摘要：聚烯烃类添加剂（Sasobit）和化学类添加剂（Evotherm）是目前存在两种主要的温拌沥青技术（WMA）。聚烯烃类添加剂在混合和压实温度下即可完全溶于粘结剂中，因此可以在较低的温度下施工。而化学类添加剂则通过减少骨料和粘合剂之间的摩擦，在施工过程中也促进了类似的结果。众所周知，WMA技术在施工过程中由于减少了老化而表现出增加车辙的趋势，然而基于聚烯烃类的添加剂在实验室试验中表现出更好的性能，因为在路面使用温度下，产生结晶并增加了胶粘剂的硬度。烯烃的存在和相关的温度敏感特性(结晶和熔化)影响WMA在路面使用温度下的粘弹性响应。本研究的重点是一种聚烯烃添加剂和一种化学添加剂对沥青路面车辙性能影响的研究。本文给出了三个重要的结果，首先对粘结剂的流变响应进行了表征，然后对混合料的车辙和力学性能进行了量化。结果表明，含聚烯烃类添加剂的沥青混合料在40℃以下具有较好的抗车辙性能，在40~50℃温度范围内具有相同的响应，在50℃以上比HMA混合料更容易发生车辙。研究还发现，添加化学添加剂的WMA混合物具有较高的车辙率。
关键词：道路工程，温拌沥青混合料；沥青添加剂；沥青路面车辙
1引言
在沥青路面上使用温拌沥青(WMA)可以有效实现沥青混合料在较低温度下（30℃）的拌和以及压实[1-3]。当前研究的不同类型WMA添加剂主要可分为两类，第一类是化学添加剂，第二类是聚烯烃类添加剂。它们每一种都以完全不同的方式降低了传统粘合剂的粘度。例如，化学添加剂在牛顿体系中降低了粘结剂的表面张力，从而降低了粘结剂与骨料之间的摩擦[4]。与传统粘结剂相比，基于聚烯烃类的添加剂含有长链碳氢化合物，在混合和压实温度下具有较低的粘度。它们每一种与粘结剂的反应方式都是不同的，因此使用不同的WMA添加剂构建的WMA路面的性能也会有所不同[5]。
如果使用WMA粘合剂生产的沥青混合物，存在两个问题。一是由于较低的混合和压实温度降低了老化的影响，二是温拌添加剂对粘结剂的影响。各种实验室和现场研究都对WMA粘结剂降低老化率进行了研究[6.7]。由于减少了老化，该材料有望比传统的热拌沥青(HMA)表现出更低的车辙阻力和更高的抗疲劳性能。有研究表明，材料的车辙和疲劳开裂性能取决于使用的温拌添加剂的类型。本研究的重点是定量研究两种添加剂对WMA粘结剂和混合料的车辙敏感性。采用的两种WMA技术分别是Evotherm和Sasobit，前者属于化学添加剂，后者属于聚烯烃类添加剂。
2试验原材料
2.1 粘结剂
粘结剂选用为常规的VG30粘结剂，同时温拌剂的制备分别采用为聚烯烃类添加剂和化学添加剂。剂量的选取是根据制造商建议确定的，其中化学添加剂的剂量为0.4%，聚烯烃类添加剂的剂量为1.5%。最终选取的三种粘结剂分别为原始的VG30粘结剂，0.4%化学添加剂的VG30粘结剂（EVOTHERM-VG30），1.5%聚烯烃类添加的VG30粘结剂（SASOBIT-VG30）。三种粘结剂的短期老化评价采用滚动薄膜烘箱，按ASTMD 2872(2004)标准在163℃温度下进行85min。
2.2 沥青混合料
根据公路沥青混合料试验规程，采用与沥青混凝土II级相对应的中等骨料级配生产沥青混合料，骨料的最大公称粒径为13.2mm[8]。利用这三种粘结剂(VG30、EVOTHERM-VG30和SASOBIT-VG30)制备了三种不同的沥青混合料。为了便于标记，使用VG30粘合剂生产的沥青混合物被指定为HMA-VG30。同样，WMA-EVOTHERM以及WMA-SASOBIT表示分别用化学添加剂和蜡添加剂制备的WMA混合物。HMA和WMA生产的密实度和压实温度符合相关行业实践。在制备热拌沥青混合料时，将烘干的骨料和VG30粘结剂加热到175℃，在165℃的温度下进行混合。为了考虑在混合和压实过程中现场发生的老化现象，热拌沥青混合料在135 ℃下短期时效4h±5min，然后在150℃的压实温度下放置半小时(AASHTO R 30-2 2006)。在制备温拌沥青混合料时，将WMA粘结剂和骨料加热到145℃，并在135℃下混合。
2.2.1 样品制备
HMA和WMA样品采用剪切箱压实机(ASTM D 7981 2015)制备。在剪切箱式压实机中，采用600kpa的竖向应力和4°的剪切角对HMA和WMA试样进行压实。当样品达到要求的孔隙时，压实结束。制作了450 ×150× 160毫米的梁，并从梁上取芯和切片作为测试样品。从每根梁的顶部和底部切下两块大小为300 ×150× 50mm的板，用于跟踪器测试。从每一剪力箱压实梁上取3个直径100mm、高度150mm的圆柱形试样，进行反复蠕变恢复和动态模量试验[9-11]。在车辙相关试验中，将试样的孔隙率保持在6.5%的范围内;在动模量试验中，将试样压实至4±0.5%的孔隙率内。图1为动态模量试验所用的HMA和WMA试样的材料密实度情况。
图1 混合料试件达到目标压实度的加载周期
3 试验研究
3.1 粘结剂
性能分级测试按ASTM D 6373(2015)进行，并基于 |G?|/ sin δ对WMA粘合剂的车辙性能进行排序。此外，在25℃、35℃、45℃和55℃四种不同温度下，对短期时效试件进行了重复蠕变和恢复试验。试验共25个循环，每5个循环加载一次，加载期间应力不断增加。分别施加0.104kPa、0.329kPa、1.04kPa、3.29kPa和10.4 kPa五个不同的应力水平，加载时间为1s，休息时间为9s、20s、20s、70s和150s。休息时间的确定为在所有测试温度下，休息时间结束时回弹量能到稳定不变状态。
3.2 混合料
3.2.1 动态模量试验
本研究根据AASHTO TP79(2010)对动态模量进行测量，分别在5℃、15℃、25℃、35℃、45℃和55℃的6种不同温度和0.01Hz、0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz和25Hz的10种不同频率下进行测试。
3.2.2 车辙试验
在本试验方法中，将700N的轮荷在试样上来回移动。安装在轮轴上的线性变位移传感器以4mm的间隔(沿板坯长度从板坯中心到左侧52mm，右侧52mm)捕捉到试样表面的车辙深度。将车轮的一次往复运动视为一个载荷循环，试验在30,000次或车辙深度为5mm时终止，以较早发生的为准。车辙深度一般是由车轮载荷的大小和车轮行驶的速度决定的。为了研究温拌沥青混合料在不同加载速率下的行为，我们以每分钟26.5次和12.5次的速度进行了试验，所有的实验都在50℃和60℃。
4 结果与讨论
4.1 不同添加剂下的混合料动态模量
图2显示了三种混合料在不同频率和温度下的动态模量。
图2 HMA和WMA混合料的动态模量在不同温度下
可以看出，与HMA-VG30相比，WMA-EVOTHERM在5℃和15℃时表现出相同的动态模量值，在较高温度下表现出较小的动态模量值。此外，在任意给定温度下，不同频率下WMA-EVOTHERM与HMA-VG30的动态模量差值一致。其中West等人[12]已证实了WMA-EVOTHERM的动态模量减少是由于WMA粘结剂用量减少而导致的。对于WMA- SASOBIT，动态模量相对于HMA-VG30的变化受测试温度和频率的影响。例如,对于频率对应0.01HZ,动态模量WMA-SASOBIT高出50%在温度为5℃时。在45℃它们是相同的，在55℃则低于9%相对于HMA-VG30。
为了描述温拌添加剂对大范围频率和温度的影响，根据时间-温度叠加原理构造了主曲线。在35 ℃的参考温度下构建了主曲线，如图3所示。在不同频率和温度范围内，WMA-EVOTHERM的动态模量比HMA-VG30小30~40%。对于WMA-SASOBIT，加入Sasobit后动态模量的变化与频率和温度有关。例如，在35℃参考温度下，WMA-SASOBIT在小于0.001 Hz频率下的动态模量小于HMA-VG30，在较高频率下的动态模量大于HMA-VG30。
图3 HMA和WMA混合料的主曲线
4.2 车辙试验
图4为第9000次，12.5次/分钟速度等级下，50℃和60℃车轮荷载沿行程长度的车辙深度剖面。
图5 车辙试验结果
如预期结果一致，在50℃和60℃时，WMA-EVOTHERM的车辙深度比HMA-VG30大。在50℃时，WMA-SASOBIT的车辙深度低于HMA-VG30，而在60℃时，WMA-SASOBIT的车辙深度大于HMA。图4所示的车辙深度平均值计算了所有的荷载循环，并用于进一步的分析。HMA-VG30、WMA-EVOTHERM和WMA-SASOBIT在50℃和60℃两种不同速度下的平均车辙深度如图5所示。试验结果表明，WMA-SASOBIT在50℃和60℃下的车辙阻力均优于HMA-VG30和WMA-EVOTHERM，且速度均为26.5 次/分钟。然而，在60℃下，以12.5次/分钟的速度进行试验时，WMA-SASOBIT比HMA-VG30更容易发生车辙(图5(b))。
试验结果如预期一致，三种材料在60℃时较低速度较早达到5mm的车辙深度，对应的孔型如图5(b)所示。
根据3万次循环结束时的车辙深度值或达到5mm车辙深度的车辙次数，对沥青混合料的车辙性能进行排序，见表1。研究发现，WMA-SASOBIT的排序依赖于加载速率。同对WMA-SASOBIT进行动态模量试验时在温度45℃和55℃时也会出现同样的情况(图2(e)和(f))。动态模量主曲线清楚地描述了这种行为(见图3)，其中WMA-SASOBIT的模量在较高温度下或较低频率下是小于HMA-VG30的动态模量的。
表1 不同添加剂在50℃和60℃下的车辙性能排序
5 结论
本研究结合当前温拌沥青路面施工技术中采用的两类主要添加剂Sasobit和Evotherm进行了动态模量试验和车辙试验研究，所得结论如下。
（1）三种不同的添加剂达到目标孔隙率（6.5%）的加载周期各不相同。其中HMA-VG30的加载周期为23，WMA-EVOTHERM的加载周期为18，WMA-SASOBIT的加载周期为14。可以看出在相同加载垂直力的情况下，HMA-VG30沥青混合料具有较高的抗压实性，达到目标孔隙率较为困难。
（2）动态模量试验表明，与HMA-VG30相比，WMA-EVOTHERM在5℃和15℃时表现出相同的动态模量值，在较高温度下表现出较小的动态模量值。此外，在任意给定温度下，不同频率下WMAEVOTHERM与HMA-VG30的动态模量差值一致。
（3）三种添加剂的车辙试验结果表明，WMA-SASOBIT在50℃和60℃下的车辙阻力均优于HMA-VG30和WMA-EVOTHERM，且速度均为26.5 次/分钟。然而，在60℃下，以12.5次/分钟的速度进行试验时，WMA-SASOBIT比HMA-VG30更容易发生车辙。
（4）温拌沥青混合料技术是沥青路面的未来发展方向，然而值得注意的是，在施工过程中降低20℃的温度可以显著改变材料在使用过程中的力学响应，有助于低温施工的同时会影响路面在使用过程中的响应。根据本文的研究，基于Sasobit的添加剂对车辙响应可能有害，也可能有益，这取决于路面的工作温度，而基于化学添加剂在所有路面温度状态下表现出相同的行为。就这些材料而言，性能监测的标准，特别是根据实验室数据的标准，需要结合不同的工程实践展开进一步研究。
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论文作者:宋碧亚
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/22
标签：车辙论文; 添加剂论文; 沥青论文; 温度论文; 动态论文; 粘结剂论文; 性能论文; 《防护工程》2019年第1期论文;