牛蘢昌 劉安剛 劉青海 苗 強(qiáng) 涂崇志 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (湖北長(zhǎng)江路橋有限公司3) 武漢 430077)

0 引 言

瀝青具有易燃性，在高溫拌合和燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量黑煙并釋放有害氣體[1]，并且一旦發(fā)生交通事故，極易引發(fā)火災(zāi)，使瀝青路面燃燒，形成的煙塵在隧道內(nèi)聚集，阻礙視線，增大滅火難度[2].

在瀝青中加入溫拌劑，能夠有效降低瀝青混合料的拌合溫度，減少能源消耗和煙氣排放.在瀝青中加入抑煙阻燃劑，可使瀝青表面溫度下降，抑制瀝青燃燒并阻止有毒氣體釋放.現(xiàn)有研究表明：摻入添加劑會(huì)對(duì)瀝青和瀝青混合料的路用性能造成影響，尤其是瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.李立寒等[3]通過(guò)對(duì)添加四種阻燃劑的瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)酸性阻燃劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性影響較大.張爭(zhēng)奇等[4]通過(guò)對(duì)添加四種溫拌劑的瀝青混合料進(jìn)行真空飽水馬歇爾試驗(yàn)和浸水漢堡車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)部分溫拌劑能夠提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性.王大偉等[5]將溫拌劑和阻燃劑同時(shí)加入并制備溫拌阻燃瀝青混合料，將其與熱拌瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)摻入該組合添加劑會(huì)降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但是選擇的組合添加劑種類單一，不具有普遍性.

由工程經(jīng)驗(yàn)可知：瀝青-集料的黏附性是影響瀝青混合料疲勞壽命、自愈合能力，以及水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范中用于評(píng)價(jià)瀝青-集料間黏附性最常見的方法為水煮(浸)法試驗(yàn)，然而該方法無(wú)法定量評(píng)價(jià)黏附性，只能提供黏附性等級(jí)作為參考[6-7].因此，為了定量評(píng)價(jià)瀝青-集料間黏附性，已有諸多研究學(xué)者采用表面能理論，計(jì)算瀝青與集料間黏附功與剝落功，并以此作為量化指標(biāo)[8-10].文中選用一種SBS改性瀝青、三種溫拌劑和兩種抑煙阻燃劑，按照添加劑種類的不同，共包括六種同時(shí)添加溫拌劑與抑煙阻燃劑的瀝青改性方案，通過(guò)對(duì)各方案進(jìn)行瀝青表面能參數(shù)測(cè)試，從微觀角度對(duì)比分析添加劑對(duì)改性瀝青表面能的影響.計(jì)算瀝青與集料間的黏附功、剝落功，以及匹配性指標(biāo)，并結(jié)合瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，分析不同添加劑組合對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響.

1 原材料基本性能測(cè)試

1.1 瀝青

試驗(yàn)選用SBS(I-D型)改性瀝青，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的相關(guān)要求測(cè)試其基本性能，結(jié)果見表1.由表1可知：各項(xiàng)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[12]的技術(shù)要求.

表1 SBS(I-D型)改性瀝青性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 溫拌劑

采用三種常見的溫拌劑，LQ 1102、TEGO 168和LX 450.三種溫拌劑的物理指標(biāo)見表2.

表2 溫拌劑物理指標(biāo)

1.3 抑煙阻燃劑

采用兩種常見的粉末型抑煙阻燃劑：有機(jī)無(wú)鹵型抑煙阻燃劑AP 428以及無(wú)機(jī)阻燃劑ATH(氫氧化鋁)和MH(氫氧化鎂)按照不同摻量比例組合而成的抑煙阻燃劑[13-15].兩種抑煙阻燃劑的物理指標(biāo)見表3.

表3 抑煙阻燃劑物理指標(biāo)

1.4 溫拌抑煙阻燃改性瀝青制備

將上述溫拌劑和抑煙阻燃劑隨機(jī)組合，得到六種溫拌抑煙阻燃改性瀝青方案，具體方案見表4.其中，添加劑的摻量是根據(jù)黏溫分析、煙密度測(cè)試以及阻燃試驗(yàn)綜合確定的最佳摻量.

表4 溫拌抑煙阻燃改性瀝青復(fù)配方案

1.5 集料與瀝青混合料級(jí)配

集料為輝綠巖.輝綠巖屬于堿性集料，與瀝青間具有良好的黏附性.采用湖北省某地石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)指標(biāo)見表5.由于溫拌抑煙阻燃瀝青多用于上面層，故采用級(jí)配為SMA-13的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，其級(jí)配設(shè)計(jì)見表6.其中，油石比為6.3%，且馬歇爾指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

表5 礦粉性能指標(biāo)

表6 SMA-13瀝青混合料合成級(jí)配表

2 瀝青與集料表面能測(cè)試及其黏附性分析

2.1 表面能基本原理

表面能的基本定義如下：在溫度、濕度不發(fā)生變化的條件下，材料系統(tǒng)增加單位表面積時(shí)吉布斯自由能變化的能量大小稱為表面自由能，簡(jiǎn)稱表面能，用符號(hào)γ表示，單位為erg/cm2.現(xiàn)階段普遍采用GvOC理論體系計(jì)算不同材料的表面能，該體系認(rèn)為瀝青和集料各自有三個(gè)基本的表面能分量，包括非極性分量γLW、極性酸分量γ+、極性堿分量γ-，三者共同構(gòu)成表面能總量γ.表面能總量與各分量的關(guān)系為

(1)

式中：γ為材料表面能；γLW為材料表面能非極性分量；γAB為材料表面能極性分量；γ+為材料表面能極性酸分量；γ-為材料表面能極性堿分量.

計(jì)算瀝青自身的內(nèi)聚結(jié)合能、無(wú)水狀態(tài)和有水狀態(tài)下集料與瀝青間黏附結(jié)合能，即

(2)

(3)

(4)

2.2 溫拌抑煙阻燃改性瀝青表面能測(cè)試

采用靜滴法進(jìn)行改性瀝青表面能測(cè)試.將制備完好的瀝青涂膜玻片在干燥常溫條件下養(yǎng)生24 h后水平放入儀器試驗(yàn)艙內(nèi)，并將已知表面能參數(shù)的測(cè)試試劑滴在玻片上，通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)捕捉試劑液滴與玻片之間形成的液滴圖像，利用計(jì)算機(jī)提取輪廓得到接觸角，再將測(cè)試試劑的表面能參數(shù)與接觸角數(shù)值代入式(5)便可計(jì)算得到改性瀝青的表面能參數(shù).其中，測(cè)試試劑的表面能參數(shù)以及計(jì)算所得瀝青表面能參數(shù)見表7～8.

(5)

表7 測(cè)試試劑的表面能參數(shù)

表8 瀝青表面能參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表8可知:摻入溫拌劑和抑煙阻燃劑對(duì)改性瀝青的表面能參數(shù)產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而使得瀝青與集料間黏附性存在差異.其中，方案2的改性瀝青表面能總量最高，方案7的改性瀝青表面能總量最低.同時(shí)，相較于其他種類的溫拌劑，僅有LQ 1102溫拌劑提高了改性瀝青的表面能總量.對(duì)于表面能非極性分量，LQ 1102溫拌劑使其提高，LX 450溫拌劑使其降低，而TEGO 168溫拌劑對(duì)其影響較小；對(duì)于表面能極性分量，盡管極性酸分量無(wú)明顯變化，但LX 450溫拌劑大幅度提高了極性堿分量，說(shuō)明有機(jī)降黏溫拌劑對(duì)改性瀝青表面能極性分量影響較大.此外，添加不同抑煙阻燃劑對(duì)改性瀝青表面能參數(shù)影響較小，相較于無(wú)機(jī)阻燃劑ATH和MH，添加有機(jī)無(wú)鹵型抑煙阻燃劑AP 428的改性瀝青表面能總量較大.

2.3 集料表面能測(cè)試

采用蒸氣吸附法測(cè)試集料表面能.集料的表面能計(jì)算考慮了試劑在其表面的飽和擴(kuò)散壓力，計(jì)算所得輝綠巖集料表面能參數(shù)見表9.

表9 輝綠巖集料表面能參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.4 瀝青-集料匹配性指標(biāo)分析

完成瀝青與集料的表面能測(cè)試后，分別將兩者的表面能參數(shù)代入式(2)～(4)，計(jì)算瀝青自身的內(nèi)聚結(jié)合能、無(wú)水和有水條件下瀝青與集料的黏附結(jié)合能，再將上述計(jì)算結(jié)果代入瀝青-集料匹配性指標(biāo)公式，為

(6)

(7)

式中：ER1為未考慮瀝青內(nèi)聚結(jié)合能的匹配性指標(biāo)；ER2為考慮釋放瀝青內(nèi)聚結(jié)合能后的匹配性指標(biāo)，任一指標(biāo)計(jì)算值越大，則說(shuō)明瀝青與集料間黏附性越好.兩者計(jì)算結(jié)果見圖1.

圖1 瀝青-集料匹配性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由圖1可知：對(duì)于七種溫拌抑煙阻燃改性瀝青方案，兩種匹配性指標(biāo)之間的大小關(guān)系呈現(xiàn)一致性，由大到小依次為：方案2>方案3>方案1>方案4>方案5>方案6>方案7，說(shuō)明兩種匹配性指標(biāo)均能反映改性瀝青與集料間黏附性大小，由此確定方案2的溫拌抑煙阻燃改性瀝青與集料間黏附性最好，而方案7的黏附性最差.摻入不同種類的添加劑對(duì)瀝青-集料匹配性指標(biāo)有不同程度的影響，其中，與未摻入添加劑的方案1相比，方案2的匹配性指標(biāo)ER1和ER2分別提高了24.5%和24.8%，而方案7的匹配性指標(biāo)ER1和ER2分別降低了31.8%和36.1%.

3 水穩(wěn)定性能驗(yàn)證

3.1 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

選用工程實(shí)際中普遍采用的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證瀝青混合料水穩(wěn)定性.制備馬歇爾試件，養(yǎng)生后進(jìn)行試驗(yàn)，將計(jì)算所得的宏觀水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)列于表10，包括浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比兩種指標(biāo).

表10 不同改性方案的瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo) 單位：%

3.2 宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)與瀝青-集料匹配性指標(biāo)的聯(lián)系

將表10中的兩種瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)分別與圖1中的兩種瀝青-集料匹配性指標(biāo)建立聯(lián)系，其線性關(guān)系見圖2.由圖2可知：兩種匹配性指標(biāo)與兩種宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)之間存在正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均大于0.91，其中，浸水殘留強(qiáng)度比與匹配性指標(biāo)ER1和ER2的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.955 9和0.955 5.

圖2 浸水殘留和凍融劈裂強(qiáng)度比與瀝青-集料匹配性指標(biāo)關(guān)系

通過(guò)宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)與匹配性指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的結(jié)果一致，比較得出方案2為最佳瀝青改性方案，即摻加0.7%LQ 1102和14%AP 428的SBS改性瀝青與集料間黏附性最好，用其制備的瀝青混合料水穩(wěn)定性最優(yōu).由此可知，借助表面能方法可以定量評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性，從微觀能量角度出發(fā)，與瀝青混合料宏觀評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確且可靠度更高.

4 結(jié) 論

1) 摻入溫拌劑和抑煙阻燃劑會(huì)影響瀝青表面能大小，不同種類的添加劑對(duì)瀝青表面能分量影響不同.其中，LQ 1102溫拌劑提高了瀝青表面能非極性分量，LX 450溫拌劑降低了瀝青表面能非極性分量但提高了極性堿分量，并且，相較于無(wú)機(jī)阻燃劑ATH和MH，添加有機(jī)無(wú)鹵型抑煙阻燃劑AP 428的瀝青表面能總量有明顯提高.由此從微觀機(jī)理說(shuō)明了瀝青-集料黏附性存在差異的原因.

2) 通過(guò)計(jì)算不同方案的瀝青-集料匹配性指標(biāo)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)方案2的溫拌抑煙阻燃改性瀝青與輝綠巖集料黏附性最好，與未摻入添加劑的方案1相比，方案2的匹配性指標(biāo)ER1和ER2分別提高了24.5%和24.8%，即摻加0.7%LQ 1102溫拌劑和14% P 428抑煙阻燃劑的SBS改性瀝青制備的瀝青混合料水穩(wěn)定性最好.

3) 瀝青-集料匹配性指標(biāo)與瀝青混合料宏觀水穩(wěn)定性指標(biāo)之間具有良好相關(guān)性，因此可借助表面能理論從微觀角度評(píng)價(jià)不同溫拌抑煙阻燃改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并為工程實(shí)際中優(yōu)選瀝青與集料匹配方案提供合理可靠的評(píng)價(jià)方法.