劉圣潔，謝政專(zhuān)，彭愛(ài)紅

1)廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007；2)河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；3)江西省交通工程集團(tuán)建設(shè)有限公司, 江西南昌 330029

隨著“綠色交通”和“低碳減排”理念逐漸成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，如何促進(jìn)瀝青路面施工過(guò)程向節(jié)能、環(huán)保和低能耗的方向發(fā)展，建設(shè)以低碳減排為核心的綠色鋪面技術(shù)，已成為當(dāng)前道路界面臨的重大課題．泡沫溫拌瀝青技術(shù)無(wú)需添加任何化學(xué)添加劑，僅通過(guò)注入微量水分使瀝青發(fā)泡，即可有效降低施工溫度，實(shí)現(xiàn)瀝青路面的施工低碳化[1]．由于出色的降溫效果和經(jīng)濟(jì)性能，泡沫溫拌瀝青(foamed warm mix asphalt, FWMA)混合料獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展應(yīng)用.根據(jù)美國(guó)瀝青路面協(xié)會(huì)(National Asphalt Pavement Association, NAPA)統(tǒng)計(jì)，2017年在全美范圍內(nèi)FWMA占溫拌瀝青混合料(warm mix asphalt, WMA)總量的64.7%[2]．因此，從國(guó)外溫拌瀝青技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展來(lái)看，泡沫溫拌瀝青技術(shù)是以后發(fā)展的趨勢(shì)．

瀝青是典型的溫度敏感性材料，其力學(xué)性能直接依賴(lài)于外界環(huán)境．在不同溫度下瀝青表現(xiàn)為3種相態(tài)，即高溫時(shí)的黏流態(tài)、中溫時(shí)的黏彈態(tài)和低溫時(shí)的玻璃態(tài)．通常將瀝青材料由黏彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)時(shí)的臨界溫度稱(chēng)為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[3]．研究發(fā)現(xiàn)，瀝青的物理性能和化學(xué)性能在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生了急劇的變化[4]．從分子性能來(lái)看，瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度是高分子從凍結(jié)到運(yùn)動(dòng)的一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度，在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以下，瀝青分子鏈段的運(yùn)動(dòng)處于凍結(jié)狀態(tài)，外力作用下的變形難以快速恢復(fù)和有效松弛，容易引起瀝青材料開(kāi)裂[5]．因此，目前普遍認(rèn)為，瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度與其低溫性能密切相關(guān)，理想的狀態(tài)是瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度低于其最低服役溫度，從而保證其在使用過(guò)程中保持良好的變形性能，松弛掉內(nèi)部集聚的應(yīng)力，避免路面產(chǎn)生開(kāi)裂．研究瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度具有豐富的工程意義[6-7]．

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)常規(guī)瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度開(kāi)展了廣泛的研究，也取得豐碩的成果[8-10]．但由于FWMA 的生產(chǎn)過(guò)程短暫且拌合溫度較低，發(fā)泡過(guò)程注入的水分難以全部排除，致使泡沫溫拌瀝青性能與常規(guī)瀝青不同[11]．目前普遍認(rèn)為FWMA路面的水穩(wěn)定性會(huì)在一定程度上降低，且FWMA的低溫性能也略低于WMA[12-13]．ALHASAN等[14]發(fā)現(xiàn)，泡沫溫拌瀝青的低溫性能早期也弱于普通瀝青．玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的確定對(duì)瀝青及瀝青混合料內(nèi)溫度應(yīng)力的預(yù)測(cè)、低溫開(kāi)裂的控制有十分重要的意義．但目前針對(duì)泡沫溫拌瀝青玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的研究較少．為深入探索泡沫溫拌瀝青的相態(tài)轉(zhuǎn)變行為，考察不同發(fā)泡水量對(duì)其低溫性能的影響，本研究采用動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析(dynamic thermomechanical analysis, DMA)儀和差示掃描量熱(differential scanning calorimetry, DSC)儀，對(duì)比測(cè)定泡沫溫拌瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，分析發(fā)泡用水量對(duì)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的影響，并采用低溫彎曲流變梁(bending beam rheometer, BBR)試驗(yàn)分析不同發(fā)泡水量下泡沫溫拌瀝青的低溫性能．

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

采用70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青．基質(zhì)瀝青的針入度(25 ℃)為69.5(0.1 m)，軟化點(diǎn)溫度為48 ℃，延度(15 ℃)大于150 cm；SBS改性瀝青的針入度(25 ℃)為50.4(0.1 m)，軟化點(diǎn)為83.8 ℃，延度(5 ℃)為35.8 cm．發(fā)泡采用飲用水，pH值為7.95，游離余氯的含量為0.1 mg/L，可溶性固體總量為186 mg/L.

1.2 泡沫溫拌瀝青的制備

本研究采用室內(nèi)小型發(fā)泡機(jī)(WLB 10)制備泡沫溫拌瀝青．將基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別加熱至155 ℃和165 ℃．當(dāng)兩種瀝青呈流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，分別注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、3%和6%的發(fā)泡水，共得到6種瀝青樣品．為保證試驗(yàn)結(jié)果精確性和可靠性，每種瀝青開(kāi)展3組平行試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 DMA試驗(yàn)

玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度采用DMA(Q800)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀對(duì)瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí)，加載方式為雙懸臂彎拉模式，溫度范圍為(-60～80)℃，升溫速率為10 ℃/min，掃描應(yīng)變?yōu)?.01%，掃描頻率為10 Hz.

DMA試件的尺寸為60 mm×13 mm×3.5 mm．試驗(yàn)制備時(shí)，首先將發(fā)泡后的瀝青澆筑于鋁制模具中，待其自然降溫為室溫(20 ℃)時(shí)，將模具放入-60 ℃的冷凍箱中冷凍2 h，而后將冰凍瀝青從模具中取出，置于DMA設(shè)備的夾具中，開(kāi)展DMA試驗(yàn)，測(cè)得模量和相位角.

1.3.2 DSC試驗(yàn)

采用TA DSC25設(shè)備開(kāi)展差示掃描量熱儀試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度范圍為(-60～130)℃，升溫速率為10 ℃/min，樣品質(zhì)量為10 mg，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，流量為100 mL/min．根據(jù)泡沫溫拌瀝青在升溫過(guò)程中的吸熱和放熱特征，獲取其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度.

1.3.3 BBR試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(rolling thin film ovens, RTFO)試驗(yàn)和壓力老化容器(pressure aging vessel, PAV)試驗(yàn)，對(duì)泡沫溫拌瀝青進(jìn)行老化，利用TE-BBR Pro設(shè)備開(kāi)展低溫性能試驗(yàn).BBR試驗(yàn)時(shí)樣品尺寸為125 mm×12.5 mm×6.25 mm，試驗(yàn)溫度分別為-24、-18和-12 ℃, 記錄泡沫溫拌瀝青的勁度模量(S)和蠕變速率(m).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 DMA 試驗(yàn)結(jié)果分析

DMA試驗(yàn)對(duì)瀝青樣品施加外部作用力后，瀝青材料會(huì)出現(xiàn)變形，外部能量一部分被儲(chǔ)存，另一部分由于分子鏈段內(nèi)耗而損耗，分別對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存模量和損耗模量[15]．DMA分析中，當(dāng)溫度低于玻璃化溫度時(shí)，分子鏈段很難運(yùn)動(dòng)，損耗產(chǎn)生的能量很少．當(dāng)溫度高于玻璃化溫度時(shí)，分子鏈段很容易運(yùn)動(dòng)，損耗產(chǎn)生的能量也少[16]．只有玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)，分子鏈段能運(yùn)動(dòng)，但又跟不上應(yīng)力的變化，產(chǎn)生的滯后最多，損耗掉的能量最大．

溫度升高時(shí)，瀝青相態(tài)由玻璃態(tài)向黏彈態(tài)和黏流態(tài)轉(zhuǎn)變，模量和相位角也呈一定變化規(guī)律．從儲(chǔ)存模量、損耗模量和相位角正切值的變化規(guī)律上，可得到相應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[17]．目前瀝青材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度可采用儲(chǔ)能模量曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)、損耗模量峰值點(diǎn)和相位角tanθ的峰值點(diǎn)判定[18]．

圖1為泡沫溫拌瀝青的DMA試驗(yàn)結(jié)果．從圖1可知，不同發(fā)泡水量下的DMA結(jié)果有所不同，表明發(fā)泡水的引入影響了瀝青的熱行為．對(duì)于不同發(fā)泡水量下的改性瀝青，損耗模量存在明顯的峰值點(diǎn)，未發(fā)泡的基質(zhì)瀝青也存在明顯的損耗模量峰值點(diǎn)．盡管發(fā)泡水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和6%時(shí)，基質(zhì)瀝青的損耗模量沒(méi)有明確的峰值點(diǎn)，但有較為明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)．由于相位角tanθ沒(méi)有明顯的峰值點(diǎn)，本研究將損耗模量的峰值點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度作為泡沫溫拌瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)果如表1．

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，低溫性能越好，最理想的狀況是瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度小于該地區(qū)的最低服務(wù)溫度，保證在最低服務(wù)溫度下，瀝青分子鏈不被“凍結(jié)”，仍能自由活動(dòng)，從而松弛由于溫度降低引起的瀝青溫度應(yīng)力，減小瀝青低溫裂縫的產(chǎn)生．從表1發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)泡用水量的增加，基質(zhì)瀝青和改性瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高．表明隨著發(fā)泡水的加入，瀝青的低溫性能有所降低．原因是瀝青發(fā)泡后的水分在后期難以全部散失，部分水分殘存于瀝青中，并與瀝青發(fā)生某種結(jié)合，使得瀝青分子鏈“凍結(jié)”的溫度提高，即在較高的溫度下，瀝青分子鏈才能“解凍”，從宏觀上，瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度升高．

2.2 DSC 試驗(yàn)結(jié)果分析

DMA通過(guò)瀝青的動(dòng)態(tài)力學(xué)力學(xué)性能獲取玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，而DSC則是通過(guò)瀝青的熱力學(xué)行為直接獲取溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)．圖2為泡沫溫拌瀝青的DSC結(jié)果．從圖2可知，兩種瀝青發(fā)泡后，DSC曲線(xiàn)發(fā)生改變，表明發(fā)泡過(guò)程影響了瀝青的熱物特性．基質(zhì)瀝青和改性瀝青發(fā)泡后在0 ℃有明顯的放熱峰．由于0 ℃為水分從固體到液體的轉(zhuǎn)變溫度，因此，相比于未發(fā)泡的瀝青而言，該處存在的曲線(xiàn)峰表明泡沫溫拌瀝青中含有殘存的水分．而泡沫溫拌瀝青DSC曲線(xiàn)的改變也推測(cè)是殘存發(fā)泡水引起．

在 DSC 曲線(xiàn)上，在通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，基線(xiàn)向吸熱方向移動(dòng)，吸熱曲線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)臺(tái)階，通常將臺(tái)階中的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度作為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度．由DSC方法得到的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度如表2．

從表2發(fā)現(xiàn)，通過(guò)DSC方法得到的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度均為負(fù)值，符合瀝青實(shí)際服役的低溫溫度．由于時(shí)間尺度和方法不同，DSC和DMA得到的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度差別較大．原因在于DMA方法中，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度主要通過(guò)彈性模量的突變來(lái)確定，而在DSC方法中，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度主要通過(guò)比熱容突變來(lái)確定．不同的測(cè)定條件下，瀝青材料分子鏈段的運(yùn)動(dòng)性不同，因此各方法測(cè)定得到的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度具有一定差異[19]．因此，在標(biāo)出某種材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，必須注明測(cè)定的方法和條件，不同方法條件之間的結(jié)果無(wú)可比性．但從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度隨發(fā)泡水量的變化趨勢(shì)來(lái)看，DSC的結(jié)果其與DMA的結(jié)果一致．即隨著發(fā)泡水的增多，瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度逐漸增高，表明隨著發(fā)泡量增加，對(duì)瀝青的低溫性能不利．

圖1 泡沫溫拌瀝青的DMA試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 DMA test results for foam warm mix asphalt

表1 泡沫溫拌瀝青玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度 (DMA法)Table 1 Glass transition temperature of foam warm mix asphalt (DMA) ℃

圖2 泡沫溫拌瀝青的DSC試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 DSC test results for foam warm mix asphalt

表2 泡沫溫拌瀝青玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(DSC方法)Table 2 Glass transition temperature of foam warm mix asphalt (DSC) ℃

2.3 泡沫溫拌瀝青BBR結(jié)果分析

根據(jù)BBR試驗(yàn)得到的S和m用于評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能．通常而言，S越小，瀝青的低溫柔性越大；m越大，瀝青的應(yīng)力松弛能力越強(qiáng)，低溫抗裂性越好．不同發(fā)泡用水量下泡沫溫拌瀝青的勁度模量和蠕變速率如圖3．由圖3可見(jiàn)，對(duì)于基質(zhì)瀝青和改性瀝青而言，勁度模量和蠕變速率隨溫度變化的趨勢(shì)相同．隨著試驗(yàn)溫度不斷降低，兩種瀝青的勁度模量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，蠕變速率均呈降低趨勢(shì)．一般而言，瀝青的勁度模量越低，瀝青低溫性能越好；蠕變速率越高，瀝青結(jié)合料的應(yīng)力松弛越好.這表明隨著試驗(yàn)溫度降低，兩種瀝青的低溫抗裂性能有所下降．

圖3 泡沫溫拌瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 BBR test results for foam warm mix asphalt

當(dāng)瀝青發(fā)泡后，從圖3可見(jiàn)，隨著發(fā)泡用水量的不斷增大，瀝青的勁度模量也在持續(xù)增加，而蠕變速率持續(xù)降低．以-24 ℃為例，當(dāng)發(fā)泡水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0分別增至3%和6%時(shí)，基質(zhì)瀝青的勁度模量相應(yīng)增長(zhǎng)了16.5%和58.0%，蠕變速率相應(yīng)降低了26.7%和50.3%；改性瀝青的勁度模量相應(yīng)增長(zhǎng)了41.5%和85.4%，蠕變速率相應(yīng)降低了5.1%和31.4%．這反映了發(fā)泡水的加入會(huì)一定程度損傷瀝青的低溫抗裂性能．

與此同時(shí)，瀝青發(fā)泡前后基質(zhì)瀝青和改性瀝青的勁度模量變化率和蠕變速率變化率不一樣，這可能是由于瀝青種類(lèi)不同，發(fā)泡效果也不同引起．以-18 ℃下的勁度模量為例，w(水)=3%改性瀝青的勁度模量比未發(fā)泡改性瀝青高出約33.7%，而同等發(fā)泡水基質(zhì)瀝青發(fā)泡后勁度模量增長(zhǎng)了約7.4%，說(shuō)明改性瀝青發(fā)泡后更容易變脆．可見(jiàn)，瀝青的注水發(fā)泡對(duì)低溫性能不利，在選取發(fā)泡用水量時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮能否滿(mǎn)足低溫性能要求．

為保證瀝青的低溫性能，美國(guó)Superpave規(guī)范要求瀝青樣品在低溫溫度下的S≤300 MPa、m>0.3[20]． 從圖3可知，基質(zhì)瀝青符合-18 ℃時(shí)的勁度模量和蠕變速率要求，但不滿(mǎn)足-24 ℃的環(huán)境要求，表明基質(zhì)瀝青的低溫符合-18 ℃環(huán)境的使用要求；加入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水后，勁度模量有所增大，蠕變速率有所降低，但仍能符合-18 ℃的低溫要求；當(dāng)發(fā)泡水繼續(xù)增至6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，所有的蠕變速率在3種溫度下均不能滿(mǎn)足，表明6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的發(fā)泡水量嚴(yán)重影響了基質(zhì)瀝青的低溫分級(jí)，無(wú)法滿(mǎn)足-12 ℃的要求；同樣，對(duì)于改性瀝青，未發(fā)泡及3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))發(fā)泡水的泡沫瀝青，低溫性能符合-24 ℃的環(huán)境要求，泡沫瀝青的低溫分級(jí)無(wú)法滿(mǎn)足-12 ℃的環(huán)境要求．這表明了瀝青注水發(fā)泡削弱了低溫抗裂性能，不適用于原有未發(fā)泡瀝青的低溫適用場(chǎng)合．

為了直觀評(píng)價(jià)瀝青材料的低溫變化趨勢(shì)，采用m和S的比值(m/S)來(lái)分析.m/S值越大，表明瀝青材料低溫性能越好，結(jié)果如圖4．從圖4可見(jiàn)，不同溫度、不同瀝青類(lèi)型泡沫溫拌瀝青的m/S值均小于未發(fā)泡瀝青，且發(fā)泡水量越大，低溫性能越差．隨著溫度的降低，m/S值下降速率逐漸減慢，這可能是由于溫度降低分子，運(yùn)動(dòng)的能量減小，瀝青中分子的鏈段運(yùn)動(dòng)受到了阻礙，使分子結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定．

圖4 泡沫溫拌瀝青的m/S結(jié)果Fig.4 The m/S test results for foam warm mix asphalt

3 結(jié) 論

1)采用DMA和DSC方法，對(duì)泡沫溫拌瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和熱重分析，得到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度．盡管由兩種方法得到的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度有所區(qū)別，但對(duì)于不同的瀝青和發(fā)泡用水量，兩者的變化趨勢(shì)一致．

2)發(fā)泡用水量對(duì)瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度有明顯影響，隨著發(fā)泡水增多，瀝青的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度逐漸增高，表明發(fā)泡水的加入削弱了瀝青的低溫性能．

3)隨著發(fā)泡用水量的不斷增大，瀝青的勁度模量持續(xù)增大，蠕變速率持續(xù)降低，發(fā)泡水的加入會(huì)在一定程度上損傷瀝青的低溫抗裂性能．

4)3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的發(fā)泡水尚能與未發(fā)泡瀝青保持相同的低溫分級(jí)，但6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的發(fā)泡水下，泡沫溫拌瀝青不能滿(mǎn)足-12 ℃時(shí)的低溫環(huán)境要求，不適用于原有瀝青的應(yīng)用范圍．

5)為保證良好的路用性能，制備泡沫溫拌瀝青時(shí)，發(fā)泡用水量的選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮其低溫抗裂能力．