李戰(zhàn)春,李育林,賴 軍,雷雨龍,孟勇軍

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001； 2.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004)

0 引言

瀝青混合料在生產(chǎn)攪拌過程中受到攪拌軸葉片形狀大小、攪拌速率等因素影響造成混合料離析、瀝青與集料黏附效果差等現(xiàn)象，嚴重影響瀝青混合料在實際工程中的運輸攤鋪效果和路用性能[1-2]，良好的均勻性和物料黏結(jié)性是確保瀝青混合料具有優(yōu)異性能的重要保障[3-5]。目前改善瀝青混合料性能常用的方法是通過添加改性劑提高混合料強度[6-7]、優(yōu)化級配提高混合料整體性[8-10]。也有部分學(xué)者通過優(yōu)化攪拌方法改善瀝青混合料性能，例如郝玉飛[11]通過梯次拌和工藝提高了AC-16瀝青混合料質(zhì)量；KOK[12]先將瀝青預(yù)涂在粗集料表面，再將其與剩余物料混合，這種兩相混合方法有效提高了AC混合料的各項性能指標。以上研究在一定程度上提高了瀝青混合料的使用性能，但工藝較為復(fù)雜，且尚未深入瀝青與集料攪拌過程中的黏結(jié)狀況。

振動攪拌是一種強化混合料攪拌過程的有效方法，其通過強化混合料宏觀運動從而可增強物料混合程度，并改善混合料結(jié)構(gòu)形成過程，顯著提高混合料生產(chǎn)攪拌質(zhì)量和效率[13-14]。許多學(xué)者將振動攪拌技術(shù)應(yīng)用于水泥混凝土當中，通過試驗發(fā)現(xiàn)振動攪拌顯著改善了水泥混凝土的力學(xué)性能、有效縮短了攪拌時間、在保證強度基礎(chǔ)上節(jié)約了水泥用量[15-18]。瀝青混合料與水泥混凝土相類似，都具有多相、多孔、高度不均勻和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特性，本文通過將振動攪拌技術(shù)應(yīng)用于瀝青混合料當中，對于增強瀝青混合料在細觀和宏觀上混合均勻、提高瀝青混合料拌合工作效率具有積極意義。

對于SBS改性瀝青而言，其良好的高黏特性使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性得到顯著提高[19-20]，但SBS改性瀝青的高黏性不利于集料與瀝青在攪拌過程充分混合。為改善SBS改性瀝青混合料的均勻性，提高瀝青混合料的力學(xué)性能和路用性能，本文首先分析振動波能量對SBS改性瀝青的降黏效果，其次針對不同振動頻率攪拌方式下SBS改性瀝青混合料的性能進行綜合分析，最后探討振動攪拌得到的瀝青混合料在極端環(huán)境條件下的適用性，為振動攪拌技術(shù)在瀝青混合料的生產(chǎn)施工中提供理論支撐。

1 試驗設(shè)備及原材料

1.1 試驗設(shè)備

本試驗用于測試瀝青黏度與振動作用關(guān)系的試驗裝置如圖1所示，通過調(diào)整小型振動臺的振幅和頻率實現(xiàn)對瀝青的振動加載，布氏黏度計用于測定振動加載過程中瀝青的黏度。瀝青攪拌機為軸振動強制式攪拌機，如圖2所示。該攪拌機不同于外殼激振的整體式振動攪拌機，其振源位于攪拌軸上的葉片，攪拌時葉片將振動能量傳遞到瀝青混合料。外殼激振的整體式攪拌機是將振動能量從外殼傳遞到攪拌中心，并且能量在傳遞過程會不斷衰減，攪拌中心的混合料只能受到微弱的振動作用，而軸振動強制式攪拌機的振動能量傳輸機理如圖3所示，振動能量以葉片為中心擴散到外殼上，這確保了瀝青混合料能夠完全受到振動波能量作用，極大提高了能量的傳遞效率。

圖1 測試振動作用下瀝青黏度的裝置

圖2 軸振動強制式攪拌機

圖3 振動能量傳遞示意圖

1.2 原材料及混合料級配

SBS改性瀝青性能依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)測試得到的基本性能如表1所示。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E43—2005)測定得到的輝綠巖基本性能如表2所示。SBS瀝青混合料類型為密級配AC-13瀝青混合料，礦料級配取AC-13級配中值，級配曲線如圖4所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標

表2 輝綠巖技術(shù)指標

圖4 AC-13級配曲線

2 試驗方法

2.1 基于振動波能量作用瀝青降黏測試試驗

通過控制振動臺輸出不同振動幅值和振動頻率測定振幅和振頻對瀝青黏度的作用效果，首先將振動臺輸出特定的振動頻率，待振頻穩(wěn)定后調(diào)節(jié)功率和電壓確定振動臺振幅。瀝青降黏程度通過式(1)確定。

(1)

式中：k為降黏率，%；λ1為靜止狀態(tài)下瀝青黏度，mPa·s；λ2為振動狀態(tài)下瀝青黏度，mPa·s。

2.2 測定不同振頻作用下瀝青混合料最佳油石比

為了確定振動作用下密級配SBS瀝青混合料的最佳油石比，分別添加油石比為4%、4.5%、5%、5.5%、6%的瀝青用量，試驗拌合溫度設(shè)置為180 ℃，振動攪拌過程中轉(zhuǎn)數(shù)為(35±0.5)r/min，振動頻率分別設(shè)置為0、10、20、30、40、50 Hz。

2.3 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗

瀝青路面在高溫和重載作用下容易產(chǎn)生車轍破壞，本試驗的目的是為了對比評價常規(guī)攪拌和不同振動頻率攪拌制備得到的瀝青混合料的高溫抗變形性能。

2.4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗

水分在本文用到的密級配混合料結(jié)構(gòu)中無法有效地排出，隨著時間的推移水分會侵入到瀝青與集料之間，使黏附力下降，從而導(dǎo)致集料脫落。為此，通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂實驗對比評價振動攪拌與無振動攪拌得到的瀝青混合料水穩(wěn)定性能。

2.5 極端條件下瀝青混合料性能測試試驗

本文在已有試驗的基礎(chǔ)上設(shè)置了3種更加嚴格的試驗條件，進一步探討振動攪拌與傳統(tǒng)攪拌得到的瀝青混合料在極端環(huán)境下的適用性能。

考慮到實際工程中溫度和荷載是造成瀝青路面車轍破壞的主要因素，同時路面潮濕程度也在一定程度上影響瀝青混合料抗車轍變形能力的大小[21]，本文在標準車轍試驗的基礎(chǔ)上分別改變溫度、荷載和濕度的大小用于模擬極端高溫、極端重載和極端潮濕的試驗環(huán)境。極端高溫環(huán)境是保持試驗輪的接觸壓強0.7 MPa不變，將試驗溫度由60 ℃提升至70 ℃；極端重載環(huán)境是保持試驗溫度60 ℃不變，將試驗輪的接觸壓強由0.7 MPa提高到1.4 MPa；極端潮濕環(huán)境是保持試驗溫度60 ℃和試驗輪接觸壓強0.7 MPa不變，將成型的瀝青混合料試件浸沒在60 ℃水中保持5 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 振幅、振頻與瀝青降黏率變化關(guān)系

通過調(diào)整振動臺參數(shù)調(diào)節(jié)試驗過程中的振頻和振幅，分別測定了SBS改性瀝青在10、20、30、40、50 Hz振動作用下瀝青降黏率與振動幅值變化情況，試驗結(jié)果如圖5所示，受到儀器和試驗條件限制，在增大頻率的同時提高振動幅值的能力有限，因此試驗得到的數(shù)據(jù)點有限。

(a)10 Hz

由圖5可以看出振動波能量可以降低SBS改性瀝青的黏度，在同一頻率下降黏率與振動幅值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。SBS改性瀝青分子間具有強力的黏結(jié)作用力，微觀層面上呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，振動波在一定程度上破壞了瀝青分子之間的作用力，破壞程度隨著振幅的增加而增加，宏觀表現(xiàn)為瀝青的流動性增強。比較圖5(a)和5(b)可以看出在同一振動幅值3 mm作用下，20 Hz的降黏率較10 Hz增加了5%；同樣比較圖5(b)和5(c)在振幅為2 mm情況下，30 Hz的降黏率較20 Hz提高了2%；結(jié)合圖5(c)～(e)可以看出在同一振動幅值下30、40和50 Hz所產(chǎn)生的降黏效果幾乎一致。

3.2 瀝青混合料最佳油石比的確定

測量無振動攪拌得到的SBS改性瀝青混合料馬歇爾試件穩(wěn)定度、流值、毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度6個參數(shù)，然后分析得到SBS改性瀝青摻量與上述6個參數(shù)之間的關(guān)系，最終可以得到最佳油石比為5.1%。同樣按照無振動攪拌作用下確定SBS瀝青混合料最佳油石比的過程，可以得到在10、20、30、40、50 Hz振動作用下SBS瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、4.8%、4.7%、4.7%和4.8%。振動作用的加入顯著降低了SBS改性瀝青混合料的最佳油石比，節(jié)省了瀝青的用量。究其原因是因為振動作用使得集料與瀝青的黏附面積增大，集料間的黏結(jié)能力增強，有效瀝青比例含量增加導(dǎo)致瀝青的總用量減少。50 Hz作用下的最佳油石比與20 Hz相同，30 Hz與40 Hz振頻能夠?qū)⒆罴延褪冉档偷阶钚?，通過振動作用達到降低最佳油石比的效果是可行的。

3.3 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

根據(jù)不同振動頻率下SBS改性瀝青混合料最佳油石比制備試件進行標準車轍試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同振動頻率下瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果

由圖6可以看出無振動攪拌作用得到的車轍試件的動穩(wěn)定度最小，加入振動作用后動穩(wěn)定度均提高了1 000次·mm-1以上。且在10～40 Hz頻率范圍之內(nèi)，動穩(wěn)定度與頻率呈正相關(guān)，在40 Hz時達到峰值。當頻率增加到50 Hz后，動穩(wěn)定度反而下降，相當于20～30 Hz所達到的效果。由此可見增加振動頻率可以提高SBS改性瀝青混合料的抗車轍能力，但單純的提高振動頻率并不能一直增強其抵抗車轍變形能力，通過試驗可以得到40 Hz的振動攪拌作用可以使瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到最佳。

3.4 瀝青混合料水穩(wěn)定性能

依據(jù)不同振動頻率作用下SBS改性瀝青混合料最佳油石比制備試件，并按照規(guī)范規(guī)程進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，實驗結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 不同振動頻率下瀝青混合料的浸水穩(wěn)定度試驗結(jié)果

圖8 不同振動頻率下瀝青混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果

由圖7可以看出常規(guī)攪拌得到的SBS改性瀝青混合料標準穩(wěn)定度為10 kN，浸水后測得的殘留度僅為83.3%，而在攪拌過程中加入振動作用后，瀝青混合料的標準穩(wěn)定度得到不同程度的提升，尤其是頻率達到40 Hz時試件標準穩(wěn)定度達到15.7 kN，浸水殘留穩(wěn)定度比0 Hz提高了9%，50 Hz振動作用達到的效果類似于10 Hz與20 Hz之間達到的效果。振動作用使瀝青混合料標準穩(wěn)定度得到提高的同時，浸水后其穩(wěn)定度仍維持在較高水平，振動攪拌得到的瀝青混合料水穩(wěn)定性能更為優(yōu)異。

由圖8可知當振動頻率為10～40 Hz時常規(guī)劈裂和凍融劈裂抗拉強度值均隨頻率不斷提高而增加，在40 Hz時達到最大值，40 Hz處的常規(guī)劈裂和凍融劈裂抗拉強度值較0 Hz分別提高了22.4%和28%，而50 Hz相當于20 Hz至30 Hz之間所達到的效果。振動攪拌得到的瀝青混合料在經(jīng)過凍融循環(huán)后其抗拉強度比均大于無振動攪拌得到的瀝青混合料，且40 Hz的瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比大于90%。

與SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果相同，振動攪拌技術(shù)同樣提高其水穩(wěn)定性能，并且在振動頻率為40 Hz時SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能同時達到了最大值。

3.5 極端條件下瀝青混合料性能

由上述試驗可以得出30 Hz與40 Hz振動頻率下得到的瀝青混合料較其他振動頻率有更優(yōu)異的性能，因此極端條件下的試驗僅采用0、30和40 Hz振動攪拌得到的SBS改性瀝青混合料?；跇O端環(huán)境條件下的試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 極端環(huán)境下瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果

由圖9可看到在極端高溫、極端重載、浸水環(huán)境條件下各試件的動穩(wěn)定度均小于6 000次/mm，在70 ℃+0.7 MPa條件下無振動作用的瀝青混合料動穩(wěn)定度僅有2 199次/mm，而振動頻率為30 Hz和40 Hz的瀝青混合料動穩(wěn)定度分別提高了87.9%和121%，結(jié)果表明振動攪拌較常規(guī)攪拌得到的瀝青混合料在極端高溫條件下抗車轍能力更強。在60 ℃+1.4 MPa極端重載條件下瀝青混合料的動穩(wěn)定度大幅度下降，常規(guī)攪拌得到的混合料動穩(wěn)定度僅有1 124次/mm，30 Hz和40 Hz作用得到的瀝青混合料動穩(wěn)定度均較0 Hz提高了一倍以上。浸水車轍試驗結(jié)果與高溫車轍試驗結(jié)果相類似，30 Hz與40 Hz振動攪拌得到的瀝青混合料動穩(wěn)定度較0 Hz分別提高了81.9%和1.06%。試驗結(jié)果表明振動攪拌較傳統(tǒng)攪拌得到的瀝青混合料在極端高溫、極端重載和極端潮濕環(huán)境下抵抗車轍變形的能力更強。

常規(guī)無振動的瀝青混合料拌合過程中，不可避免的有細粒礦料被瀝青膜包裹形成團粒，而團粒內(nèi)部的礦料間無瀝青黏結(jié)，這種團粒的存在會削弱混合料的黏結(jié)力從而降低其受力性能。在攪拌過程中加入振動作用能夠大幅度降低拌合不均勻所形成的團粒，其原因在于振動源會帶動周圍的瀝青混合料受迫振動，團粒受到振動作用的影響會分散開，使得瀝青與礦料間的接觸面積增大，且振動頻率越大振動波輻射的范圍就越廣，攪拌得到的瀝青混合料分散更為均勻。同時振動作用還會使得集料表面存在的雜質(zhì)脫離，并且礦料本身存在的微小裂縫被打開，從而增大集料與瀝青的有效接觸面積，瀝青混合料中的結(jié)合瀝青比例增大且自由瀝青比例下降，從而使得瀝青混合料有更加優(yōu)異的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

本文研究了振動波能量對SBS改性瀝青及其混合料的作用效果，探究了不同振動頻率對SBS改性瀝青混合料的最佳油石比、高溫抗車轍能力和水穩(wěn)定性的影響，深入研究了振動攪拌得到的瀝青混合料在極端環(huán)境條件下的適用性情況，主要結(jié)論如下：

a.同一振頻條件下振幅與瀝青降黏率呈正相關(guān)，同一振幅下振動頻率大于30 Hz能夠使瀝青降黏效果達到最佳。在瀝青混合料性能滿足要求的條件下振動攪拌可降低瀝青用量。

b.在攪拌過程中加入振動作用使得瀝青與集料間的黏結(jié)更強，提高了瀝青混合料的高溫抗車轍能力以及抗水損害性能。在10～40 Hz時隨著振動頻率的提高，試件的車轍動穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、凍融劈裂強度不斷增大，50 Hz相當于20～40 Hz所達到的效果。

c.在本文設(shè)置的極端環(huán)境條件下，30 Hz和40 Hz振動攪拌得到的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能均較常規(guī)攪拌的瀝青混合料提高了80%以上，振動攪拌得到的瀝青混合料更適用于瀝青路面服役過程中的極端環(huán)境條件。

d.單純的提高振動頻率并不能一直提高瀝青混合料力學(xué)性能，本試驗研究推薦40 Hz作為SBS改性瀝青混合料最佳的振動頻率。