抗變化的能力越弱，即瀝青的低溫抗裂性能越差。這個結(jié)果與前文低溫連續(xù)分級溫度、k指標(biāo)所得結(jié)果類似，但4個黏彈參數(shù)指標(biāo)都是考慮瀝青的單方面性能指標(biāo)來評價其低溫性能，存在一定的片面性。

2.4.2J指標(biāo)的構(gòu)建

Burgers模型中蠕變?nèi)崃侩S時間的變化關(guān)系也可表示為：

(5)

蠕變?nèi)崃靠煞譃樗矔r彈性部分Je、延遲彈性部分Jd和黏性部分Jv這3個部分[18]。作為一種黏彈性材料，在溫度較低的情況下，瀝青的彈性比例占主導(dǎo)地位。但此時瀝青的黏性特性非常重要，因為它可通過流動的方式松弛拉應(yīng)力從而減少低溫開裂[19]。蠕變?nèi)崃拷M成中，黏性部分Jv所占比例和值越大，瀝青的低溫性能越好。因而構(gòu)建溫拌改性瀝青低溫性能綜合評價指標(biāo)J如下：

(6)

各溫拌改性瀝青的指標(biāo)J計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫拌瀝青的低溫性能綜合評價指標(biāo)

由圖6中數(shù)據(jù)可得，隨著溫拌產(chǎn)品摻量的增加，溫拌改性瀝青的J指標(biāo)呈上升趨勢，因而溫拌產(chǎn)品的加入削弱了瀝青的低溫抗裂性能，與前文各項指標(biāo)所得結(jié)論一致。不同于Burgers模型的4個參數(shù)指標(biāo)，由指標(biāo)J的定義可知，該指標(biāo)考慮了黏性變形占總變形的比例及黏性特性的強弱，綜合考慮了溫拌改性瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，能更精確地評價溫拌改性瀝青的低溫性能。

2.5 低溫性能評價指標(biāo)比選

2.5.1瀝青混合料彎曲應(yīng)變能密度結(jié)果

張美坤等[20]的研究結(jié)果表明，瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度指標(biāo)可較好地評價混合料的低溫抗裂性能。本研究選用SMA-13級配中值，以設(shè)計孔隙率為4%確定各瀝青的最佳瀝青用量，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行瀝青混合料在-10 ℃條件下的低溫彎曲試驗。

利用彎曲試驗所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線計算的各溫拌瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度如圖7所示。

圖7 溫拌瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度

可以看出，隨著溫拌劑摻量的增加，瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度呈下降趨勢，可知溫拌產(chǎn)品的加入削弱了混合料的低溫抗裂性能。這與前文膠結(jié)料的各項評價指標(biāo)得出的結(jié)論是一致的。

2.5.2相關(guān)性分析和指標(biāo)比選

混合料的低溫抗裂性能80%由瀝青性質(zhì)決定[21]，所以混合料的低溫性能可較好地反映瀝青的低溫性能。因而本研究將小梁低溫彎曲試驗作為溫拌瀝青低溫評價指標(biāo)的驗證試驗，通過將混合料的低溫彎曲應(yīng)變能密度指標(biāo)與前文溫拌瀝青的各項評價指標(biāo)進行相關(guān)性分析，并結(jié)合各項評價指標(biāo)的測試精度、物理意義、數(shù)據(jù)處理難易程度、試驗量大小等來進行分析，優(yōu)選出較合適的溫拌瀝青低溫性能評價指標(biāo)。相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。

表3 低溫性能指標(biāo)相關(guān)性

由表3數(shù)據(jù)可知：

(1)-12 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級以上16 ℃)測試溫度下的相關(guān)系數(shù)均大于-18 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級以上10 ℃)測試溫度下，因而采用-12 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級以上16 ℃)的測試溫度更具有實用性，推薦基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級以上16 ℃的測試溫度作為Sasobit溫拌改性瀝青的BBR試驗測試溫度。

(2)無論在-12 ℃還是-18 ℃的測試溫度下，指標(biāo)k、綜合指標(biāo)J及低溫連續(xù)分級指標(biāo)Tc的相關(guān)性均要好于勁度模量S和勁度模量變化率m，其原因在于前3項指標(biāo)皆綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，而后兩項指標(biāo)皆是單方面考慮一項性能，存在片面性。

本研究在進行溫拌改性瀝青的低溫性能評價時，共采用了勁度模量S和勁度模量變化率m、低溫連續(xù)分級指標(biāo)Tc、指標(biāo)k、綜合指標(biāo)J這5項指標(biāo)，進行比選如下。

(1)勁度模量S和勁度模量變化率m：傳統(tǒng)BBR試驗提出的兩項瀝青低溫性能評價指標(biāo)物理意義明確，試驗測試方法較為簡便，僅1個測試溫度條件，且無需進行后期數(shù)據(jù)處理。但其與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性是最低的，原因在于僅單方面考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，存在一定局限性。

(2)低溫連續(xù)分級溫度指標(biāo)Tc：美國SHRP計劃提出的1項瀝青低溫性能評價指標(biāo)通過BBR試驗可得，物理意義明確，綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性較高。但至少需要兩個測試溫度，試驗量增大。

(3)指標(biāo)k：直接由傳統(tǒng)的S和m兩項指標(biāo)構(gòu)建而成，計算簡便，把瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力兩個性能評價指標(biāo)綜合到一起，與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性較高，可更精確地評價溫拌改性瀝青的低溫性能。但關(guān)于k指標(biāo)的明確物理意義需進行進一步研究。

(4)綜合指標(biāo)J：基于Burgers模型，對BBR試驗得到的數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合構(gòu)建而成，物理意義明確，綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，與溫拌改性瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性最高，可用于更精確地評價溫拌瀝青的低溫抗裂能力。但進行參數(shù)擬合時數(shù)據(jù)處理較為繁瑣。

3 結(jié)論

(1)通過對溫拌改性瀝青BBR試驗的系統(tǒng)研究，驗證了Sasobit溫拌產(chǎn)品的加入會削弱瀝青的低溫抗裂性能，且隨著摻量的增加，削弱程度呈上升趨勢。在Sasobit產(chǎn)品最大摻量(3%)時，B類瀝青和C類瀝青的低溫分級皆上升了1個等級，連續(xù)分級值增加接近6 ℃，低溫性能降低明顯。

(2)本次BBR試驗共設(shè)置了兩個試驗溫度，分別為-12 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級以上16 ℃)和-18 ℃(基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級以上10 ℃)。在兩個試驗溫度下，溫拌改性瀝青各項指標(biāo)的總體變化趨勢基本相同，但-12 ℃情況下各項指標(biāo)的測試結(jié)果更具有規(guī)律性。在與瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變能密度結(jié)果相關(guān)性分析中，-12 ℃溫度條件下的指標(biāo)結(jié)果相關(guān)性更高。因此，推薦把基質(zhì)瀝青低溫連續(xù)分級以上16 ℃作為Sasobit溫拌改性瀝青BBR試驗的測試溫度。

(3)針對傳統(tǒng)BBR試驗所得勁度模量S和勁度模量變化率m兩項指標(biāo)在評價瀝青低溫性能方面的局限性，本研究分析并采用了低溫連續(xù)分級指標(biāo)Tc、指標(biāo)k及綜合指標(biāo)J來評價溫拌改性瀝青的低溫性能。此3項指標(biāo)皆綜合考慮了瀝青的低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力，且與混合料的低溫彎曲應(yīng)變能密度結(jié)果相關(guān)性較高，可用于更精確地評價溫拌改性瀝青的低溫性能。但得到低溫連續(xù)分級指標(biāo)至少需要兩個測試溫度，試驗量增大。

(4)針對本研究分析并構(gòu)建的指標(biāo)k及綜合指標(biāo)J，由于指標(biāo)k計算簡便但物理意義需進一步進行研究，推薦工程單位計算優(yōu)先采用，由于綜合指標(biāo)J物理意義明確但計算較為繁瑣，推薦科研工作研究優(yōu)先采用。