溫拌劑對瀝青混合料性能的影響研究

■林 斌

(1.福建省交通科學技術研究所;2.福建省公路水運重點試驗室，福州 350001)

溫拌劑對瀝青混合料性能的影響研究

■林 斌1,2

(1.福建省交通科學技術研究所;2.福建省公路水運重點試驗室，福州 350001)

國家早在《十一五綱要》中就提出了單位國內生產總值能耗降低20%左右，溫拌瀝青的出現則為交通行業的節能減排工作做出了貢獻。本文從對溫拌瀝青的性能分析入手，通過室內試驗研究了溫拌瀝青混合料的高溫性能、水穩定性和低溫抗裂性等路用性能，并對國內的研究試驗方法提出了建議。

溫拌瀝青 溫拌瀝青混合料 路用性能

目前我國大多采用傳統的熱拌瀝青混合料HMA (HotMixtureAsphalt)，這種工藝的瀝青混合料是將瀝青和礦料分別加熱到150℃和160～180℃左右，再在160℃的高溫下進行拌和，而攤鋪和碾壓時的溫度也不得低于120℃，因此不僅要消耗大量的能源，而且在生產和施工的過程中還會排放大量的廢氣和粉塵，周圍的環境和施工人員的健康受到嚴重影響。溫拌技術是一種新興的綠色技術，該技術通過一定的措施，使混合料可以在相對較低的溫度下進行拌和、攤鋪與壓實，同時保持其技術性能不低于HMA，這樣就節省了能源的消耗和煙塵的排放。除此之外，溫拌技術還能延長設備的使用壽命，提高交通開放的效率等。

1 溫拌劑簡介

本文采用兩種不同類型的溫拌劑，分別為南非Sasol-Wax公司生產的Sasobit溫拌劑和美國Meadwestvaco公司生產的Evotherm第二代溫拌劑 (DAT)。

溫拌劑Sasobit也被稱作固體石蠟，外觀呈白色或者淡黃色的固體小顆粒，如圖1所示。其化學成分為合成的長鏈飽和碳氫化合物，獨特的化學組成使其廣泛用于瀝青混合料中，具有優良的性能。其作用機理是通過降低瀝青膠結料的高溫粘度，但不降低其低溫粘度，從而降低瀝青混合料的拌和與壓實溫度。

Evotherm第二代產品 (DAT)為一定濃度的暗黃色水溶液，主要成分是表面活性劑，如圖2所示，其分子結構由兩部分組成：長碳鏈的親油基團 (尾部)和極性的親水基團 (頭部)，而頭部親水、尾部親油的特性決定了表面活性劑在介質中向界面位置富集的特性和特殊的介質溶解狀態。其作用機理是通過少量的表面活性劑、水與瀝青在拌和中的共同作用，借助強大的分散能力實現彼此融合，在膠結料內部形成較為穩定的結構水膜，水膜潤滑作用不受溫度影響，溫度下降時，水膜潤滑作用能夠很大程度抵消瀝青粘度增大的影響，顯著增加瀝青混合料在較低溫度時的拌和工作性，從而實現溫拌，但其本身不具降粘的效果。

圖1 Sasobit溫拌劑

圖2 DAT溫拌劑

2 溫拌劑對瀝青性能的影響

本文選用AH70#基質瀝青分別添加Sasobit、DAT兩種溫拌劑制備溫拌瀝青，并測試AH70#,AH70#+Saso, AH70#+DAT三種瀝青的針入度、軟化點和延度，研究兩種溫拌劑對瀝青性能的影響。試驗結果見表1。

表1 瀝青指標測試結果

從表1中分析得出：添加Sasobit的AH70#瀝青指標都有明顯變化，針入度明顯降低，表明Sasobit使瀝青變硬、變稠，抗變形能力有所增加；軟化點明顯增大，這是因為當溫度低于Sasobit熔點時，Sasobit在瀝青中形成網狀晶體結構，從而提高瀝青的高溫性能；延度明顯降低，可見Sasobit會使瀝青變脆，低溫性能降低；粘度明顯降低，符合了Sasobit的作用機理。而添加DAT的AH70#瀝青指標都無明顯變化，這是因為制備DAT溫拌瀝青時，DAT中的水溶液己經基本揮發，只殘留少量的表面活性成分，對瀝青指標影響不大。

3 溫拌劑對瀝青混合料性能的影響

本文通過對比熱拌混合料及兩種不同類型溫拌混合料的路用性能，分析溫拌劑的降溫效果及對瀝青混合料性能的影響。

3.1 混合料組成設計

試驗采用AC-16C瀝青混合料，其合成級配如表2及圖3所示 (集料級配以方孔篩作為控制標準)，瀝青含量為4.6%。

表2 AC-16C瀝青混合料級配

圖3 級配曲線圖

普通基質瀝青混合料選取145℃作為壓實成型溫度，溫拌基質瀝青混合料分別選取145℃、130℃ 、115℃和100℃作為壓實成型溫度，相應的拌合溫度比成型溫度高約15℃。通過對比不同基質瀝青混合料在各成型溫度條件下的體積指標，探討兩種溫拌劑的降溫效果。馬歇爾試驗結果如表3及圖4所示。

圖4 瀝青混合料成型溫度與孔隙率的關系

表3 馬歇爾試驗結果

表4 成型溫度與孔隙率的回歸方程

由表3、表4及圖4分析得出，加入溫拌劑以后，瀝青混合料試件孔隙率與成型溫度之間的線性相關性較好，達到目標孔隙率4.47%時，添加Sasobit成型溫度約為124℃，下降了21℃，添加DAT成型溫度約為118℃，下降了27℃。這說明在添加了溫拌劑后，成型溫度得到了明顯的降低，而溫拌劑DAT具有更好的降溫效果。

3.2 溫拌瀝青混合料的高溫性能

在我國，大部分地區夏季最高氣溫都在35℃以上，瀝青路面要求耐受最高溫度要比最高氣溫高25℃，即60℃以上，瀝青路面在車載作用下會出現車轍等嚴重影瀝青路面使用性能的危害，所以研究瀝青路面的高溫性能是十分重要的。用于瀝青混合料高溫性能試驗的方法很多，下面將采用車轍試驗來進行研究。本次車轍試驗，使用300mm×300mm×50mm的試件，溫度為60℃，壓強0.7MPa。以得到的成型溫度分別成型混合料試件進行車轍試驗，結果如表5及圖5。

表5 車轍試驗結果

圖5 動穩定度

由表5及圖5分析得出：添加Sasobit混合料試件動穩定明顯提升，這是因為車轍試驗溫度低于Sasobit熔點，Sasobit仍以固態均勻分布在瀝青中形成網狀晶格結構，大大增強了混合料的勁度，所以提高了瀝青混合料的抗車轍能力。添加DAT混合料試件動穩定略有提升，這是因為在溫度還沒有達到使溫拌劑DAT內部化學鍵斷裂的時候，其內部親油基團吸附了瀝青中流動性較大的分子，與瀝青形成一種相對十分穩定的結構，故而提高了瀝青混合料的高溫穩定性。通過對比這兩種溫拌劑的試驗結果，Sasobit對瀝青混合料的高溫性能影響更大，效果更好。

3.3溫拌瀝青混合料的水穩定性能

瀝青面層的早期破壞多與水損害有關，水損害是水在汽車動載反復作用下進入到瀝青面層空隙里，從而對瀝青混合料引起沖刷和侵蝕，導致瀝青粘附性下降，瀝青膜從礦料表面脫落，瀝青路面產生坑槽、松散等損壞。由于溫拌瀝青混合料施工時的溫度降低，集料中的水分并不能完全蒸發，因此必定會影響瀝青混合料的水穩定性，這也是目前溫拌技術中不可避免的缺陷。本文采用瀝青混合料浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗來驗證溫拌瀝青混合料的水穩定性能，試驗結果如表6及圖6。

表6 水穩定性試驗結果

圖6 水穩定性試驗結果

由表6及圖6分析得出：三種瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比都符合規范要求。添加Sasobit溫拌劑后，瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均減小，這說明Sasobit溫拌劑對瀝青混合料的水穩定性有負面作用，這是因為混合料在較低的拌和溫度下，集料表面的水分沒有完全蒸發，導致集料與膠結料的粘結能力變弱，從而降低了瀝青混合料的水穩定性；而添加DAT溫拌劑后，瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均增大，這是因為DAT溫拌劑中親油基團和親水基團的化學鍵在高溫拌和中斷裂，親水基團連接的自由水分子迅速蒸發，并且帶走集料表面的自由水分，這個過程起到了降低集料表面含水率的作用，與瀝青抗剝落劑的作用類似，因此溫拌劑DAT提高了瀝青混合料的水穩定性。

3.4溫拌瀝青混合料的低溫性能

近年來，無論是冰凍地區還是非冰凍地區，均在使用期出現開裂問題，在溫差較大的地區尤為嚴重，這是因為在低溫條件下，瀝青混合料所承受的溫度應力超過了其所能承受的強度極限。本文采用低溫彎曲破壞試驗來驗證瀝青混合料的低溫性能，試驗結果如表7及圖7所示。

表7 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

圖7 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

由表7及圖7分析得出：添加Sasobit的瀝青混合料破壞應變明顯減小，這說明溫拌劑Sasobit對瀝青混合料的低溫性能有負面影響，這是因為溫度較低時，Sasobit會與小部分被它吸附又溶解它的瀝青飽和組分一起結晶析出，瀝青變脆變硬，從而導致混合料低溫性能下降。添加DAT的瀝青混合料破壞應變略有降低，但并不明顯，可見溫拌劑DAT對瀝青混合料的低溫性能影響不大。

4 結論與展望

本文分別討論了Sasobit與DAT兩種類型溫拌劑對瀝青及瀝青混合料的影響，得出了如下結論： (1)添加Sasobit的溫拌瀝青針入度、延度、粘度下降，軟化點增大，而添加DAT的溫拌瀝青影響不大，這是由兩者不同的作用機理決定的。 (2)通過分析成型溫度與瀝青混合料空隙率的關系，得出溫拌劑DAT比Sasobit具有更好的降溫效果。 (3)溫拌劑Sasobit可以明顯提高瀝青混合料的高溫穩定性，但其對瀝青混合料水穩定性和低溫性能的負面影響也是很明顯的，而溫拌劑DAT在瀝青混合料高溫穩定性和低溫性能方面的影響并不明顯，但其對于瀝青混合料的水穩定性有明顯的提高作用。

本文通過比較熱拌及兩種類型溫拌瀝青混合料的路用性能，得出溫拌技術相對于熱拌技術的優劣。由于溫拌技術具有良好的經濟和社會效益，具有比較廣闊的前景，因此完善其技術上的缺陷，使溫拌技術能夠廣泛應用于實踐，是今后需要深入研究的方向。

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