林運達,邵鵬坤,石希信
(1.廣西田新高速公路有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)
排水瀝青路面以其良好的排水和降噪性能為海綿城市建設(shè)所青睞,在世界各國得到推廣。一般而言,道路工程采用開級配磨耗層(OGFC)作為排水路面的上面層。OGFC于20世紀(jì)60年代發(fā)軔于德國,在歐洲得到推廣,最終在全世界成為排水路面的主流路面結(jié)構(gòu)形式[1]。西班牙在1980—1990年間鋪筑了300萬m2OGFC路面,荷蘭每年鋪筑OGFC路面多達250萬m2,比利時OGFC路面總面積超過200萬m2,法國的OGFC路面每年增加約4.1萬m2[2-5]。
我國對OGFC路面的研究雖取得了一定的成果,但大多參考國外已有的經(jīng)驗,且作為OGFC混合料的關(guān)鍵材料——高黏改性瀝青的進口依賴性較強。OGFC混合料為骨架空隙結(jié)構(gòu),相較于密實型瀝青混合料更容易受到水損害,其水穩(wěn)定性和高溫性能依賴瀝青結(jié)合料的黏度[6]。因此,采用具有高黏度的瀝青結(jié)合料是OGFC路面成功應(yīng)用的關(guān)鍵所在。國內(nèi)對高黏瀝青的60 ℃黏度研究較多,所研究的高黏瀝青的黏度大多都能滿足2×106Pa·s的要求[7-8]。同時,國內(nèi)也有很多文獻對高黏瀝青膠漿的流變性能進行研究,取得了一系列的研究成果[9-10]。
本文通過對比分析國產(chǎn)高黏瀝青與國外優(yōu)秀高黏瀝青——TPS高黏瀝青的高溫流變特性差異,尋找替代進口高黏瀝青的可能性,為我國排水路面的建設(shè)提供參考。
基質(zhì)瀝青采用中海70#石油瀝青,高黏改性劑有兩種:國產(chǎn)高黏劑生產(chǎn)廠家為重慶交科,國外高黏劑為日本的TPS高黏改性劑。高黏劑摻量設(shè)置為瀝青質(zhì)量的4%、8%、12%(外摻)。高黏瀝青制作方法為:加熱基質(zhì)瀝青,溫度穩(wěn)定在150 ℃左右,在該溫度下保溫30 min,摻入高黏改性劑,利用高速剪切機高速剪切30 min,然后在150 ℃烘箱用錫紙蓋住發(fā)育10 min?;|(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1。
表1 70#瀝青檢測結(jié)果表
1.2.1 動態(tài)剪切流變試驗
動態(tài)剪切流變試驗測試原理為:對瀝青施加正弦剪切應(yīng)力或應(yīng)變,儀器記錄其應(yīng)變或應(yīng)力數(shù)據(jù),通過計算機獲得復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ,并以復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ兩個參數(shù)計算車轍因子G*/sinδ。本文試驗采用應(yīng)變控制模式,原樣瀝青應(yīng)變水平為12%,RTFOT瀝青應(yīng)變水平為10%,試驗溫度為64 ℃~82 ℃,間隔6 ℃。
1.2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗
多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(multiple stress creep recovery,MSCR)通過施加周期性的荷載,測試瀝青的蠕變恢復(fù)能力,以表征瀝青的高溫性能。荷載有兩個應(yīng)力水平,分別為0.1 kPa和3.2 kPa,其中0.1 kPa應(yīng)力水平循環(huán)加載20個周期,3.2 kPa應(yīng)力水平循環(huán)加載10個周期[11]。多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)AASHTO MP19-2010要求進行[12],試樣采用RTFOT后的瀝青。RTFOT根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)要求進行[13]。考慮到夏天路面溫度在50 ℃~70 ℃,因此溫度設(shè)置為64 ℃~76 ℃,間隔6 ℃。
多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗以0.1 kPa、3.2 kPa水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭u價瀝青結(jié)合料的高溫性能,以應(yīng)力敏感性指標(biāo)評價瀝青結(jié)合料的應(yīng)力敏感性。相關(guān)指標(biāo)計算方法見AASHTO MP19-2010規(guī)范。
在半對數(shù)坐標(biāo)上繪制兩種高黏瀝青車轍因子與溫度關(guān)系圖,相位角采用常規(guī)坐標(biāo)圖繪制,試驗結(jié)果見圖1~8。由圖1~8可知,高黏瀝青車轍因子在半對數(shù)坐標(biāo)上與溫度呈顯著線性關(guān)系,斜率越高,表明溫度敏感性越差,為分析兩種高黏瀝青的溫度敏感性,對車轍因子與溫度的關(guān)系進行擬合,結(jié)果見下頁表2、表3。
表3 國產(chǎn)高黏瀝青車轍因子與溫度擬合結(jié)果表
由圖1~8與表2~3可知:原樣狀態(tài)和老化狀態(tài)下,國產(chǎn)高黏瀝青與TPS高黏瀝青高溫動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果均有明顯差異,車轍因子與相位角隨溫度增加均呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性??傮w而言,TPS高黏瀝青車轍因子相較國產(chǎn)高黏瀝青高,但在64 ℃、70 ℃情況下相差較小,TPS高溫性能優(yōu)于國產(chǎn)高黏瀝青,且TPS高黏瀝青溫度敏感性優(yōu)于國產(chǎn)高黏瀝青,兩種高黏瀝青的溫度敏感性與摻量均無明顯相關(guān)性。值得注意的是,TPS高黏瀝青相位角隨摻量變化并非線性變化,4%摻量與8%摻量相差較小,而12%的摻量與4%摻量、8%摻量相比區(qū)分度明顯,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與TPS高黏瀝青的成分有關(guān),TPS高黏瀝青以橡膠為主要成分,再配以粘結(jié)性樹脂和增塑劑等,成分較為復(fù)雜。而本文選用的高黏瀝青主要成分為SBS,SBS瀝青相位角隨摻量變化區(qū)分度明顯。
圖1 TPS高黏瀝青原樣狀態(tài)下車轍因子與溫度關(guān)系曲線圖
圖2 國產(chǎn)高黏瀝青原樣狀態(tài)下車轍因子與溫度關(guān)系曲線圖
圖3 TPS高黏瀝青原樣狀態(tài)下相位角與溫度關(guān)系曲線圖
圖4 國產(chǎn)高黏瀝青原樣狀態(tài)下相位角與溫度關(guān)系曲線圖
圖5 TPS高黏瀝青老化狀態(tài)下車轍因子與溫度關(guān)系曲線圖
圖6 國產(chǎn)高黏瀝青老化狀態(tài)下車轍因子與溫度關(guān)系曲線圖
圖7 TPS高黏瀝青老化狀態(tài)下相位角與溫度關(guān)系曲線圖
圖8 國產(chǎn)高黏瀝青老化狀態(tài)下相位角與溫度關(guān)系曲線圖
表2 TPS高黏瀝青車轍因子與溫度擬合結(jié)果表
試驗結(jié)果見圖9~10。由圖9~10可知,兩種高黏瀝青在不同摻量下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1和Jnr3.2均隨溫度變化且呈相同變化趨勢,表明溫度對高黏瀝青高溫性能有較大的損害作用。與此同時,高黏劑摻量提高對高黏瀝青高溫性能提升有較大幫助。值得注意的是,當(dāng)溫度較低時(60 ℃、64 ℃),兩種高黏瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎钪递^小,而溫度達到76 ℃時,兩種高黏瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃砍霈F(xiàn)明顯差異。路面最高溫度大致在60 ℃~70 ℃,盡管國產(chǎn)高黏瀝青在76 ℃下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃苛佑赥PS高黏瀝青,但從實際應(yīng)用出發(fā),國產(chǎn)高黏瀝青替代進口高黏瀝青具備很大的可行性。
圖9 不同溫度下兩種高黏瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1對比柱狀圖
圖10 不同溫度下兩種高黏瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr3.2對比柱狀圖
(1)動態(tài)剪切流變試驗表明TPS高黏瀝青在車轍因子和溫度敏感性兩個方面均優(yōu)于國產(chǎn)高黏瀝青,但在64 ℃和70 ℃下差異并不明顯。
(2)TPS高黏瀝青摻量提高與相位角的減小規(guī)律較為復(fù)雜,而國產(chǎn)高黏瀝青摻量與相位角呈良好線性關(guān)系。
(3)64 ℃和70 ℃下國產(chǎn)高黏瀝青與TPS高黏瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎町愝^小,但76 ℃下差異較大,表明TPS高黏瀝青能承受更極端的溫度條件。
(4)考慮到路面實際最高溫度在60 ℃~70 ℃,極端高溫天氣并非常態(tài),可在高溫環(huán)境并不極端的條件下采用國產(chǎn)高黏瀝青替代進口高黏瀝青。