EM型預拌增強瀝青混合料路用性能評價*

張 偉 張爭奇 徐耀輝 王洪海 韓金華 張紹權

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室1) 西安 710064) (廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司2) 廣州 510042) (唐山市交通運輸局公路管理站3) 唐山 063000)

0 引 言

積極推行節能減排、綠色發展的道路建設模式，是我國公路交通建設的必然方向.為了降低瀝青混合料路面鋪筑過程中的碳排放并達到經濟環保的目的，相關學者采用在瀝青混合料中加入溫拌劑的溫拌技術來實現節能減排，但該技術會增加建設成本、需要添加使用特殊的生產設備，并且還會在一定程度上損害混合料的路用性能[1-2].針對上述問題，國內研究學者曾提出先用高標號軟質瀝青對礦料進行預拌，使礦料在較低的溫度下拌和時被瀝青充分地裹覆，然后再用粒料狀的巖瀝青粉末對其復拌來提高混合料的強度，以此達到既不降低混合料的路用性能，又能實現環保節能的目的[3-4].但目前高標號的軟質瀝青在工程上很少大量使用，針對這一問題，本文開發一種基于表面活性劑的乳狀EM降黏劑[5]，能夠明顯地降低瀝青的黏度，從而顯著降低瀝青與混合料的拌和溫度，以此來實現節能環保的目的.類似于目前的溫拌技術，將EM降黏劑與SK70號基質瀝青混合后得到軟質瀝青，如此可降低施工溫度及改善瀝青混合料的施工和易性，然后再用巖瀝青復拌增強，彌補了有些溫拌技術對高溫性能的不利影響，而且可使預拌增強瀝青混合料技術能在現有的施工條件下得到應用推廣.

首先利用正交試驗，通過135 ℃黏度來確定EM降黏劑的配方；然后以瀝青性能指標為基礎，確定EM降黏劑在瀝青中的添加比例；最后通過對比預拌增強瀝青混合料、SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料以及0.3%Asp-SK70#溫拌瀝青混合料的路用性能來評價EM型預拌增強瀝青混合料路用性能的優劣和推廣應用的前景.

1 EM降黏劑開發

1.1 EM降黏劑的原材料

選擇適用于預拌增強并達到推廣應用的目的，則新開發的EM降黏劑需要在不損害瀝青性能的前提下具有合適的降黏效果，且其原材料應該來源方便、價格低.本文開發以EM降黏劑添加到SK70#基質瀝青后瀝青的性能為評價指標來確定EM降黏劑中各組成成分的比例.EM降黏劑由四種材料組成：①硬脂酸(stearic acid)為穩定劑，白色片狀結晶體，無味，凝點不低于54 ℃，碘值小于4，酸值為201～213，具有降低表面張力，保持混合物均勻穩定作用；②聚丙烯酸酯(amino resin)為絮凝劑，白色乳液，無味，密度0.95 g/cm3，相對分子量72.06，閃點50 ℃，具有較好的絮凝效果；③脂肪醇聚氧乙烯醚(fatty alcohol polyoxyethylene ether)為表面活性劑，無色透明液體，熔點41～45 ℃，沸點100 ℃，閃點>230 ℃，分子中的醚鍵不易被酸、堿破壞，性質穩定，易溶于水，不易電解;④卡洛胺(caro)為抗剝落劑，棕色黏稠液體，閃點>200 ℃，可以有效改善瀝青和集料之間的黏附力，從而提高混合料的水穩性能.

上述四種原材料中，硬脂酸可以降低降低瀝青表面張力；聚丙烯酸酯具有較好的絮凝效果，能保證新開發的EM降黏劑以及EM軟質瀝青在存儲過程中不產生離析現象；脂肪醇聚氧乙烯醚是一種表面活性劑，能保證新開發的EM降黏劑不被酸堿物質破壞，性質穩定，起到穩定增強作用；卡洛胺是一種抗剝落劑，由于基質瀝青在降黏過程中，瀝青與集料的黏附性會變差，進而影響瀝青混合料的水穩性能，而在EM降黏劑中加入卡洛胺，可以有效改善瀝青和集料之間的黏附力，從而提高混合料的水穩性能.與市面上傳統降黏劑相比，新開發的EM降黏劑所用原材料來源方便，且價格低廉，在綜合考慮性價比與EM軟質瀝青性能改善的同時，結合試驗室測試對比分析，選用上述四種原材料.

1.2 EM降黏劑開發試驗及結果分析

正交試驗是一種利用統計學方法，并依據實踐經驗來快速、高效處理多因素交互作用的問題，找出優化的組合方案.運用標準正交表來制定EM降黏劑的開發試驗方案.

EM降黏劑由硬脂酸、聚丙烯酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、卡洛胺(分別用S，A，F，C表示)四種材料組成，以四種材料作為因素，每種因素各選取四個水平進行四因素四水平正交試驗.試驗選用5%的EM降黏劑添加到SK70號基質瀝青中，以改性后的基質瀝青的針入度、軟化點、15 ℃延度、135 ℃黏度為指標對其性能進行分析并評價.并運用SPSS軟件對135 ℃黏度正交試驗結果進行分析，各因素對黏度的影響見圖1～2.

圖1 原材料摻量對135 ℃黏度的影響

圖2 不同配比下的黏度

由圖1～2可知，EM降黏劑中的四種材料對SK70號基質瀝青的黏度均有影響，并且隨著各種材料含量的增加，瀝青的135 ℃黏度整體上呈現出先下降后上升的凹型曲線變化趨勢，分析認為出現該現象的原因在于四種原材料除了硬脂酸之外均為液體，當加入一定量的這些材料之后會使瀝青變稀，表面張力減弱，從而黏度降低，但是當這些材料的含量達到一定界限后，相互之間可能發生了化學交互反應，從而使黏度又有所增加.依據黏度試驗結果，為了使EM降黏劑具有良好的降黏效果，現確定S，A，F，C四種材料的添加比例(質量比)為16∶3∶75∶12.

為了得到適用于預拌增強的軟質瀝青，將EM降黏劑以0%～7%的比例添加到SK70號基質瀝青中，分別測定各摻量下瀝青的性能指標，以此為基準確定EM降黏劑的摻量范圍.試驗結果見圖3.

圖3 EM降黏劑的摻量對瀝青性能的影響

由圖3可知，隨著EM降黏劑摻量的增加，瀝青的各性能指標變化為：針入度先增大后減小、軟化點先下降后上升、延度持續增大、各個溫度下的黏度先減小后增加.為了使瀝青的各項性能均符合要求，且能滿足預拌增強的條件，現推薦EM降黏劑的添加劑量為瀝青質量的2%～4%，本文后續試驗采用3%的添加比例.

2 預拌增強瀝青混合料制備工藝及試驗方案

2.1 試驗材料

巖瀝青采用青川(QC)和布敦(Buton)兩種不同性能指標的硬質瀝青，以SK70號石油瀝青作為試驗用基質瀝青，對比試驗瀝青采用SK70號基質瀝青和遼河石化SBS改性瀝青.通過試驗，在SK70號基質瀝青中加入3%的EM降黏劑可制得良好和易性的EM軟質瀝青.試驗采用玄武巖為粗集料，石灰巖為細集料，礦粉作為填料.各檔集料的技術性能指標測試結果均滿足《公路工程集料試驗規程》的要求.巖瀝青的性能指標見表1.

2.2 制備工藝

基于EM型預拌增強瀝青混合料的技術原理，在拌合混合料前先將SK70號基質瀝青加熱到135 ℃，然后加入3%(SK70號基質瀝青的質量分數)的EM降黏劑，并用高速剪切機攪拌剪切30 min，制得EM軟質瀝青，制得軟質瀝青后采用黏溫曲線確定EM軟質瀝青的加熱溫度為135 ℃左右，根據規范要求SK70號HMA拌和溫度為155～165 ℃，采用160 ℃.經上述分析可以得到采用自主開發的EM降黏劑制備出的軟質瀝青，可使瀝青加熱溫度降低20 ℃左右.

表1 巖瀝青性能試驗結果

EM型預拌增強瀝青混合料與對比試驗拌和工藝為見表2～3.

表2 瀝青混合料的拌和步驟

表3 試驗中混合料成型控制溫度

2.3 試驗方案

試驗采用工程中常用的AC-13級配，礦料級配見表4.

表4 礦料級配

按照規范要求，采用馬歇爾法對各瀝青混合料進行配合比設計[6]，確定EM型預拌增強瀝青混合料的油石比(EM軟質瀝青與集料質量比)為4.8%,同時為了便于對比分析，將對比組SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的油石比統一采用4.8%.

為了研究巖瀝青的摻量對兩種預拌增強瀝青混合料性能的影響，并推薦合適的布敦巖瀝青和青川巖瀝青摻量，試驗中對青川巖瀝青的復拌比例選擇了10%，15%，20%，25%四種，對布敦巖瀝青的復拌比例選擇了20%，30%，40%，50%四種.采用車轍試驗、半圓彎拉試驗[7]、凍融劈裂試驗來分別評價EM型預拌增強瀝青混合料的高溫抗車轍、低溫抗裂、抗水損壞性能.

3 路用性能試驗結果與分析

3.1 高溫性能

采用車轍試驗對混合料的高溫性能進行評價，與SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的試驗指標進行橫向比較，各種瀝青混合料動穩定度試驗結果見圖4.

圖4 不同巖瀝青摻量下混合料的動穩定度

由圖4可知：添加巖瀝青復拌增強得到的EM型預拌增強瀝青混合料的動穩定度值均遠大于SK70號基質瀝青混合料和溫拌瀝青混合料的動穩定度.對于添加青川(QC)巖瀝青的預拌增強瀝青混合料,當青川巖瀝青的添加比例為20%時，混合料的動穩定度最大;對于添加布敦(Buton)巖瀝青的預拌增強瀝青混合料，當布敦巖瀝青的摻量為30%時，混合料的動穩定度值超過了SBS改性瀝青混合料的，并且隨著巖瀝青摻量的繼續增加，預拌增強瀝青混合料的動穩定度值大體上呈現逐步穩定的趨勢.

以上試驗現象說明巖瀝青能夠顯著提升混合料的高溫性能，分析認為出現上述結果是因為巖瀝青是一種經過千萬年的高溫高壓、微生物分解、無機物觸媒等各種復雜的條件而形成的長期與大自然共存的一種物質，其組成中氮元素含量很高，并且多以官能團的形式存在，而這種形式的官能團能夠顯著的增強瀝青與集料間的黏附能力，這就使得混合料能夠形成一個更緊密的整體，在宏觀上就表現為抗車轍能力增強，這也是預拌增強技術中“增強”功能的具體體現.

為保證EM型預拌增強瀝青混合料具有良好的高溫性能，推薦青川巖瀝青的摻量為15%～20%，布敦巖瀝青的摻量為30%～40%.

3.2 低溫性能

混合料的低溫性能不良是導致瀝青路面在溫度較低的季節產生裂縫的主要因素[8].為了評價EM型預拌增強瀝青混合料的低溫性能，對EM型預拌增強瀝青混合料、SK70號HMA、SBS瀝青混合料和0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料在-10 ℃的條件下進行半圓彎拉試驗(SCB)，采用最大荷載、彎拉強度以及斷裂能密度三個參數評價混合料的低溫性能，試驗結果見圖5.

圖5 不同巖瀝青摻量下瀝青混合料的性能圖

由圖5可知：

1) 加入巖瀝青后得到的預拌增強瀝青混合料的SCB試驗參數(彎拉強度、最大荷載以及斷裂能密度)相比于目前常用的SK70號基質瀝青混合料均有一定程度的提升.分析認為，產生這種現象是由于EM降黏劑是一種近于液態的乳狀物質，在瀝青中添加EM降黏劑后使得瀝青的低溫性能得以提升，從而使得混合料的低溫性能也有所提高.同時巖瀝青的加入可以提高瀝青混合料的低溫抗彎拉強度.

2) 對于添加青川(QC)巖瀝青的預拌增強瀝青混合料,隨著巖瀝青摻量的增加，其SCB試驗參數均呈先上升后下降的趨勢，且在青川巖瀝青的摻量為15%時，其低溫性能最佳，當摻量超過20%時，就會對混合料的低溫性能有不利影響；對于添加布敦(Buton)巖瀝青的預拌增強瀝青混合料，在布敦巖瀝青的摻量為30%時，其SCB試驗參數最大，低溫性能最佳，而隨著巖瀝青摻量的增加，其SCB參數呈先上升后下降的趨勢.

3) 當青川巖瀝青的摻量超過15%、布敦巖瀝青的摻量超過30%時，兩種預拌增強瀝青混合料的SCB試驗參數都小于0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的，進一步說明巖瀝青的摻量會影響預拌增強瀝青混合料的低溫性能，拌制預拌增強混合料時需要控制巖瀝青的摻量.

3.3 水穩性能

瀝青混合料的抗水損害性能與路面的使用壽命密切相關，同時也影響著路面的行車舒適性[9-14].通過對EM型預拌增強瀝青混合料、SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料分別進行凍融劈裂試驗來對比評價EM型預拌增強環保瀝青混合料的水穩性能.凍融劈裂試驗結果見圖6.

圖6 不同巖瀝青摻量下瀝青混合料殘留強度比TSR

由圖6可知：

1) EM型預拌增強瀝青混合料的TSR值均顯著大于SK70號HMA和0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的，并且隨著巖瀝青摻量的增加，其TSR值呈現先上升后下降的變化趨勢.分析認為EM降黏劑的原材料中含有抗剝落劑卡洛胺，加入EM降黏劑后能改善混合料的水穩性能，且巖瀝青有很高的浸潤性，對自由氧化基有顯著的抵抗性，能夠明顯改善瀝青與混合料的黏附性和抗剝離性，從而提高混合料的水穩性能.

2) 凍融后的混合料的劈裂強度值R2隨著青川巖瀝青和布敦巖瀝青的摻量增加在不斷的升高，并且當青川巖瀝青的摻量為25%時，其R2值已經與SBS混合料的相當，這說明巖瀝青可提高混合料的抗拉強度.

4 結 論

1) 自開發的EM降黏劑中硬脂酸、聚丙烯酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、卡洛胺(S，A，F，C)四種材料的組成比例(質量比)為16∶3∶75∶12.推薦預拌增強瀝青混合料中EM降黏劑的添加劑量為瀝青質量的2%～4%，本文采用3%的添加比例.

2) EM型預拌增強混合料所用的EM軟質瀝青的加熱溫度比SK70號降低約20 ℃，具有較好的環保效果.

3) 基于EM降黏劑的預拌增強混合料各項路用性能與SK70號HMA、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料相比均有一定改善與提高，并且青川巖瀝青的改善效果優于布敦巖瀝青.

4) 當青川巖瀝青摻配比例為20%、或者布敦巖瀝青的摻配比例為30%時，EM型預拌增強瀝青混合料的各項路用性能達到最佳.