雷正陽 汪福松 常郗文
(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325; 2.武漢理工大學材料科學與工程學院 武漢 430070)
隨著我國道路交通建設事業(yè)的飛速發(fā)展,截止2016年年底,我國公路總里程已達469.63萬km,公路養(yǎng)護里程459.00萬km,占公路總里程97.7%[1]。瀝青路面由于具有行車平穩(wěn)舒適、低噪音、易施工維護等優(yōu)點而被廣泛應用,但在各種復雜環(huán)境、氣候條件、交通荷載等因素的影響下,瀝青路面不可避免地出現(xiàn)了各類病害,導致其各項路用性能及服役壽命大打折扣。
應用于瀝青路面工程的預養(yǎng)護技術中,霧封層施工工藝簡單,開放交通迅速,是預防公路早期破壞最有效的技術之一,且霧封層技術自身具有系統(tǒng)、嚴密、工藝精確、效果良好的施工技術特點,方便在國內瀝青路面預防性養(yǎng)護中推廣應用[2-3]。
霧封層技術是將瀝青路面養(yǎng)護劑等流體狀材料噴灑到瀝青路面,從而封閉路面空隙并穩(wěn)定松散集料。特別是專用瀝青再生處治材料(再生劑)的出現(xiàn),極大地提高了霧封層預養(yǎng)護對路面老化瀝青的再生養(yǎng)護效果。再生劑材料可擴散到舊瀝青路面結構中,通過更新或還原表面已氧化的瀝青材料而激活老化瀝青[4],然后降低瀝青膠結料的老化程度并部分恢復其抗變形性能、延長路面使用壽命。
本文選取2種商用瀝青再生劑A和B對老化瀝青的再生性能進行評價,首先在實驗室通過分析A和B自然蒸發(fā)曲線,確定2種再生劑中易揮發(fā)小分子組分的相對含量高低,然后通過瀝青動態(tài)剪切流變儀(DSR)和彎曲梁流變儀(BBR)對樣品的感溫性進行評價,從而判斷2種再生劑對老化瀝青的高、低溫性能影響,進而確定其適宜摻量,判定2種再生劑對老化瀝青的再生性能。
本研究使用的2種瀝青再生劑的基本參數(shù)見表1,實驗中所用瀝青為AH-70號道路石油瀝青,各項基本參數(shù)見表2。
表1 2種再生劑A和B的基本參數(shù)
表2 AH-70號瀝青基本參數(shù)
1.2.1自然蒸發(fā)實驗
在實際工程應用中,再生劑長時間受自然環(huán)境的作用,很多組分會在紫外線、雨水沖刷等因素影響下產(chǎn)生氧化并加速揮發(fā)[5],而留在瀝青混合料中起再生效果的成分逐漸減少,對路面的修復功效也逐漸減弱,根據(jù)其自然蒸發(fā)的殘留成分量,可以判斷再生劑在舊瀝青路面中發(fā)揮再生作用組分的量的變化規(guī)律。本實驗在旋轉烘箱中分別放入2種再生劑A和B并恒溫60 ℃,間隔時間t稱量其質量變化情況,得出自然蒸發(fā)曲線,見圖1。
圖1 再生劑A、B自然蒸發(fā)曲線
1.2.2感溫性能
由于實驗是基于霧封層技術探究再生劑的性能,故根據(jù)養(yǎng)護實施原理,將老化瀝青表面全部涂抹再生劑作為添加的最大摻量,由于球體比表面積最小,所以將一定質量瀝青成型為球狀,然后稱量浸入再生劑前后的質量差,得到A與B的最大摻量分別為瀝青的8.4%和10%。實驗按照最大摻量進行3等分作為摻加的梯度對比,見表3。
表3 再生劑摻量占瀝青質量分數(shù)表 %
1) DSR測試。瀝青是一種粘彈性材料,其性能參數(shù)具有較大的溫度依賴性,而反映瀝青這種性能參數(shù)隨溫度變化程度的感應性稱為感溫性[6]。動力剪切流變儀(DSR)是SHRP試驗中評價瀝青材料高溫及抗疲勞性能的重要試驗方法,其基本原理見圖2。實驗目的是探究樣品高溫流變性,故選擇溫掃模式,試驗具體參數(shù)見表4。
圖2 DSR基本原理示意圖
表4 高溫溫度掃描參數(shù)
試驗考察不同樣品在30~80 ℃內復數(shù)剪切模量G*和相位角δ變化規(guī)律,然后取車轍因子的常用對數(shù)lg(G*/sinδ)與溫度做線性回歸,線性回歸方程見式(1),對回歸方程斜率的絕對值(GTS)變化規(guī)律進行分析,GTS值越小,說明G*/sinδ隨溫度變化幅度越小,則再生瀝青在高溫條件下的感溫性能越好。
(1)
式中:G*/sinδ為車轍因子,kPa;t為溫度,℃;K1為回歸常數(shù);GTS為方程斜率的絕對值。
2) BBR測試。低溫開裂為我國北方地區(qū)瀝青路面的主要破壞形式之一,由于氣候寒冷晝夜溫差較大,瀝青混合料中形成的溫度應力若超過路面材料的極限抗拉強度,則會產(chǎn)生開裂破壞[7]。瀝青的低溫性能評價方法中BBR試驗主要測量瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的勁度,其基本原理見圖3所示。
圖3 BBR基本原理示意圖
根據(jù)SHRP性能規(guī)范要求,60 s時的勁度模量S不大于 300 MPa,m值不小于0.30,試驗在-12 ℃條件下考察樣品的低溫抗裂性能,并可得到2個數(shù)據(jù):S即蠕變勁度模量,表示瀝青混合料抵抗永久變形的能力;m即蠕變速率,表示瀝青在低溫時應力松弛能力。
由圖1自然蒸發(fā)曲線可知,在60 ℃的條件下,再生劑A、B在90 min之前,揮發(fā)速率很快,在100~150 min時間段內2條曲線的斜率絕對值均減小得很快,隨后再生劑的揮發(fā)速率均逐漸減小,趨于不變;圖中A的揮發(fā)量一直低于B,而道路瀝青在服役過程中產(chǎn)生老化,其內部組分變化主要趨于瀝青質增加,而輕質組分如飽和酚和芳香酚含量減少[8-10],故分析預測再生劑B中產(chǎn)生主要調和作用的輕質組分含量更高,對恢復老化瀝青化學組成之間的配伍性有更好的效果,然而在外界溫度升高的過程中,B的有效成分會迅速減小,推測其耐高溫性能比A差,而在中低溫環(huán)境下其再生性能優(yōu)于A。
瀝青路面在高溫條件下需要有足夠的彈性,進而利于彈性形變的恢復,因此在SHRP規(guī)范中用車轍因子G*/sinδ來評價瀝青的高溫性能。在一定高溫條件下,G*/sinδ越大表明瀝青的抗車轍性能越好,耐高溫性能更優(yōu)。圖4是8種樣品DSR測試的高溫車轍因子情況。
圖4 高溫條件下各樣品車轍因子
由圖4可以看出,在30~55 ℃區(qū)間內,各樣品車轍因子從大到小排列順序依次是:原樣>老化樣>B3樣>B2樣>A3樣>B1樣>A2樣>A1樣,而在55~80 ℃區(qū)間,8組樣品的車轍因子均趨于0。分析對比曲線的走向可得以下結論。
1) 再生劑A、B對老化瀝青的高溫抗車轍性能未有提升作用,且隨著A,B的加入其車轍因子會不同程度地減小。這是因為瀝青再生劑主要成分是輕質油性物質,其作用主要是將老化變硬的瀝青軟化,同時瀝青老化過程中其飽和酚和芳香酚的含量會減少,而瀝青質含量會變大,所以添加再生劑起組分調和作用,然而高溫抗車轍性能是評價瀝青在高溫情況下復合模量能否變大,即在相同應力下要求應變越小越好,再生劑的加入使瀝青變軟則會讓復合模量變小,因此曲線反映出的流變性能變化規(guī)律正確。
2) 再生劑B的高溫抗車轍性能優(yōu)于A,但隨著再生劑摻量的增大,A和B抗車轍性能均會下降。這是因為隨著溫度的升高,A殘留在瀝青中的有效成分比B多一些,即A對老化瀝青的軟化效果更強一些,故A的復合模量較小,同理隨著摻量的遞增,再生劑的有效成分也會遞增,即軟化效果也會一同升高,所以其抗車轍能力弱一些。
3) 在55~80 ℃高溫條件下,各組樣品基本均為流體狀態(tài),加入再生劑后對瀝青的作用效果甚微。這是因為再生劑主要成分是低標號的瀝青和輕質油分,在55~80 ℃下其有效成分基本與瀝青組成成分一樣,區(qū)別效果難以對比。
對車轍因子的常用對數(shù)lg(G*/sinδ)進行線性回歸擬合,根據(jù)式(1)可得具體參數(shù)見表5。
表5 各樣品GTS
表中GTS值最大為老化樣,最小為B1樣品,同時A系列樣品普遍比B系列樣品的GTS值低。分析對比各GTS值可得以下結論。
1) 再生劑在高溫條件下對樣品的感溫性能有提升作用,且在摻加A和B后老化瀝青的高溫感溫性能得到大幅提升,普遍超過原樣基質瀝青。這是由于摻加再生劑后,老化瀝青的輕質組分含量上升,使老化瀝青的路用性能、流變性、溫度敏感性等均有不同程度的提升。
2) A系列再生劑GTS值均低于B,即其高溫感溫性高于B,且隨著2種再生劑摻量的遞增,其高溫感溫性也呈現(xiàn)遞增規(guī)律。這是因為A系列高溫條件下蒸發(fā)殘留成分高于B,故而擴散改善老化瀝青的效果增強。同理再生劑的摻量遞增,激活老化瀝青的效果也強一些。
3) 瀝青老化樣的GTS最大值為0.063 5,A再生劑摻量最大時得到最小GTS值0.064 1,說明瀝青材料在一定服役年限后通過噴灑合適再生劑,可提升其高溫溫度敏感性。
8組樣品進行BBR試驗得到的蠕變勁度模量S和蠕變速率m值數(shù)據(jù),分析對比各樣品S值見圖5,可得如下結論。
1) 2種再生劑摻入對瀝青的低溫抗裂性能均有較好的改善作用。這是因為再生劑滲透擴散進老化瀝青后,可較好地調節(jié)各個組分含量,中低溫條件下能夠提升其粘彈性,改善其低溫抗裂性能。
2) 再生劑A的S值普遍小于B,說明低溫條件下再生劑A對老化瀝青的軟化再生效果比B要強一些。S值越小表示在同等應力條件下應變越大,即瀝青在低溫條件下有合適柔性避免過脆而斷裂。
3) 2種再生劑的摻量越多,其S值越小,這表示在一定摻量范圍內(小于瀝青質量10%),再生劑摻加越多,與瀝青相互擴散作用的再生成分越多。對老化瀝青的再生效果越好。
圖5 各樣品的S值
分析對比表中各樣品m值繪制成圖6,可得以下結論。
1) 再生劑B對老化瀝青的m值改善效果更明顯,而再生劑A在低溫條件下對m值改善效果不佳。同時隨著2種再生劑摻量的增加,A的m值變化規(guī)律性不強,說明再生劑A對低溫條件下樣品的感溫性能效果不明顯。
2) A在低溫條件下m值普遍低于老化瀝青樣品,且在摻量為瀝青質量5.6%時得到最小m值,這說明A在低溫條件下對老化瀝青的感溫性沒有提升效果。同時,B在低溫條件下m值普遍高于原樣瀝青,且在摻量為瀝青質量5.6%時得到最大m值,說明B在低溫條件下有良好的感溫性。表明瀝青材料在一定服役年限后通過噴灑合適再生劑,能夠提升其溫度敏感性和蠕變速率。
圖6 各樣品m值
瀝青路面預養(yǎng)護技術發(fā)展對道路建設施工等各方面均有極大影響,而制備高效瀝青再生劑并對其再生效果做出有效評價,是對路面進行有效預養(yǎng)護工作的前提。本文通過瀝青感溫性分析,協(xié)同評價再生劑的再生效果,為以后公路建設預養(yǎng)護提供參考。
自然蒸發(fā)曲線分析結果表明,再生劑B中的易揮發(fā)組分量高于A,則在實際應用過程中,B所含的輕質易揮發(fā)組分高于A,有效的再生調和組分含量高于A,對老化瀝青的再生效果更優(yōu)。
感溫性能實驗結果表明,高溫條件下再生劑對老化瀝青的耐高溫性能改善效果不佳,但再生劑A可較好地提升老化瀝青的感溫性;低溫條件下,2種再生劑對老化瀝青的抗裂性能均有提升,且再生劑B對低溫感溫性有很好的改善效果。綜合感溫性能試驗可知,在年均溫度較高的地區(qū)適宜用再生劑A,而在年均溫度較低如我國北方地區(qū),適宜用再生劑B進行養(yǎng)護再生。
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