祁 冰 苏纪壮

(山东省交通科学研究院1) 济南 250102) (山东高速工程检测有限公司2) 济南 250002) (大宗固废材料在交通领域循环利用行业研发中心3) 济南 250002)

0 引 言

乳化沥青具有常温施工、施工季节长、节能环保及造价低等重要优势[1-2]，广泛应用于沥青路面冷再生及预防性养护等工程领域，乳化沥青最终由其蒸发残留物作为胶结料，本质仍为沥青材料，其黏弹特性受温度、水分、车辆荷载等因素的影响[3-4]，因此，乳化沥青蒸发残留物的性能极大影响着其混合料的路用性能，进而影响沥青路面的使用寿命.

国内外研究者对乳化沥青蒸发残留物的流变性能进行了一系列研究.Slam等[5]研究了6种乳化沥青残留物在不同的固化时间、温度以及真空压力下的流变特性.Pang等[6-7]基于流变学方法研究了乳化剂含量对沥青乳液性能的影响，发现在一定温度和频率下，粘度、模量和车辙因子随着乳化剂含量的增加而增大，乳化沥青混合料抵抗变形能力增强.杜晓博等[8]研究了SBR及SBS改性乳化沥青残留物的高温性能，结果表明：SBS改性乳化沥青高温性能优于SBR改性乳化沥青.朱辉等[9]采用动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验研究了乳化沥青胶浆的流变性能.汪德才等[10]采用高温蒸发和低温蒸发两种方式制备乳化沥青蒸发残留物，通过动态剪切流变试验和MSCR试验对两种蒸发方式制的乳化沥青蒸发残留物进行试验研究，结果表明：乳化剂类型、用量及残留物制备方式对蒸发残留物的高温流变性能有明显影响，高温蒸发方式会降低乳化沥青蒸发残留物的PG分级温度.孙杨[11]采用EN13074和ASTM D7497-09两种低温蒸发方法获取乳化沥青残留物,结果发现：采用低温蒸发方式获取的残留物的高温性能和疲劳性能优于采用直接加热法.李东盛[12]借助乳液类材料流变特性的研究方法，引入了预剪切的概念，提出了乳化沥青动态剪切流变性能的测试方法.

目前，国内外研究者对乳化沥青蒸发残留物的流变性能研究较多，但蒸发残留物的制备方式并没有形成统一方法.文中对不同制备温度下的乳化沥青蒸发残留物流变性能进行研究，分析乳化沥青材料特性及其残留物作用机制，准确地表征材料性能.

1 原材料

1.1 基质沥青

基质沥青为东海70#道路石油沥青，技术指标见表1.

表1 基质沥青技术指标

1.2 乳化剂

乳化剂为西安公路研究院提供的拌合型乳化剂，最佳用量为2.4%.按照图1的流程在试验室内制备乳化沥青，乳化沥青技术指标见表2.

图1 乳化沥青制备流程图

表2 乳化沥青技术指标

2 实 验

2.1 实验方案

在欧洲标准EN13074和美国ASTMD7497的基础上，对两种方法进行改进，得到三种乳化沥青蒸发残留物低温制备方法，并与我国现行规范方法(JTG E20—2011中T0651)进行对比.制备方法见图2.

图2 乳化沥青蒸发残留物制备流程图

2.2 试验方法

参照SHRP规范的推荐意见，温度扫描的测试条件：温度扫描范围40～76 ℃、荷载频率10 rad/s、应变值1%、升温速率1 ℃/min、采集10个点.频率扫描的测试条件：荷载作用角频率范围0.1～100 rad/s、试验温度为50和60 ℃.记录复数剪切模量(G*)、相位角(δ)、储能模量(G′)、损耗模量(G″)，以及车辙因子(G*/sinδ)等指标.MSCR试验通过应力控制方式，试验过程分为加载和卸载两个阶段，乳化沥青蒸发残留物分阶段施加0.1和3.2 kPa两个应力水平，每个应力水平下加载时间为1 s，卸载时间为9 s，分别加载10个周期，试验温度64 ℃，分别记录每个蠕变-恢复周期内的峰值应变γp、残留应变γnr和初始应变γ0，计算相关参数，即

Jnr=(γnr-γ0)/τ

(1)

R=(γp-γnr)/(γp-γ0)×100

(2)

Jnr,diff=(Jnr,3.2-Jnr,0.1)/Jnr,0.1×100

(3)

Rdiff=(R0.1-R3.2)/R0.1×100

(4)

式中：Jnr为不可恢复蠕变柔量,kPa-1；R为变形恢复率，%；γnr为每个加载周期内的残余变形，ε；γ0为每个加载周期内的初始应变，ε；τ为每个加载周期的应力水平，kPa；γp为每个加载周期内的峰值应变，ε；Jnr,diff为应力敏感性参数，%；Jnr,0.1为应力水平为0.1 kPa时的不可恢复蠕变柔量，kPa-1；Jnr,3.2为应力水平为3.2 kPa时的不可恢复蠕变柔量，kPa-1；Rdiff为弹性敏感性参数，%；R0.1为应力水平为0.1 kPa时的变形恢复率，%；Jnr,3.2为应力水平为3.2 kPa时的变形恢复率，%.

3 试验结果分析

3.1 常规试验结果

图3为常规试验结果.由图3可知：随着乳化沥青蒸发残留物制备温度的升高残留物的针入度和延度逐渐降低，软化点逐渐增加.且采用60 ℃制备残留物时，残留物的针入度和延度均大于基质沥青，软化点小于基质沥青.采用我国现行规范试验方法(135 ℃)制备乳化沥青残留物时要时刻搅拌，该做法使乳化沥青中的乳化剂蒸发更加彻底，且135 ℃下不间断加热30 min足以使乳化沥青中的沥青发生一定程度的老化，因此该制备方式制备残留物的软化点更高，延度和针入度更小.

图3 常规试验结果

3.2 温度扫描试验结果

图4为温度扫描试验结果.由图4可知：随着试验温度的升高使得残留物的抗变形能量逐渐降低；残留物的粘性随着试验温度的升高逐渐增大；采用现行规范方法(135 ℃)制备的残留物损耗模量G″、储能模量G′、复数模量G*、复数黏度η*及车辙因子G*/sinθ明显小于60，85及110 ℃制备的残留物，而相位角δ明显大于其他三种方法；SHRP研究成果提出原样沥青的车辙因子不应小于1.0 kPa，采用规范方法(135 ℃)制备的残留物车辙因子G*/sinθ为1.0 kPa对应的试验温度为73.13 ℃，而采用低温(60 ℃)或中温(85 ℃、110 ℃)时，直至试验停止车辙因子G*/sinθ仍大于1.0 kPa，76 ℃时的车辙因子分别为1.38，1.36，1.13 kPa.

图4 温度扫描试验结果

3.3 50 ℃频率扫描结果

图5为50 ℃频率扫描试验结果.由图5可知：双对数坐标下乳化沥青蒸发残留物的损耗模量G″、储能模量G′、复数模量G*、复数黏度η*及车辙因子G*/sinθ与加载频率间的主曲线几乎表现为直线，且随着频率的增加残留物的复数模量G*等参数逐渐增加；其中低频区残留物的损耗模量G″、储能模量G′、复数模量G*、复数黏度η*及车辙因子G*/sinθ随频率的增加增长较快，高频区的复数模量G*等参数增长较为缓慢，流变性能较低频时更优；残留物的相位角δ随频率的增加而逐渐减小；残留物制备温度越高，残留物的高温抗变形性能有所提升；相位角δ随频率的变化规律与复数模量G*相反.

图5 50 ℃频率扫描试验结果

3.4 60 ℃下频率扫描试验结果

图6为60 ℃频率扫描试验结果.由图6可知：60 ℃频率扫描试验结果与50 ℃有相似的规律，二者主要区别在于60 ℃下损耗模量G″、储能模量G′、复数模量G*、复数黏度η*及车辙因子G*/sinθ要小于50 ℃时，相位角δ较50 ℃更小，其主要原因沥青是粘弹性材料，低温时沥青表现为弹性，中温时沥青表现为粘弹性，试验温度越高沥青的粘性越大，因此60 ℃时残留物的复数模量G*等参数较50 ℃时更小，相位角δ更大.

图6 60 ℃频率扫描试验结果

3.5 MSCR试验结果

图7为MSCR试验结果.由图7可知：应力为100 Pa时，乳化沥青残留物的蠕变柔量Jnr的随制备温度的升高而逐渐增幅大；应力为3 200 Pa时，不可恢复蠕变柔量Jnr随制备温度的升高而逐渐降低；变形恢复率R随制备温度的增加而逐渐减小，说明残留物的弹性变形能力逐渐降低；乳化沥青蒸发残留物的应力敏感性参数Jnr,diff随制备温度的升高而逐渐降低；AASHTO M332规范中明确采用MSCR试验评价沥青的高温PG分级时，采用3.2 kPa下的不可恢复蠕变柔量Jnr，且规定在试验温度下Jnr，3.2为2～4时对应的交通等级为S(轻交通)、1～2时为H(中交通)、0.5～1时为V(重交通)、0～0.5时为E(特重交通)[13]，根据试验结果可以发现60 ℃制备的乳化沥青蒸发残留物的Jnr，3.2大于4，不符合采用MSCR试验确定的PG-64的技术要求，其余三种温度下制备的残留物满足PG64S的要求；同时AASHTO M332中规定沥青的应力敏感性参数不应大于75%[14]，采用规范方法(135 ℃)制备的乳化沥青蒸发残留物应力敏感性参数仅为17.06%，远小于该要求，因此采用规范方法(135 ℃)制备的残留不能满足AASHTO M332的技术要求；残留物的弹性敏感性参数Rdiff随制备温度的变化规律整体上呈现随制备温度的升高弹性敏感性参数Rdiff逐渐降低.

图7 MSCR试验结果

4 结 论

1) 乳化沥青蒸发残留物的针入度、软化点随制备温度的升高而随之增大，延度随制备温度升高而减小.

2) 乳化沥青蒸发残留物的损耗模量、储能模量、复数模量、复数黏度及车辙因子随试验温度的升高而逐渐减小，相位角δ随试验温度升高逐渐增大，且高温蒸发条件降低了乳化沥青残留物PG分级温度.

3) 乳化沥青蒸发残留物的损耗模量、储能模量、复数模量、复数黏度及车辙因子与加载频率间的主曲线几乎表现为直线；中低频区残留物流变参数随频率的增加增长速度较快，高频区增长速率较为缓慢；残留物制备温度越高，残留物的高温性能有所提升.

4) 低应力时，乳化沥青残留物的蠕变柔量的随制备温度的升高而逐渐增幅大；高应力时，不可恢复蠕变柔量随制备温度的升高而逐渐降低；变形恢复率随制备温度的增加而逐渐减小，应力敏感性参数随制备温度的升高而逐渐降低；采用我国现行规范方法制备乳化沥青蒸发残留物时，残留物的高温性能不能满足AASHTO M332的技术要求；综合考虑试验的便捷性及试验时间，建议在85 ℃和110 ℃下制备乳化沥青蒸发残留物.