振动作用对改性沥青性能的影响试验研究
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作者:段跃华 李正华 汪政
摘要：沥青作为沥青混合料中的胶结材料，其性能关系到沥青路面的使用性能及耐久性。为使其更好应用于道路工程中，文章通过自制的振动黏度试验装置，对四种改性沥青进行振动黏度试验，研究其降黏率与振动时间的关系，并对振动前、振动后1 h及振动后24 h的四种改性沥青进行三大指标对比试验分析。试验结果表明：（1）在恒定的振动作用下四种沥青的黏度都随着振动时间的增加而降低，且在此振动条件下Ⅱ型高黏沥青与SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青的降黏率远高于Ⅰ型高黏沥青及SBS改性沥青；（2）在振动温度175 ℃、频率40 Hz及振幅2 mm的条件下，其黏度都能在80 s冉抵梁愣ㄖ担满足实际生产中此条件下振动搅拌90 s内沥青黏度降至最低的要求，充分发挥了降黏效果；（3）四种改性沥青振动前后的三大指标性能变化不大，不会对沥青后续使用的基本性能产生负面影响。
关键词：振动搅拌；改性沥青；黏度；试验研究
中图分类号：U416.03-A-23-068-3
0 引言
为了增强水泥砂浆的搅拌效果，从20世纪30年代开始，国外相继开展振动搅拌技术的研究［1］。我国在振动搅拌领域的研究开始于20世纪90年代初。冯忠绪等将搅拌理论研究与搅拌设备的开发有机结合起来，不仅解决了振动搅拌理论机理问题，还解决了工程应用问题。其团队率先发明了一种连续式振动搅拌机，并建立完善了不同形式振动搅拌的理论体系，还申请了双卧轴式及立轴式振动搅拌机的发明专利［2-5］。冯建生等［6］研究了振动搅拌对C20、C30、C40不同配合比混凝土性能的影响，在其他试验条件皆相同的情况下，进行不同配合比混凝土的振动搅拌与常规搅拌的对比试验。结果表明，振动搅拌混凝土能使坍落度降低，同时使得混凝土的保水性与粘聚性更好；振动搅拌也能使混凝土含气量有所提高，强度也比普通搅拌的提高10%以上。施洲辉等［7］通过分析现有搅拌技术的不足，将振动搅拌应用于水泥稳定碎石的生产，在试验中分别生产两种不同配合比的水泥稳定碎石，检测其不同条件下的性能，对比分析得出振动搅拌技术生产的水泥稳定碎石各方面性能都要优于传统搅拌技术生产的水稳碎石。董晨希等［8］使用EDEM离散元软件进行仿真分析，研究了双卧轴搅拌机在不同搅拌方式下对混合料搅拌均匀性的影响。结果显示，相较于普通搅拌，振动搅拌混合料的均匀性更佳，是一种更优异的搅拌方式。
但现阶段在土木工程行业内，振动搅拌技术大多应用于水泥混凝土、水泥稳定碎石或级配碎石的生产，对应用于沥青及沥青混合料振动搅拌技术的研究则相对较少。然而沥青作为沥青混合料中的胶结材料，其性能关系到沥青路面的使用性能及耐久性。沥青一方面与集料裹覆混合，另一方面则是润滑混合料，使混合料更易搅拌均匀，所以制作混合料时沥青的黏度不能太高；而铺筑碾压形成路面后，沥青要形成强度稳固的混合料，所以沥青的黏度也不能太低［9-10］。同时，加热搅拌混合料前后，沥青的针入度、软化点及延度等指标不能有太大变化，应满足工程的实际需要。因此，本文在前人研究的基础上，分析振动搅拌对四种改性沥青性能的影响，为振动搅拌技术的应用提供参考。
1 试验原理
目前流体力学理论中的流体可分成两大类，即牛顿流体与非牛顿流体［11］。其中，非牛顿流体又可分为假塑性流体与胀流性流体。假塑性流体的黏度随着剪变率的增大而减小，也被称为“剪切变稀”流体。触变性流体在固定不变的剪变率下，其黏度随着剪切时间的增加而降低，故触变性流体属于假塑性流体的一种类型［12-13］。而熔融状态的沥青材料，特别是聚合物改性沥青材料具有假塑性流体中触变性流体的特性，即随着剪切时间的增加黏度降低，出现“剪切变稀”的现象，这就使得沥青能在温度不变的状态下而黏度降低［14］。本文主要依据此原理进行沥青振动搅拌的研究。
1.1 试验设备
本试验设备主要采用现有的振动台及布氏旋转黏度仪进行改进并结合。振动台为北京波谱世纪科技发展有限公司的WS-Z30-50小型精密振动台，相关技术参数如表1所示。布氏旋转黏度仪为美国博勒飞公司的DV2T触屏式旋转黏度仪并搭配其RV型转子使用。使用该振动台与布氏旋转黏度仪组成一套能给沥青施加不同振动效果，并在振动状态下实时控温测试沥青样品表观黏度的装置。
1.2 试验方法
为探究在普通搅拌中加入振动作用对沥青胶结料产生的影响，本试验选用中远海运的Ⅰ型高黏改性沥青及中远海运的Ⅱ型高黏改性沥青作为研究对象，并增加壳牌SBS改性沥青及壳牌SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青两个样品作为对比研究。
在振动黏度试验中，振动台带动保温炉及沥青容器进行往复运动，容器壁与容器底来回推动、摩擦沥青，通过压力与摩擦力带动沥青运动。因此，振动对熔融状态沥青的作用可表现为空间剪切作用，由此来模拟在振动搅拌中振源带动沥青及矿料运动，矿料及沥青又推动其附近的沥青剪切运动，进而研究在普通搅拌中加入振动作用对沥青产生的影响。此外，还对四种改性沥青样品振动前后的针入度、软化点及延度进行对比研究，以确保加入振动作用后制备的沥青混合料其沥青的质量指标不会改变。
2 振动前后改性沥青黏度对比研究
由于实际生产中振幅固定为2 mm，且加入沥青后混合料的振动搅拌时间为90 s。为了在90 s内充分利用振动降黏的效果，选择以上试验确定的最佳振动温度及最佳振动频率且振幅为2 mm的试验参数进行试验，研究这四种改性沥青样品在90 s内的振动黏度与时间的关系。试验结果如图1～2所示。
本试验参数为：温度175 ℃，振动频率40 Hz，振幅2 mm。由图1可知，在未施加振动作用时，这四种改性沥青的黏度关系为：Ⅱ型高黏改性沥青＞SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青＞Ⅰ型高黏改性沥青＞SBS改性沥青，且Ⅱ型高黏改性沥青与SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青黏度相近，远大于Ⅰ型高黏改性沥青和SBS改性沥青。随着振动作用的加入，前10 s四种改性沥青的黏度略微下降；在振动10 s之后，四种改性沥青样品的黏度随着振动时间的增加而急速下降；在振动时间达70 s后四种改性沥青的黏度变化趋于恒定。由于在振动的10～70 s，Ⅱ型高黏改性沥青与SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青的降黏幅度较大，所以在70 s后SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青的黏度与Ⅰ型高黏改性沥青和SBS改性沥青的黏度相当，Ⅱ型高黏改性沥青的黏度也降至与SAMⅠⅡ型改性沥青黏度相近。
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由图2的降黏率与振动时间的关系也可看出，四种改性沥青都表现出明显的触变性，即在恒定的振动剪切条件下其黏度都随着时间的增加而降低。振动10 s后四种改性沥青的降黏率都在大幅提高，且Ⅱ型高黏改性沥青与SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青的降黏率增长相对较快，其降黏率明显高于Ⅰ型高黏改性沥青和SBS改性沥青。这也是其黏度能在70 s后降至与Ⅰ型高黏改性沥青和SBS改性沥青相近的原因。在本试验条件下，这四种改性沥青的降黏率都在70 s后趋于稳定。
3 振动前后改性沥青基本性能对比研究
由以上验可知，在沥青混合料搅拌时加入振动作用，能在不提高温度的情况下进一步降低沥青的黏度，增强沥青的流动性，使沥青与集料混合更均匀，裹覆更充分，提高沥青混合料搅拌生产的质量。在沥青混合料铺筑形成路面之后，沥青起着粘结稳固集料的作用。虽然振动作用停止后，沥青的黏度会逐渐恢复，但振动降黏过后是否会对沥青的基本性能指标产生不利的影响，目前尚未研究。
本文通过沥青的三大指标性能试验，即针入度试验、软化点试验、延度试验，对振动作用前后的沥青样品进行检测，并对比其数据，探究振动作用过后沥青的基本性能是否会受到影响，从而改变其路面的使用性能。
3.1 针入度对比试验
本试验使用上海昌吉公司的SYD-2801F针入度试验仪，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的T0604方法在25 ℃、5 s、100 g条件下进行试验。对本研究所使用的四种改性沥青分别进行三次采样，即振动黏度试验前、振动黏度试验后1 h和振动黏度试验后24 h，以进行后续的对比研究。在振动黏度试验前抽取部分样品浇筑试样进行测试；
振动黏度试验后，将经过振动作用且保持熔融状态的沥青样品放入烘箱中，175 ℃保温1 h后浇筑两次试验用量的试样，一部分立即开始试验，模拟振动搅拌出料后现场摊铺碾压时的沥青状态；另一部分在室温中保存24 h后开始试验，模拟振动搅拌出料后路面铺筑完成开始通车使用时的沥青状态。试验结果如图3所示。
由图3可知，样品SBS改性沥青、Ⅰ型高黏改性沥青、Ⅱ型高黏改性沥青及SAMⅠ-Ⅱ改性沥青振动试验前针入度分别为54（0.1 mm）、47（0.1 mm）、39（0.1 mm）及88（0.1 mm）；在振动试验后1 h分别为51（0.1 mm）、44（0.1 mm）、37（0.1 mm）及83（0.1 mm）；在振动试验后24 h分别为51（0.1 mm）、43（0.1 mm）、38（0.1 mm）及83（0.1 mm）。对比发现，每种改性沥青的针入度值变化并不大，针入度值下降范围都在5%～9%。这表明，在撤掉振动作用保温静置的1 h里，改性剂及沥青胶团的重构能恢复其性能，不会对沥青针入度产生太大影响，反而由于振动试验的重复加热会使得沥青老化，导致针入度降低。
3.2 软化点对比试验
本试验使用上海昌吉公司的SYD-2806G全自动沥青软化点试验仪，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的T0606方法进行试验。采样及样品保存方式与上述方法一致，对四种改性沥青分别进行三次采样，验证其施工状态及路面使用状态的性能。试验结果如图4所示。
由图4可知，四种经过振动试验的改性沥青样品在1 h及24 h后其软化点值与振动作用之前变化不大，虽然试验数据有±1 ℃的变化，但这符合规范中正常试验结果波动范围。由此可知，搅拌时的振动作用不会对施工时及路面正常使用时的沥青软化点性质造成影响。
3.3 延度对比试验
本试验使用上海昌吉公司的SYD-4508C沥青延度试验仪，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的T0605方法在5 ℃、5 cm/min条件下进行试验。试样采集制作和保存处置在采样浇筑制作针入度对比试验样品时一同进行，也是分三个时段分别采样浇筑，模拟不同的沥青工况进行试验，验证其施工状态及路面使用状态的性能。试验结果如图5所示。
分析图5可知，试验中四种改性沥青样品在经过振动作用后延度值变化不大，虽然都表现出略有下降的趋势，推测是振动黏度试验时反复加热沥青导致的热老化使得延度略有降低，但都符合规范中再现性试验变化幅度在30%以内的规定。由此分析，振动搅拌时的振动作用不会对混合料施工时及路面使用时的沥青延度造成太大影响。
由以上沥青三大指标对比试验结果可知，试验中的这四种改性沥青都表现出明显的触变性，即在受到振动产生空间剪切作用时，改性剂及沥青胶团解缠和较弱化学键断裂的程度大于重构的程度，所以导致黏度降低，沥青变软且流动性增加。但振动作用停止后，改性剂及沥青胶团重构的程度大于解缠和较弱化学键断裂的程度，所以沥青黏度恢复，各项性能指标与振动之前相差不大。这体现了触变性流体的结构可逆变化，在外力对该流体施加作用时其结构会发生变化，而停止作用力后，该触变性流体的结构又能逐渐恢复［15-18］。因此，在普通搅拌中加入振动作用不会对路面施工及后续使用过程中的沥青性能产生负面影响。
4 结语
本文首先通过自制的振动黏度试验装置对研究选用的四种改性沥青进行振动黏度试验，研究了这四种改性沥青下降黏率与振动时间的关系；接着结合实际路面生产情况模拟沥青所处的不同时段，通过针入度试验、软化点试验及延度试验，分别对振动黏度试验前、振动黏度试验后1 h及振动黏度试验后24 h的四种改性沥青进行三大指标对比试验。得到以下主要结论：
（1）在恒定的振动作用下四种改性沥青的黏度都随着振动时间的增加而降低，且在此振动条件下Ⅱ型高黏改性沥青与SAMⅠ-Ⅱ型改性沥青的降黏率远高于Ⅰ型高黏改性沥青及SBS改性沥青。
（2）在振动温度为175 ℃、频率为40 Hz及振幅为2 mm的条件下，四种改性沥青的黏度都能在70 s内降至恒定值，满足实际生产中此条件下振动搅拌90 s内沥青黏度降至最低的要求，充分发挥了降黏效果。
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（3）本研究中四种改性沥青振动前后的三大指标对比试验表明，受振动作用后沥青的三大指标性能变化不大。因此沥青在受到振动作用时黏度降低、流动性增强，但不会对沥青后续使用的基本性能产生负面影响。
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作者介：
段跃华（1978―），博士，高级工程师，主要从事高速公路建设管理工作。
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