溶剂型冷补沥青黏度特性研究

刘洪波,唐 垚,田 宇,安 兵,陈 瑶

(1.黑龙江大学 建筑工程学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江大学 水利电力学院,哈尔滨 150080)

0 引 言

当今我国正处于经济建设高质量发展阶段,其中交通运输体系为中国经济发展增添了无限新动能,而沥青混凝土路面广泛应用于国家公路交通运输体系中。沥青混凝土路面在使用年限内易出现裂缝、松散和坑槽等病害,如果不进行及时的修补养护,病害部位将在车辆冲击荷载的持续作用下继续扩大,致使路面大面积受损,这对行车舒适性和安全性均会产生严重影响。因此,对道路坑槽部位进行及时的修补养护是十分必要的。冷补沥青混合料不受环境温度影响,可在任何天气和环境下正常对路面进行修补作业,且施工作业时无需现场加热拌和,不会产生沥青黑烟和粉尘,可节约大量不可再生能源,同时减少水蒸汽等温室气体的排放[1]。

冷补沥青的黏度是一个重要的性能指标,它直接影响冷补沥青的施工性能和使用寿命。目前,国内外在冷补沥青黏度方面做了较多研究。国内研究主要集中在不同添加剂对冷补沥青黏度的影响上。例如,张凤娇等通过添加SBS改性沥青来改善冷补沥青的黏度,并研究了不同添加剂比例下的黏度变化规律[2]。另外,针对不同地区的气候条件,杨帆等也探讨了冷补沥青黏度的变化规律,通过分析不同地区的气候变化规律,提出了一种基于温度变化的冷补沥青黏度预测模型[3]。

国外对于冷补沥青黏度的研究主要集中在材料的性能测试上。比如,一些研究通过使用旋转黏度计等设备,研究了冷补沥青黏度与温度和切变速率等因素的关系[4]。一些研究还使用纳米技术[5]等新型技术手段,探究了不同材料对于冷补沥青黏度的影响[6]。总而言之,关于冷补沥青黏度的研究主要涉及材料的改性和气候条件变化等。将新型技术手段应用于该领域的研究中,将会为冷补沥青的性能改进以及未来的研究方向提供重要的参考。

黏度是表征冷补沥青施工和易性的重要指标,黏度特性研究对冷补沥青配合比设计具有极其重要的意义。本研究利用溶剂型冷补沥青的设计原理及相关技术,优选0#柴油、航空煤油和科宁冷补添加剂等材料,采用单一变量法分别研究稀释剂类型、试验温度、恒温时长、稀释剂掺量和添加剂掺量对冷补沥青黏度的影响规律,并借助黏度和黏附性等试验完成冷补沥青配合比的设计。

1 冷补沥青的制备及试验方案

1.1 冷补沥青的制备

以盘锦油田90#沥青为基质沥青,选用0#柴油和航空煤油两种不同类型的溶剂作为稀释剂,加入科宁冷补添加剂制备溶剂型冷补沥青。冷补沥青制备工艺：将沥青在135 ℃下加热至融化流动状态,按比例加入稀释剂,使用高速剪切乳化机持续剪切30 min;控制沥青温度保持在(100±10) ℃,并按比例外掺科宁添加剂,继续剪切30 min,完成冷补沥青的制备。试验过程中应严格注意试验温度,过高的温度不仅会导致冷补沥青提前“老化”,还会造成大量稀释剂提前挥发。

为优化沥青、稀释剂和冷补添加剂的掺配比例,试配了不同配比的冷补沥青,测试其黏度。黏度测试参照中华人民共和国交通行业标准JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T 0625-2011《沥青旋转黏度试验(布洛克菲尔德黏度计法)》,采用上海昌吉地质仪器有限公司制造的NDJ-1C型布氏旋转黏度计测试试样的旋转黏度[7]。沥青和稀释剂各项技术指标如表1和表2所示。

表1 盘锦油田90#沥青基本技术指标Table 1 Basic technical index of 90# asphalt in Panjin Oilfield

表2 稀释剂基本技术指标Table 2 Basic technical index of diluents

1.2 试验方案

1.2.1稀释剂种类及试验温度对冷补沥青黏度的影响试验

分别将0#柴油和航空煤油作为冷补沥青稀释剂加入沥青中,测试试样在25、40、60和80 ℃下的黏度。参照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制作马歇尔试件,结合其初始强度和残留度测试结果,确定本文冷补沥青应该选用的稀释剂种类,并分析试验温度对冷补沥青黏度的影响规律。其中,为排除稀释剂和添加剂掺量对冷补沥青黏度的影响,试样稀释剂和科宁冷补添加剂掺量均为定值,分别为冷补沥青质量的20%和2%。

1.2.2恒温时长对冷补沥青黏度的影响试验

在分析不同试验温度对冷补沥青黏度的影响规律的基础上,进一步探究恒温条件下冷补沥青的黏度随恒温时长的变化规律,设计的试验方案如图1所示,测试柴油掺量为25%,试样在40和60 ℃恒温条件下放置1、2、3、4、5及6 h的黏度,研究恒温时长对冷补沥青黏度的影响规律。

图1 试验方案示意图Fig.1 Schematic diagram of test protocol

为保证冷补沥青内部稀释剂正常持续的挥发,试验过程中将冷补沥青均匀平铺在浅盆当中,然后分别置于40和60 ℃的恒温箱中保存,每隔一个小时取一次样,依照黏度试验方法测试试样黏度。试验期间冷补沥青应始终置于恒温箱中,尽可能减小冷补沥青的温度波动。

1.2.3稀释剂掺量对冷补沥青黏度的影响试验

测试航空煤油掺量分别为15%、20%和25%时,试样在25 ℃下的黏度,并与柴油掺入量分别为15%、20%和25%时试样在25 ℃下的黏度进行对比,研究稀释剂掺量对冷补沥青黏度的影响规律[8],并确定应该选用的稀释剂种类及其掺量,其中试样的科宁冷补添加剂掺量均为2%。

1.2.4添加剂掺量对冷补沥青黏度的影响

测试科宁冷补添加剂掺量分别为1%、2%和3%时,试样在25、40、60和80 ℃下的黏度,借助其对冷补沥青混合料的初始强度和黏附性的影响结果,研究科宁冷补添加剂掺量对冷补沥青黏度的影响规律,并确定应该选用的科宁冷补添加剂的掺量。

2 结果与分析

2.1 稀释剂种类及试验温度对冷补沥青黏度的影响

研究了稀释剂种类及试验温度对冷补沥青黏度的影响,试验结果如图2所示。由图2可知,尽管0#柴油和航空煤油均能有效降低冷补沥青的黏度,但两者对冷补沥青的黏度影响程度有所不同。当测试温度从25 ℃升至40 ℃时,0#柴油对于冷补沥青黏度的影响比航空煤油影响更大,黏度下降更快;温度继续升高,两种类型的冷补沥青下降速度均有所放缓;在整个试验过程中,以0#柴油为稀释剂的冷补沥青的黏度均高于航空煤油,且两者之间的差距随温度的升高不断减小。

图2 黏-温曲线Fig.2 Viscosity temperature curves

在测定冷补沥青黏度的基础上,分别使用两种类型稀释剂的冷补沥青制备冷补沥青混合料,并参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制作马歇尔试件,测试其初始强度和残留率,结果如表3所示。结果表明,以0#柴油为稀释剂的冷补沥青在常温下黏度过高,导致施工和易性较差,不利于冷补沥青混合料的压实。而选用航空煤油作为冷补沥青稀释剂,可以保证施工和易性,且能小幅改善冷补沥青混合料的初始强度与黏聚性[9]。

表3 不同稀释剂试验结果Table 3 Test results of different diluents

考虑到冷补沥青日常施工作业温度等因素,从试验温度对冷补沥青黏度影响的角度对图2中40～80 ℃的试验数据进行分析,发现冷补沥青的黏度与温度存在一定的关系,可以表达成如下形式：

ηt=Aoe-kt

(1)

式中：ηt表示冷补沥青的黏度;Ao表示与冷补沥青自身性质相关的常数;k为常数,反映温度对冷补沥青黏度的影响。拟合得到的参数如表4所示。

表4 拟合关系参数Table 4 Fitting relationship parameters

由表4可知,公式的相关系数均在0.99以上,公式拟合度高,可以较为准确地描述冷补沥青黏度与温度之间的关系[10]。同时,温度对柴油和航空煤油的黏度影响规律基本一致,相差不大。

因此,可以通过黏温曲线计算冷补沥青流动所需的活化能,计算公式如下：

η=Ae[Ea/RT]

(2)

式中：Ea表示流动所需活化能(kJ·mol-1);A为指前因子;T为绝对温度(K),T=273.15+t;R表示速率常数,取值为8.314 J·(mol·K)-1。

式(2)可转换为以下形式：

(3)

由表4的数据可得到lnη与1/T之间的关系,结果如图3所示。lnη与1/T之间呈现线性关系,相关系数R2均在0.99以上。由图3以及公式可以得到冷补沥青流动所需要的活化能,其为拟合直线的斜率与R值的乘积。因此,冷补沥青流动所需要的活化能分别为69.458和68.552 kJ·mol-1。故以柴油为稀释剂的冷补沥青流动所需的能量壁垒更高。

图3 lnη与1/T关系图Fig.3 Plots of lnη versus 1/T

2.2 恒温时长对冷补沥青黏度的影响

研究了恒温时长对冷补沥青黏度的影响规律,试验结果如图4所示。研究结果表明,在恒定温度条件下,随着恒温时长的增加,冷补沥青的黏度呈线性增长趋势,且相较于40 ℃,60 ℃恒温条件下的冷补沥青黏度增长速率更快,这主要归因于温度越高,稀释剂的挥发速度越快。探究恒温时长对冷补沥青黏度的影响规律对冷补沥青的长期储存稳定性具有一定的意义。

图4 恒温时长对冷补液黏度的影响Fig.4 Effect of holding time at constant temperature on the viscosity of cold replenishment solution

2.3 稀释剂掺量对冷补沥青黏度的影响

研究了稀释剂掺量对冷补沥青黏度的影响规律,试验结果如图5和图6所示。研究结果表明,随着稀释剂掺量的增加,冷补沥青的黏度急剧下降,以航空煤油为例,当稀释剂掺量为15%时,冷补沥青的黏度为106.00 Pa·s,当航空煤油的掺量增加至20%时,冷补沥青的黏度迅速下降至29.50 Pa·s。一般来说,普通沥青结合料黏度为283 Pa·s时,压实性能较好。由图3和图4可知,选用20%掺量的航空煤油和25%掺量的柴油,冷补沥青黏度分别为29.5和19.8 Pa·s,拌和时冷补沥青混合料均能达到较好的压实性。

图5 航空煤油掺量对冷补沥青黏度的影响Fig.5 Effect of aviation kerosene dosage on the viscosity of cold patch asphalt

图6 柴油掺量对冷补沥青黏度的影响Fig.6 Effect of diesel fuel dosage on the viscosity of cold patch asphalt

此外,当稀释剂掺量过大时,尽管其具有更好的施工和易性和长期储存稳定性[11],但冷补沥青混合料成型时间将大幅度延长,且混合料黏聚力较差,延长开放交通的时间。

2.4 添加剂掺量对冷补沥青黏度的影响

研究了不同科宁冷补添加剂掺量对冷补沥青黏度的影响规律,试验结果如表5所示。研究结果表明,科宁冷补添加剂的加入提高了冷补沥青混合料的施工和易性,极大地改善了冷补沥青与集料之间的黏附性,加速了冷补料初期强度的形成。在满足混合料初始强度要求的前提下,适当增加添加剂掺量,可以获得更好的黏附性[12]。因此,选择掺入20%的航空煤油作为稀释剂,同时外掺2%的科宁冷补添加剂制备冷补沥青。

表5 不同添加剂掺量试验结果Table 5 Test results of different additive dosing

3 结 论

(1) 稀释剂能够有效降低沥青胶浆的黏度,且不同类型的稀释剂对冷补沥青黏度的影响有所不同。选用航空煤油作为冷补沥青稀释剂,可以在保证施工和易性的基础上,小幅改善冷补沥青的初始强度与黏附性;

(2) 温度对柴油和航空煤油旋转黏度的影响规律基本一致,即冷补沥青的黏度随着温度的升高而下降。通过黏温曲线可知,以柴油为稀释剂的冷补沥青流动所需的能量壁垒较高。在恒定温度条件下,冷补沥青的黏度随着恒温时长的增加呈线性增长趋势。相较于40 ℃,60 ℃恒温条件下的冷补沥青黏度增长速率更快;

(3) 科宁冷补添加剂有效提高了冷补沥青混合料的施工和易性,极大地改善了冷补沥青与集料之间的黏附性,加速了混合料初期强度的形成。