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        溫拌改性泡沫瀝青再生混合料性能研究*

        2021-09-17 00:52:56王海蛟張慶宇
        施工技術(shù)(中英文) 2021年14期
        關(guān)鍵詞:溫拌改性劑模量

        王海蛟,張慶宇,王 凱

        (1.中建路橋集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050000;2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系,河北 石家莊 050091)

        0 引言

        溫拌再生技術(shù)集溫拌技術(shù)和熱再生技術(shù)以最大限度利用舊瀝青路面材料、節(jié)能減排顯著而受到廣大道路工作者關(guān)注,成為近年來研究熱點(diǎn)[1-3]。

        Honeywell(簡稱“Hon”)溫拌改性劑為針對當(dāng)前瀝青路面性能需求開發(fā)的瀝青混合料添加劑,有助于提升瀝青混合料路用性能,且大大降低生產(chǎn)溫度。目前,瀝青混合料再生主要分為現(xiàn)場熱再生、現(xiàn)場冷再生、廠拌熱再生和廠拌冷再生[4]。溫拌改性泡沫瀝青再生混合料能在較低溫度下生產(chǎn)施工,降低了瀝青老化,同時,具有較好和易性,結(jié)構(gòu)更密實(shí)。再生瀝青混合料應(yīng)用于高等級公路上,最主要問題為疲勞性能和永久變形[5]。文獻(xiàn)[6]研究表明,溫拌再生瀝青混合料動態(tài)模量呈現(xiàn)更多黏彈性特征,且舊瀝青混合料(RAP)摻量越大,動態(tài)模量呈增大趨勢。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為溫拌再生瀝青混合料抗疲勞性能優(yōu)于熱拌再生瀝青混合料。文獻(xiàn)[8]研究了RAP摻量對泡沫溫拌再生瀝青混合料路用性能的影響,得出RAP摻量為 30%時經(jīng)濟(jì)適用性最優(yōu)。目前相關(guān)文獻(xiàn)研究再生瀝青混合料的RAP摻量和路用性能較多,而對再生瀝青混合料溫拌改性泡沫瀝青應(yīng)用及動態(tài)模量、疲勞性能等方面研究報(bào)道較少。以AH70作為基質(zhì)瀝青,選取Hon7686作為溫拌改性劑,制備AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料,通過室內(nèi)瀝青發(fā)泡試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、動態(tài)模量試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)分析摻加30%銑刨料溫拌改性泡沫瀝青再生混合料路用性能和力學(xué)性能,推導(dǎo)建立AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料應(yīng)力疲勞方程和動態(tài)模量主曲線方程,為溫拌改性泡沫瀝青再生混合料的應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。

        1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

        1.1 原材料

        1)瀝青 采用A級70號瀝青(以下簡稱“AH70”),主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。由表1可知,AH70瀝青主要技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

        2)摻配材料 摻配材料包括石粉和活性填料。石粉為石灰?guī)r,粒徑0~3mm。活性填料為P·S·A32.5 水泥。

        3)改性劑 Hon7686改性劑外觀為白色粉末,為一種改善瀝青混合料綜合路用性能的改性劑,熔滴點(diǎn)為130~135℃,黏度為4.1~4.8Pa·s (150℃)。

        1.2 Hon7686改性瀝青性能

        將基質(zhì)瀝青加熱至150℃,然后使用攪拌器將Hon7686改性劑分散,攪拌速率為1 000r/min,時間1h。改性瀝青指標(biāo)測試結(jié)果如圖1所示,黏度測試結(jié)果如表2所示。

        圖1 不同Hon7686摻量改性瀝青指標(biāo)測試結(jié)果

        表2 Hon7686改性瀝青黏度測試結(jié)果

        由圖1及表3可知,隨著Hon7686改性劑摻量增加,瀝青針入度變小,但影響趨勢變緩;軟化點(diǎn)明顯提升,且保持持續(xù)增長;延度明顯下降。60℃黏度增加明顯,可提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性性能;150℃高溫黏度略有增加,但幅度不大,可推斷出摻加Hon7686改性劑不會增加瀝青發(fā)泡難度。

        1.3 室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)

        采用室內(nèi)小型Wirtgen WLB l0S 試驗(yàn)發(fā)泡裝置和 WLM 30型拌合機(jī)。室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)測試結(jié)果如表3所示。

        表3 室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)測試結(jié)果

        由表3可知,不同發(fā)泡溫度和用水量對改性瀝青發(fā)泡參數(shù)無影響,Hon7686改性瀝青不改變發(fā)泡性能。選擇Hon7686改性瀝青發(fā)泡溫度160℃,發(fā)泡用水量2.5%,相應(yīng)最佳發(fā)泡膨脹比為19,半衰期為14s。

        1.4 馬歇爾試驗(yàn)

        溫拌改性泡沫瀝青再生混合料礦料摻配比例為銑刨料30%、新料68.5%、水泥1.5%。礦料級配組成如圖2所示。

        圖2 礦料級配組成

        通過馬歇爾試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn),確定Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料最佳油石比為4.9%,空隙率為4.8%。

        2 高溫穩(wěn)定性

        根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》碾壓成型300mm×300mm×50mm車轍板并進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

        圖3 車轍試驗(yàn)結(jié)果

        由圖3可知,隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加,溫拌改性泡沫瀝青再生混合料抗車轍能力明顯增強(qiáng),特別是摻量為6%時,抗車轍能力達(dá)2倍以上。

        3 水穩(wěn)定性能

        根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》推薦的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評價溫拌改性泡沫瀝青再生混合料水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖4,5所示。

        圖4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

        圖5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

        由圖4,5可知,Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比均分別大于85%,80%,滿足規(guī)范規(guī)定的改性瀝青混合料水穩(wěn)定性技術(shù)要求,且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加,水穩(wěn)定性能逐漸增強(qiáng),具有較好的水穩(wěn)定性能。

        4 低溫性能

        彎曲試驗(yàn)適用于測定瀝青混合料試件在規(guī)定溫度和加載應(yīng)力水平條件下彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)[9]。瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)是研究瀝青混凝土材料低溫抗裂性能的重要方法[1]。試驗(yàn)溫度為-10℃±0.5℃,加載速率為50mm/min。適用于由輪碾成型后的試件切制成長250mm、寬30mm、高35mm棱柱體小梁,跨徑為200mm。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

        圖6 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        由圖6可知,Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料低溫彎曲破壞應(yīng)變均>2 500με,滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求,且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加,低溫性能逐漸增強(qiáng),具有較好的低溫性能。

        5 力學(xué)性能

        5.1 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

        劈裂強(qiáng)度是評價瀝青混合料力學(xué)性能的重要指標(biāo)[10]。試驗(yàn)溫度為15℃±0.5℃,加載速率為50mm/min。馬歇爾擊實(shí)法成型圓柱體試件直徑(101.6±0.2)mm,高(63.5±1.3)mm,壓條寬12.7mm。干劈裂試驗(yàn)在15℃恒溫水浴中保溫1h,濕劈裂試驗(yàn)先在25℃恒溫水浴中保溫23h,再在15℃恒溫水浴中保溫1h。溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

        圖7 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        由圖7可知,隨著Hon7686改性劑摻量增加,溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度逐漸下降,且摻量4.5% 以下干劈裂強(qiáng)度均>0.5MPa。干、濕劈裂強(qiáng)度比分別為92%,90%,90%,84%,均大于規(guī)范要求的75%,可根據(jù)Hon7686改性劑摻量用于路面基層和面層。

        5.2 動態(tài)模量試驗(yàn)

        根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定的溫拌改性泡沫瀝青再生混合料制備參數(shù),采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型,試件尺寸為直徑100mm、高150mm。選用SHRP推薦的SPT試驗(yàn)儀進(jìn)行動態(tài)模量試驗(yàn)[12]。試驗(yàn)參數(shù)如下:試驗(yàn)溫度采用10,20,30,40℃。采用常應(yīng)變控制方式,加載波形為正弦波,應(yīng)力水平采用50~150微應(yīng)變下對應(yīng)的應(yīng)力。軸向計(jì)量長度70mm。動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

        表4 動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果 MPa

        由表4可知,溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量對溫度具有明顯的依賴性。溫度升高,動態(tài)模量減小,溫度降低,動態(tài)模量升高。以5℃為溫度間隔,常用加載頻率1~25Hz,10~20℃,20~30℃,30~40℃溫度時,每升高5℃其動態(tài)模量分別降低2 800~4 000MPa,1 100~2 700MPa,300~1 200MPa??梢?,溫度變化對瀝青混合料的動態(tài)模量影響很大。

        加載頻率對溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量同樣具有較大影響。隨著加載頻率增大,荷載作用時間減小,動態(tài)模量增大,反之,動態(tài)模量降低。研究表明,加載頻率為10Hz時,荷載時間約為0.016s,相當(dāng)于車輛行駛速度為60~65km/h。加載頻率為20~25Hz時,溫度由10℃升高至40℃,動態(tài)模量變化100~500MPa。由此說明,行車速度較高時(約為120km/h),加載頻率的變化即行車速度變化,對瀝青混合料動態(tài)模量變化影響較小。

        5.3 疲勞試驗(yàn)

        疲勞性能是溫拌改性泡沫瀝青再生混合料重要的技術(shù)性能[12]。試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型,直徑為100mm、高150mm。采用應(yīng)力控制模式,加載波形為半正弦波,加載頻率10Hz,應(yīng)力比為0.3,0.4,0.5,0.6,試驗(yàn)溫度為10,20,30℃。疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。縱坐標(biāo)荷載作用次數(shù)為lg對數(shù)值。

        圖8 溫拌改性泡沫瀝青再生混合料疲勞曲線

        選用經(jīng)典的應(yīng)力疲勞方程,如式(1)所示。

        (1)

        式中:N為荷載作用次數(shù)(次);σ0為應(yīng)力(MPa);K,n為擬合參數(shù)。

        結(jié)合圖8,建立了不同溫度下AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料的應(yīng)力疲勞方程,相關(guān)系數(shù)均在0.96以上,表明擬合效果良好。應(yīng)力疲勞方程擬合參數(shù)如表5所示。

        表5 瀝青混合料應(yīng)力疲勞方程擬合參數(shù)

        6 動態(tài)模量主曲線

        瀝青混合料動態(tài)模量主曲線通常運(yùn)用非線性最小二乘法通過S型函數(shù)擬合得到[13]。動態(tài)模量與加載頻率的關(guān)系如式(2)所示。

        (2)

        式中:E*為動態(tài)模量(MPa);tr為縮減時間(s);δ為動態(tài)模量E*最小值(MPa);α為動態(tài)模量E*最大值(MPa);β,γ為描述型函數(shù)波形參數(shù)。

        時間-溫度位移系數(shù)α(T)表示不同溫度下瀝青混合料動態(tài)模量平移至參考溫度下主曲線距離。位移系數(shù)、加載時間與縮減時間的關(guān)系如式(3)所示。

        lg[α(T)]=lgt-lgtr

        (3)

        式中:T為溫度(℃);t為加載時間(s)。

        采用基于礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA確定瀝青混合料動態(tài)模量主曲線的方法。根據(jù)Christensen和Andersen研究結(jié)果,通過Hirsch模型預(yù)估動態(tài)模量極大值,如式(4)所示[14]。

        (4)

        其中:

        (5)

        式中:|E*|max為最大極限模量。

        溫拌改性泡沫瀝青再生混合料VMA=16.5%,VFA=62.3%,采用式(4),(5)計(jì)算最大極限模量,并取對數(shù)作為Max;溫拌改性泡沫瀝青再生混合料Max為6.509。

        采用阿侖尼斯(Arrhenius)方程計(jì)算縮減時間[15],如式(6)所示。

        (6)

        式中:Tr為參考溫度(℃);T為試驗(yàn)溫度(℃);ΔEa為擬合系數(shù)。

        將式(6)代入式(7),主曲線方程可表示為:

        (7)

        將式(3)和式(6)聯(lián)立,各溫度下位移系數(shù)可表示為:

        (8)

        將Max和參考溫度Tr=20℃代入式(7),同時,采用1stopt1.5軟件數(shù)值擬合動態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定方程參數(shù)。擬合結(jié)果如表6所示。

        表6 Sigmoidal主曲線方程參數(shù)擬合結(jié)果

        由表6可知,其相關(guān)系數(shù)平方接近1,表明相關(guān)密切,擬合良好。將表6中主曲線方程擬合參數(shù)代回式(8),即可求出Tr=20℃時不同溫度位移系數(shù),如表7所示。

        表7 不同溫度下的平移因子

        根據(jù)表7中不同溫度下的平移因子可建立參考溫度20℃時,溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量主曲線,如圖9所示。根據(jù)動態(tài)模量主曲線可預(yù)估現(xiàn)有設(shè)備測試范圍外加載頻率下瀝青混合料動態(tài)模量。

        圖9 溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量主曲線

        7 結(jié)語

        1)通過室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn),確定Hon7686溫拌改性瀝青最佳發(fā)泡條件,即發(fā)泡溫度為160℃、發(fā)泡用水量為2.5%。

        2)改性泡沫瀝青隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加,針入度變小,軟化點(diǎn)明顯提升,延度明顯下降,60℃黏度明顯增大,150℃高溫黏度略有增加。

        3)Hon7686溫拌改性泡沫瀝青再生混合料具有良好的路用性能,且隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加,其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫性能逐漸增強(qiáng)。

        4)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)表明,隨著Hon7686溫拌改性劑摻量增加,溫拌改性泡沫瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度逐漸下降,推薦摻量宜≤4.5%。

        5)依據(jù)間接拉伸疲勞試驗(yàn),建立AC-13溫拌改性泡沫瀝青再生混合料應(yīng)力疲勞方程,其擬合相關(guān)系數(shù)平方均>0.95,相關(guān)性較好。根據(jù)S型函數(shù)建立參考溫度為20℃時溫拌改性泡沫瀝青再生混合料動態(tài)模量主曲線,可預(yù)估現(xiàn)有設(shè)備測試頻率范圍外動態(tài)模量,為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及服役性能壽命預(yù)估提供參數(shù)。

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