溫拌橡膠瀝青混合料的施工技術及性能研究

熊 輝

（貴州省交通建設工程質量監督局，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

溫拌技術能降低瀝青混合料的生產和施工溫度，不但能適應較低溫度的施工環境，而且施工污染相對較少，同時節約施工資源；因此隨著溫拌技術的推廣和應用，溫拌劑及其溫拌瀝青混合料的路用性能得到愈來愈多的關注和研究［1-3］。相關研究表明，溫拌技術可以使混合料的施工溫度下降20℃～40℃，溫度的降低意味著能耗的減少，同時高溫導致的施工污染也可以得到抑制。通常條件下，瀝青混合料的生產拌合溫度是根據施工規范中提出的黏溫曲線進行確定［4-7］。但是，業內研究人員指出，對于溫拌瀝青混合料，這種基于等黏度原則確定的施工拌合溫度適用性并不理想［8］。目前，在道路工程施工過程中，不少單位往往根據原材料廠家提供的生產條件來推斷溫拌混合料的生產拌合溫度以及壓實施工溫度。然而，不同生產廠家的溫拌劑性能存在差異，不同的溫拌劑對瀝青混合料施工溫度和路用性能產生的影響不一樣，產生的節能減排效應也不盡相同［9-10］。

本文采用Sasobit、Aspha-min、Evotherm三種溫拌劑制備溫拌橡膠瀝青混合料，對比等黏原則法和目標空隙率法研究溫拌橡膠瀝青混合料的施工溫度，通過與熱拌橡膠瀝青混合料進行對比，研究摻入溫拌劑后混合料的路用性能以及節能減排效益。

1 試驗材料

1.1 原材料

試驗采用基本性能指標如表1所示的殼牌90＃基質瀝青，橡膠粉采用技術指標如表2所示的60目斜胎膠粉。溫拌劑分別采用Sasol Wax公司生產的Sasobit、Eurovia公司生產的 Aspha-min、Mead-Westvac公司生產的Evotherm。礦質集料均為石灰巖集料，礦粉使用石灰巖礦粉。

表1 基質瀝青技術指標

表2 橡膠粉技術指標

1.2 改性瀝青的制備

本文采用濕法制備橡膠瀝青，將22%（橡膠粉占基質瀝青的質量百分比）的60目橡膠粉摻入基質瀝青中，在180℃的條件下高速（2 500r·min-1）剪切60min，攪拌制得的橡膠瀝青直接用于拌合混合料以及制備溫拌橡膠瀝青。在制備好的橡膠瀝青中加入一定量的Sasobit溫拌劑，在同樣的剪切條件下攪拌反應5～10min，得到溫拌橡膠瀝青，用以確定施工溫度的研究，并拌制混合料，研究其路用性能。

采用干法制備Asp-溫拌橡膠瀝青混合料，先將集料拌合90s，然后均勻散布0.3%的Aspha-min溫拌劑，拌合90s，最后依次加入橡膠瀝青和礦粉，制成Asp-溫拌橡膠瀝青混合料。對于Ev-溫拌橡膠瀝青混合料，先將拌合90s的集料歸攏在拌鍋一側，在另一側加入橡膠瀝青，同時將Evotherm溫拌劑按照1∶19的比例倒在橡膠瀝青上，立刻拌合制備成Ev-溫拌橡膠瀝青混合料。

2 施工溫度的確定

2.1 基于黏溫曲線確定施工溫度

通過Brookfield旋轉黏度測試儀來測定橡膠瀝青以及Sasobit溫拌橡膠瀝青的黏度，結果如圖1所示。由圖1可以看出，溫度升高，膠結料的黏度明顯下降。各試驗溫度下，隨著Sasobit摻量的增加，膠結料黏度逐漸下降；但是當Sasobit摻量超過3%，黏度下降的趨勢逐漸變緩。圖2所示的降黏比是指同樣試驗溫度下，不同摻量的膠結料黏度下降值與橡膠瀝青黏度的比值。由圖2可以明顯看出，當Sasobit摻量在3%～4%時，降黏比達到最大值，隨著Sasobit摻量繼續增加，降黏比出現略微下降。

圖3給出了不同Sasobit摻量下的黏溫曲線。假定各膠結料的拌合以及壓實溫度滿足規范規定的黏度值，由此可確定各膠結料的拌合及壓實溫度。由圖3可以看出，基于等黏原則，達到規定黏度時的拌合及壓實溫度基本均超過200℃。可見，基于黏溫曲線確定的施工溫度偏差較大，實際施工時不可取。

2.2 基于目標空隙率確定施工溫度

瀝青路面路用性能的好壞與其壓實施工的效果關系密切，空隙率是瀝青路面壓實是否達到要求的評價指標，基于該指標來確定混合料的施工溫度是合理的［11-12］。根據施工控制的目標空隙率4%，采用馬歇爾擊實成型AC-13混合料試件，混合料級配如圖4所示。

圖2 不同Sasobit摻量的降黏比

圖3 不同Sasobit摻量膠結料的黏溫曲線

圖4 AC-13混合料級配曲線

在最佳瀝青用量下成型橡膠瀝青AC-13和Sasobit溫拌橡膠瀝青AC-13、Aspha-min溫拌橡膠瀝青AC-13和Evotherm溫拌橡膠瀝青AC-13，成型溫度分別為120℃、135℃、150℃、160℃、175℃、185℃。根據前面的研究，Sasobit摻量選擇3.5%，分別測量不同壓實溫度下成型試件的空隙率，結果如圖5所示。可以看出，不同摻量的混合料的空隙率均隨著壓實溫度的升高而逐漸減小。達到目標空隙率（4%）時，橡膠瀝青混合料的壓實溫度為175℃，摻加3.5%Sasobit溫拌劑的混合料的壓實溫度為152℃，Sasobit溫拌劑的加入使橡膠瀝青混合料的壓實溫度降低了23℃。

圖5 混合料試件空隙率與壓實溫度的關系

對比2種方法，基于黏溫曲線來確定Sasobit溫拌瀝青混合料的施工溫度偏頗較大，而基于目標空隙率確定的施工溫度有顯著下降，確實反映出了溫拌技術的效果。這是由于：在超過100℃的條件下，Sasobit熔于橡膠瀝青中，對集料顆粒之間的接觸具有良好的潤滑效應，因此有利于混合料的拌合以及壓實，相對而言降低了混合料的施工溫度。

摻加Aspha-min溫拌劑的混合料的壓實溫度為149℃，與橡膠瀝青混合料的壓實溫度相比降低了26℃；摻加Evotherm溫拌劑的混合料的壓實溫度為145℃，與橡膠瀝青混合料的壓實溫度相比降低了30℃。一般混合料的拌合溫度高于壓實溫度10℃～15℃，因此各混合料的施工溫度如表3所示。

表3 各混合料的施工溫度

3 路用性能評價

根據表3確定的施工溫度在實驗室內成型混合料試件，基于熱拌橡膠瀝青混合料的路用性能，通過車轍試驗、低溫彎曲試驗、真空飽水馬歇爾試驗分別對混合料的高溫性能、低溫性能以及水穩定性能進行分析。

3.1 高溫性能評價

橡膠瀝青混合料和3種溫拌橡膠瀝青混合料的車轍試驗結果如表4所示。

表4 車轍試驗結果

由表4可知，Sasobit和Evotherm溫拌劑的加入使橡膠瀝青混合料的動穩定度得以提升，Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料的動穩定度最大，表現出較好的高溫性能。這是由于：溫拌劑加入后混合料的溫度下降，使瀝青混合料的老化情況相對得到弱化，同時溫拌劑增加了瀝青膠結料與礦質集料的顆粒摩擦，混合料的黏聚力以及內摩擦角增大，進而提升了混合料的抗剪切能力。而Aspha-min溫拌劑的加入使得混合料的動穩定度略有下降，對其高溫性能有一定程度的不利影響。

3.2 低溫性能評價

橡膠瀝青混合料和3種溫拌橡膠瀝青混合料的低溫彎曲試驗結果如表5所示。

表5 低溫彎曲試驗結果

以規范推薦的最大彎拉應變為評價指標來評價幾種溫拌混合料的低溫性能。由表5可以看出，加入Aspha-min和Evotherm溫拌劑后，橡膠瀝青混合料的低溫性能得以提升，尤其是加入Aspha-min溫拌劑后，混合料的最大彎拉應變值最大，低溫性能相對最好。而加入Sasobit溫拌劑后，混合料的最大彎拉應變要低于熱拌橡膠瀝青混合料，說明Sasobit溫拌劑的加入對混合料的低溫性能產生了負面影響。這是因為Sasobit溫拌劑降低了橡膠瀝青的延度，進而使混合料的低溫性能下降、低溫抗裂能力減弱。

3.3 水穩定性能評價

橡膠瀝青混合料和3種溫拌橡膠瀝青混合料的真空飽水馬歇爾試驗結果如表6所示。

表6 真空飽水馬歇爾試驗結果

試驗過程中各混合料都沒有出現明顯的剝落現象，均表現出一定的抗水損害性能。加入Sasobit溫拌劑后，橡膠瀝青混合料的抗水損害能力進一步得到提升。這是由于：Sasobit溫拌劑可以使膠結料與集料顆粒之間的黏附力進一步加強，在水分進入混合料內部后，減弱其對瀝青黏附性能的影響，強化混合料的抗剝落能力，提升混合料的水穩定性能。但是，Aspha-min和Evotherm溫拌劑的加入相對削弱了橡膠瀝青混合料的抗水損害性能，殘留穩定度值下降。

4 節能減排效益分析

4.1節能效益分析

溫拌技術由于使混合料的拌合及壓實溫度有一定幅度的下降，從而降低了供給生產溫度而產生的能耗，同時減少了熱拌技術引起的瀝青煙等有害污染物的大量排放。通過式（1）可計算出各混合料在生產過程中由于溫度降低所節約的能耗。

式中：Q為節約能耗（J·kg-1）；C為物質的比熱容（J·（kg·℃）-1）；M 為混合料質量，本文均按單位質量1kg取值；ΔT為相比熱拌橡膠瀝青混合料生產溫度所降低的溫度（℃）。

本文采用的液態瀝青的比熱容為1 340J·（kg·℃）-1，礦質集料的比熱容為920J·（kg·℃）-1，根據混合料配比計算混合料的比熱容。進一步，1t重油產生的能量大約為42.5×106J，根據計算得到的節約能耗值可推算生產過程中節約的燃油，結果見表7。

表7 生產1t溫拌橡膠瀝青混合料的節能效益

由表7可知，3種溫拌劑都不同程度地節約了生產能耗，其中Evotherm溫拌劑的節能效益最大，相比熱拌橡膠瀝青混合料，每噸Ev-溫拌橡膠混合料可節約能耗29 390kJ，節約燃油0.691kg，Aspha-min溫拌劑次之，Sasobit溫拌劑的節能效果相對最小。

4.2 減排效益分析

橡膠瀝青混合料由于生產和壓實溫度較高，在生產和施工過程中往往排放出大量對施工人員以及環境有害的物質，本文對混合料拌合站以及施工現場的空氣質量進行檢測，對比橡膠瀝青混合料以及3種溫拌橡膠瀝青混合料在生產及施工過程中有害物質的排放，基于熱拌橡膠瀝青混合料計算了溫拌劑的摻加對有害物質排放的抑制效果，結果如圖6、7所示。

從圖6、7可以發現，在生產過程中，相比熱拌橡膠瀝青混合料，3種溫拌劑的添加均可減少二氧化碳排放量50%以上，降低一氧化碳排放量20%左右，減少氮氧化合物和二氧化硫的排放量70%左右，有效降低了生產過程中產生的煙塵濃度，尤其是加入Evotherm溫拌劑后，煙塵濃度降低一半以上。在施工過程中，溫拌劑的摻加可降低瀝青煙濃度60%以上，減少95%的苯可溶物排放量，降低苯 ［a］并芘濃度約70%左右。無論在生產過程還是施工過程中，Evotherm溫拌劑的減排效果均好于另外兩者，Sasobit溫拌劑的減排效果相對較差，這一結果與溫拌劑對熱拌橡膠瀝青混合料的降溫幅度有關，采用降溫幅度較大的溫拌劑制備的混合料在生產和施工過程中產生的有害物質相對較少。

圖6 生產過程中的減排效益

圖7 施工過程中的減排效益

5 結 語

（1）基于Sa-溫拌橡膠瀝青混合料，對比等黏原則法和目標空隙率法確定的生產和施工溫度后，認為通過控制混合料目標空隙率得到的壓實溫度比較符合實際，并確定Sasobit溫拌劑的適宜摻量為3.5%。3種溫拌劑的摻加在不同程度上降低了橡膠瀝青混合料的生產溫度，Evotherm溫拌劑的降溫幅度最大，其次是Aspha-min，Sasobit溫拌劑的降溫幅度相對較小。

（2）三種溫拌劑制得的溫拌瀝青混合料的路用性能基本都滿足規范要求，Sasobit溫拌劑的摻加能有效改善混合料的高溫性能及水穩定性能，但降低了低溫抗裂性能。Aspha-min溫拌劑有助于改善橡膠瀝青混合料的低溫性能，但對高溫性能和水穩定性能不利。

（3）添加3種溫拌劑生產的溫拌橡膠瀝青混合料均在生產和施工過程中具有節能減排效益。其中，Evotherm溫拌劑的節能減排效益最好。