張樹文,范金成,樊 亮,張 銳,周海防,韓 凌,李永振**

(1.山東高速建材集團有限公司,山東 濟南 250098;2.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟南 250102;3.山東省高速養(yǎng)護集團有限公司,山東 濟南 250001;4.山東高速物資集團有限公司,山東 濟南 250098)

乳化瀝青的常溫施工、節(jié)約資源、減少排放的特點決定了其良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益,其使用也成為了道路建設(shè)和養(yǎng)護中的重要手段之一。近幾年來,以改性乳化瀝青和特種乳化瀝青為革新,以精細化、專業(yè)化施工設(shè)備為手段,實現(xiàn)了乳化瀝青在道路建設(shè)、養(yǎng)護中的新用途,如復(fù)合碎石封層、高滲透乳化瀝青透層、冷再生技術(shù)、冷拌瀝青混合料、超薄罩面等。其中,封層用乳化瀝青的創(chuàng)新隨著養(yǎng)護和預(yù)防性養(yǎng)護的需要而蓬勃發(fā)展[1-7]。

傳統(tǒng)意義上,封層是在道路面層上依次灑布乳化瀝青和單一粒徑的集料,形成單層或多層的碎石薄層結(jié)構(gòu);既能封閉瀝青面層表面空隙,也能防止水分侵入面層或基層,分為上封層和下封層;可用于加鋪磨耗層、應(yīng)力吸收層、防水黏結(jié)層等。但是,普通乳化瀝青一般由于固含量低、黏結(jié)能力弱,不能滿足較高的路用養(yǎng)護要求。在此背景下,一些聚合物彈性體被用于瀝青改性,常見的有丁苯橡膠(SBR,又稱聚苯乙烯-丁二烯共聚物)、熱塑性彈性體(SBS,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)等?；诰酆衔飶椥泽w的改性型乳化瀝青和相應(yīng)的養(yǎng)護技術(shù)相對傳統(tǒng)的普通乳化瀝青更具有優(yōu)勢,如微表處[8-15]用的SBR改性乳化瀝青(SBR乳化瀝青)、超表處[16-18]封層用的特征乳化高黏瀝青(EHV乳化瀝青)和封層用高聚合物再生型乳化瀝青(PMRE乳化瀝青)[19]等。這些材料通常具有高固含量的特點,但在材料組成上有較大的差異,因此工作性不同、殘留物性質(zhì)和路用性能也迥異。

本文以三種乳化瀝青為研究對象,著重利用動態(tài)剪切流變儀表征乳化瀝青的流體特性、工作特性和殘留物性質(zhì);針對SBR微表處、EHV超表處、PMRE碎石封層等預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)特點,對比分析三類乳化瀝青膠結(jié)料的性質(zhì)差異,總結(jié)對應(yīng)養(yǎng)護技術(shù)的適用性。

1 實驗部分

1.1 原料

SBR乳化瀝青:拌和型乳化瀝青,山東高速建材集團有限公司,由聚苯乙烯-丁二烯共聚物膠乳、基質(zhì)瀝青與乳化劑水溶液經(jīng)膠體磨制備而成;PMRE乳化瀝青:高聚合物再生型乳化瀝青,山東高速建材集團有限公司,采用某高分子聚合物彈性體膠乳和多種再生劑對瀝青復(fù)合改性后與乳化劑水溶液經(jīng)膠體磨制備而成;EHV乳化瀝青:乳化高黏瀝青,山東大山路橋工程有限公司,由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物彈性體將基質(zhì)瀝青改性成高黏瀝青后和乳化劑水溶液經(jīng)膠體磨制備而成。三種改性乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 儀器及設(shè)備

動態(tài)剪切流變儀:AR2000ex型,美國TA公司。

1.3 分析測試

流變實驗的目的在于模擬一定的溫度和加載環(huán)境,獲取乳化瀝青流體性質(zhì)以表征材料的穩(wěn)定性、涂敷能力和工作性;獲取乳化瀝青殘留物的黏彈參數(shù)以表征材料的高溫、低溫和疲勞性能等。實驗分為乳化瀝青流體性質(zhì)的流變實驗和蒸發(fā)殘留物的流變實驗。

1.3.1 流體性質(zhì)流變實驗

(1)流體法向力實驗

實驗采用Peakhold流體實驗?zāi)Ｊ?使用25 mm平板,間隙距離1 mm,溫度為35 ℃,剪切頻率為6.81 /s(相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)黏度計20 r/min),獲取1 h內(nèi)法向應(yīng)力變化數(shù)據(jù)。

(2)時間掃描實驗

采用小應(yīng)變、低頻震蕩條件模擬乳化瀝青的時間依賴的穩(wěn)定性。使用25 mm平板,間隙1 mm;應(yīng)變?yōu)?%,頻率為0.5 rad/s,溫度為50 ℃。獲取模量(G*)和相位角參數(shù)。

(3)溫度掃描實驗

用來模擬乳化瀝青流體性質(zhì)與溫度的關(guān)系,考察升溫過程中的破乳過程。使用25 mm平板,間隙為1 mm、應(yīng)變?yōu)?%、頻率為10 rad/s、溫度范圍為25～60 ℃;溫度步長為1 ℃。獲取G*和相位角參數(shù)。

1.3.2 蒸發(fā)殘留物流變實驗

乳化瀝青蒸發(fā)殘留物實驗按照JTG E20-2011(T 0651)[20]進行測試,獲取殘留物后,進行殘留物的流變實驗。

(1)溫度掃描實驗

用來評價乳化瀝青殘留物的溫度敏感性。采用25 mm平板,間隙為1 mm、應(yīng)變?yōu)?%、頻率為10 rad/s、溫度范圍為34～82 ℃、溫度步長為2 ℃。

(2)頻率掃描實驗

用來評價乳化瀝青殘留物的高溫性能。采用25 mm平板,間隙為1 mm、應(yīng)變?yōu)?%、頻率為0.01～25 Hz、溫度范圍為58～76 ℃、溫度步長為3 ℃。

(3)疲勞實驗

用來評價乳化瀝青殘留物的耐疲勞性能。采用8 mm平板,間隙為2 mm、應(yīng)變?yōu)?0%、頻率為10 rad/s、溫度為25 ℃,當(dāng)測試樣品的復(fù)數(shù)剪切模量降至初始值的50%時,認為發(fā)生疲勞損壞,此時對應(yīng)的荷載作用次數(shù)作為樣品疲勞壽命。

2 結(jié)果與討論

2.1 流體實驗

2.1.1 法向力與涂敷能力

當(dāng)材料受到剪切作用時,由于自身彈性作用而在垂直剪切方向上產(chǎn)生法向應(yīng)力。在涂敷材料的性能表征和區(qū)分中,更希望利用低法向力的產(chǎn)品;材料黏度一樣時,法向力低者更能帶來好的涂敷效果。這個認識在乳化瀝青應(yīng)用中也具有參考意義。

圖1為三種乳化瀝青的法向力和時間的關(guān)系圖,可以看到:在35 ℃條件下,隨著時間的延長,三者法向力發(fā)生了較大的變化,PMRE、EHV乳化瀝青的法向力具有明顯的衰減特征,而SBR乳化瀝青的法向力則遠高于前兩者、且隨著時間呈現(xiàn)增長趨勢。這在一定程度上說明了不同乳化瀝青對預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)的適用性。

時間/s圖1 乳化瀝青的法向應(yīng)力變化

一般的,在封層技術(shù)使用時應(yīng)需要較高的黏度和較低的法向力,PMRE、EHV乳化瀝青具有這樣的低法向力特征,標(biāo)準(zhǔn)黏度分別達到46 s、18 s,黏度顯著大于SBR乳化瀝青,能夠提供更好的黏結(jié)力;法向力低于13 000 Pa,則能相對更好的提供涂敷能力,這適合于灑布車的灑布工藝。而SBR乳化瀝青的法向力較高,更適合于微表處用的拌合類工藝。

2.1.2 時間掃描與存儲穩(wěn)定性

對乳化瀝青進行時間掃描主要考察乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性。圖2為乳化瀝青|G*|與時間的變化關(guān)系,其中EHV乳化瀝青的|G*|最高、PMRE乳化瀝青次之、SBR乳化瀝青最低,這與乳化瀝青的流體黏度有很大的關(guān)系。但是隨著時間變化,即使在震蕩實驗條件下,僅有PMRE乳化瀝青的|G*|保持穩(wěn)定,說明該乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性最好,其他兩種乳化瀝青稍遜。

t/s圖2 |G*|與時間的關(guān)系

圖3為乳化瀝青相位角隨著時間的變化關(guān)系。三種乳化瀝青的相位角均在50°以下,都具有較大的彈性分量,這與聚合物的參與有著極大的關(guān)系。由于PMRE乳化瀝青中的聚合物與SBR乳化瀝青(聚合物為SBR膠乳)、EHV乳化瀝青(聚合物為SBS)的聚合物體系不同;雖然質(zhì)量含量為66%(小于EHV,大于SBR),但能夠帶來更小的相位角(小于35°)、體現(xiàn)出更大的彈性特征。這是PMRE乳化瀝青的彈性優(yōu)勢,為封層應(yīng)用提供良好的初期韌性。

t/s圖3 相位角與時間的關(guān)系

2.1.3 溫度掃描與破乳行為

圖4為瀝青原樣的復(fù)數(shù)剪切模量與溫度的關(guān)系圖。

溫度/℃圖4 瀝青原樣的復(fù)數(shù)剪切模量與溫度的關(guān)系

由圖4可知,隨著溫度增加,SBR改性乳化瀝青的復(fù)數(shù)模量逐漸增加,EHV乳化瀝青和PMRE的復(fù)數(shù)剪切模量先增加,在35 ℃時達到最大值,然后逐漸減小。EHV乳化瀝青和PMRE在35 ℃時已完全破乳,模量達到最大值,溫度增加,瀝青逐漸變軟,模量逐漸下降,而SBR改性乳化瀝青隨著溫度增加逐漸破乳,模量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。同時三種瀝青的曲線變化率為EHV乳化瀝青>PMRE>SBR改性乳化瀝青,進一步說明了三種瀝青中EHV乳化瀝青的破乳速度最快,PMRE其次,SBR改性乳化瀝青最慢。這也契合三種乳化瀝青的破乳速度特征,即EHV乳化瀝青為快裂型、PMRE乳化瀝青為中裂型、SBR改性乳化瀝青為慢裂型。

綜上可以看出,PMRE乳化瀝青具有適中的破乳速度、穩(wěn)定的儲存穩(wěn)定性、較高的黏度和較低的法向力,工作性好,適合在封層技術(shù)中應(yīng)用,其特殊的聚合物體系可以帶來封層初期良好的彈性行為。而SBR乳化瀝青的法向力很高,相對于PMRE、EHV乳化瀝青更適合拌合型微表處技術(shù)。

2.2 蒸發(fā)殘留物流變實驗

乳化瀝青蒸發(fā)殘留物是實際上的黏結(jié)劑,其性質(zhì)決定了混合料或封層的路用性能。本文獲取了三種瀝青的蒸發(fā)殘留物,進行了流變實驗以表征其路用性能的差異。

2.2.1 溫度掃描特征

圖5為瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)剪切模量與溫度的關(guān)系圖。由圖5可知,隨著溫度增加,瀝青的模量逐漸減小,整體上三種瀝青在相同溫度下的蒸發(fā)殘留物|G*|為EHV乳化瀝青最大,SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最小。

溫度/℃圖5 瀝青蒸發(fā)殘留物的G*與溫度的關(guān)系

圖6為瀝青蒸發(fā)殘留物的車轍因子與溫度的關(guān)系圖。

溫度/℃圖6 瀝青蒸發(fā)殘留物的車轍因子與溫度的關(guān)系

在相同的溫度下,三種瀝青的車轍因子為EHV乳化瀝青最大,SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最小。車轍因子反映瀝青的高溫抗車轍能力,EHV乳化瀝青的高溫性能最好,PMRE的高溫性能和SBR改性瀝青相當(dāng)。

圖7為瀝青蒸發(fā)殘留物的相位角與溫度的關(guān)系圖。在排除掉水分的影響后,三種殘留物的相位角呈現(xiàn)和流體組成不同的特征。在較低的溫度時,瀝青材料的相位角越大,瀝青中黏性成分越多,彈性成分越少,流動性越好,可以有效松馳材料低溫收縮引起的拉應(yīng)力,從而減少低溫開裂。由相位角可知,三種瀝青的低溫性能為SBR改性乳化瀝青最好,PMRE其次,EHV乳化瀝青最差。

溫度/℃圖7 瀝青蒸發(fā)殘留物的相位角與溫度的關(guān)系

綜合復(fù)數(shù)剪切模量、相位角和車轍因子的實驗結(jié)果看,PMRE的高低溫性能比較均衡,而EHV乳化瀝青的高溫性能比較突出,SBR改性乳化瀝青的低溫性能較好。

2.2.2 頻率掃描特征

對三種殘留物進行不同溫度下的頻率掃描實驗,利用時溫等效原理,將不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量曲線沿著時間軸平移而疊合一起[21-22],構(gòu)成參考溫度58 ℃下的復(fù)數(shù)剪切模量主曲線。圖8為瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)剪切模量主曲線。

角頻率/(rad·s-1)圖8 瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)剪切模量主曲線

由圖8可以看出,三種瀝青蒸發(fā)殘留物的模量均隨著剪切頻率的增加而提高,在高頻率條件下,復(fù)數(shù)剪切模量值表現(xiàn)為EHV乳化最大,瀝青SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最小;在高溫條件下,復(fù)數(shù)剪切模量值越大,瀝青材料的彈性越好,高溫性能越好,這與溫度掃描實驗得到的車轍因子結(jié)果相一致,即EHV乳化瀝青高溫性能最好,SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最差。

2.2.3 殘留物疲勞實驗

目前對瀝青的疲勞研究通常采用的實驗方法為時間掃描實驗,對實驗結(jié)果處理的方式主要有兩種,一種是采用復(fù)數(shù)剪切模量下降至初始值的50%時所對應(yīng)的荷載作用次數(shù)定義為瀝青的疲勞壽命,另一種采用累積耗散能下降至初始值得50%時所對應(yīng)的荷載作用次數(shù)定義為瀝青的疲勞壽命[23-25],本文采用第一種方式評價三種瀝青蒸發(fā)殘留物的疲勞性能。

圖9為瀝青蒸發(fā)殘留物復(fù)數(shù)剪切模量與荷載作用次數(shù)的關(guān)系圖。由圖9可知,隨著荷載作用次數(shù)的增加,PMRE的復(fù)數(shù)模量下降速度介于SBR改性乳化瀝青與EHV乳化瀝青之間,SBR改性乳化瀝青的復(fù)數(shù)模量下降速度最快,其降至初始復(fù)數(shù)模量50%時的荷載作用次數(shù)最小,這說明對于疲勞性能:EHV乳化瀝青最好,PMRE其次,SBR改性乳化瀝青最差。

荷載作用次數(shù)/次圖9 瀝青蒸發(fā)殘留物復(fù)數(shù)剪切模量與荷載作用次數(shù)的關(guān)系

3 綜合性能對比

3.1 路用效果

三種乳化瀝青都以預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面表面層。其中SBR改性乳化瀝青常用于微表處技術(shù),PMRE常用于PMRE封層技術(shù),EHV乳化瀝青應(yīng)用于超表處技術(shù)。微表處是采用專用設(shè)備將SBR改性乳化瀝青、粗細集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計配比拌和成稀漿混合料鋪設(shè)在原路面上的快凝型薄層罩面;超表處是通過超表處封層車,依次將層間界面劑、EHV乳化瀝青、集料、EHV乳化瀝青、表面保護劑等材料,五層同步灑/撒布施工至原路面的薄層結(jié)構(gòu);PMRE封層是在道路面層上依次灑布PMRE乳化瀝青和單一粒徑的集料,形成單層或多層的碎石薄層結(jié)構(gòu)。

圖10為三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)施工后開放交通時的照片。由圖10可知,三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)的外觀差別明顯,微表處技術(shù)材料組成中集料含有級配結(jié)構(gòu),外觀上集料粗細搭配并含有膠漿;PMRE技術(shù)材料組成中只有5～10 mm的玄武巖碎石,外觀上集料顆粒明顯并呈現(xiàn)集料巖石的原始顏色;超表處技術(shù)材料組成采用單一粒徑的玄武巖集料,集料粒徑小于PMRE,施工時采用多層同步撒布,顏色呈現(xiàn)瀝青與玄武巖復(fù)合的黑色。

圖10 三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)施工后圖片

圖11為三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)施工后開放交通時和開放交通后使用半年的擺式摩擦系數(shù)檢測結(jié)果。

圖11 三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)的擺式摩擦系數(shù)

圖12為三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)施工后開放交通時和開放交通后使用半年的構(gòu)造深度檢測結(jié)果。

圖12 三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)的構(gòu)造深度

由圖11可知,三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)在施工后開放交通時的擺式摩擦結(jié)果幾乎一致,均能較好的改善路面抗滑性能, 開放交通后半年經(jīng)過車輛荷載作用后, 微表處和超表處擺式摩擦結(jié)果分別衰減了29BPN、24BPN,PMRE封層衰減了12BPN,說明在解決路面抗滑病害時PMRE的使用壽命最長。由圖12可知,三種預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)施工后開放交通時的構(gòu)造深度差距明顯,為PMRE構(gòu)造深度最大,可以達到1.20 mm,而超表處和微表處相差不大。在通車使用半年后PMRE的構(gòu)造深度可達0.81 mm,而微表處和超表處的構(gòu)造深度值均已接近文獻[26]中技術(shù)要求的臨界值0.60 mm,說明PMRE封層改善路面的抗磨耗性能好于微表處和超表處。

3.2 綜合對比

綜合三種乳化瀝青的流體性質(zhì)、殘留物性質(zhì)和預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)路用效果,對比分析三種乳化瀝青的性能優(yōu)劣和使用特點。表2為三種乳化瀝青的流變性能對比,其中★表示性能的優(yōu)劣程度,★越多性能越好。

表2 三種乳化瀝青的流變性能對比

由表2可知,流體性質(zhì)和殘留物性質(zhì)方面,EHV乳化瀝青性能最佳,PMRE其次,SBR乳化瀝青最差。路用效果方面,PMRE性能最佳,EHV乳化瀝青其次,SBR乳化瀝青最差。

4 結(jié) 論

(1)PMRE和EHV乳化瀝青具有較高的黏度和較低的法向力,具有較好的涂敷能力,適合于封層的灑布工藝,SBR乳化瀝青具有較低的黏度和較高的法向力,不利于封層車灑布工藝,更適合于微表處用的拌合類工藝。

(2)綜合蒸發(fā)殘留物的溫度掃描實驗、頻率掃描實驗及疲勞實驗結(jié)果,PMRE的高低溫性能比較均衡,而EHV乳化瀝青的高溫性能比較突出,SBR改性乳化瀝青的低溫性能較好。

(3)綜合蒸發(fā)殘留物的疲勞實驗結(jié)果,PMRE的疲勞性能優(yōu)于SBR改性乳化瀝青,差于EHV乳化瀝青。

(4)綜合性能對比,流體性質(zhì)和殘留物性質(zhì)方面,EHV乳化瀝青性能最佳,PMRE其次,SBR乳化瀝青最差。路用效果方面,PMRE性能最佳,EHV乳化瀝青其次,SBR乳化瀝青最差。