不同溫拌劑對SBS改性瀝青及其OGFC混合料性能影響研究*

董 浩 董夫強 王俊彥 梁星敏

(河海大學土木與交通學院 南京 210098)

0 引 言

傳統瀝青路面為保證施工便易性需要高溫環境，長期高溫條件會使得瀝青老化，降低路用性能，且生產瀝青混合料增加能耗的同時又伴隨大量毒害氣體，增加成本的同時也造成了環境污染[1-3].

自20世紀90年代《京都協定書》簽署以來，世界各國加大了對新型環保瀝青路面的研究，排水路面(OGFC)和溫拌技術隨之產生.OGFC由于粗集料多、空隙大，具有抗滑、抗車轍及降噪的特點，可有效減少不良氣候環境交通事故概率.但其對瀝青質量和施工工藝的要求也相應提高，需要高黏改性瀝青和更高的施工溫度才能滿足OGFC路面的強度要求.溫拌技術可通過不同的方法有效降低瀝青的低溫黏度，進而可增加低溫條件下施工便易性.若將溫拌技術與OGFC有機結合起來可緩解上述問題.經過20多年的發展，溫拌技術按工作原理可分為乳化分散降黏技術、發泡降黏技術和有機降黏技術[4-6].其中南非某公司生產的Sasobit是目前研究和應用最為廣泛的一種有機類溫拌劑，并且已經有了大量的試驗路段，其施工效果和路用性能均不錯.我國深圳某公司在引進外國溫拌技術，自主研發出了一種有機類溫拌劑EC-120.但當前國內外對Sasobit和EC-120溫拌劑在OGFC的應用對比研究很少[7-8].

基于此，文中分別考察了2%，3%，4%，5%摻量Sasobit、EC-120的 SBS改性瀝青降黏效果和60 ℃黏度、三大指標及其OGFC的孔隙率、馬歇爾穩定度、小梁彎曲、凍融劈裂、車轍等試驗，研究SBS瀝青及其OGFC在不同摻量兩種溫拌劑下的性能對比，進而更好指導溫拌技術在OGFC中應用.

1 材 料

瀝青采用南通通沙瀝青科技有限公司生產的成品SBS瀝青，其性能指標見表1.Sasobit和EC-120兩種溫拌劑為市購產品，兩種溫拌劑摻量以瀝青質量為標準，均定為2%，3%，4%，5%.混合料類型為OGFC-13，所用木質素纖維為市購，摻量是混合料質量的0.3%.考慮到不同瀝青摻量會影響OGFC的試驗指標而無法確定Sasobit和EC-120的性能差異，結合施工經驗本文中混合料均采用5%的油石比.

表1 SBS瀝青主要技術指標

參考兩種溫拌劑的指導書與相關技術要求，兩種溫拌劑產品經攪拌或剪切10～15 min均可完全溶解在120 ℃以上瀝青中，并且不會產生離析現象.本文將相應的溫拌劑加入165 ℃SBS瀝青中攪拌10 min制備溫拌瀝青.溫拌瀝青混合料制備的前提需要先制備好溫拌瀝青，之后將木質纖維加入已經預熱的集料中干拌，然后再將溫拌瀝青加入進行濕拌，最后將礦粉加入再次拌和制備溫拌瀝青混合料[9-10].

2 溫拌劑降溫效果研究

2.1 溫拌劑SBS改性瀝青降溫效果

通過Brookfield黏度儀分別測試摻加2%，3%，4%，5%的Sasobit和EC-120兩種溫拌劑的SBS瀝青在125，135，145，155，165 ℃溫度下的黏度，并繪制黏溫曲線圖，見圖1.以165 ℃下SBS瀝青黏度1.10 Pa·s為標準，分別依據黏溫曲線圖推算出相應溫拌瀝青達到1.10 Pa·s時所需溫度確定等黏溫度，對比分析不同摻量下Sasobit和EC-120對SBS瀝青的黏度影響，見表2.

圖1 溫拌SBS瀝青黏溫曲線圖

類型溫拌劑種類溫拌劑摻量/%02345等黏溫度/℃SasobitEC-120165165155160144155139147136143

由圖1可知，在同等條件下，Sasobit和EC-120均可降低SBS瀝青的黏度，且摻量越多、溫度越高黏度越小，但降黏趨勢卻在逐漸減緩.根據圖1的黏溫曲線圖，以1.10 Pa·s為標準，推算出添加不同摻量兩種溫拌劑的SBS瀝青所對應的等黏溫度.由表2可知，Sasobit和EC-120具有明顯的降溫能力，但降溫趨勢會隨溫拌劑摻量增加而逐漸減緩.同等摻量情況下Sasobit降溫能力要明顯高出EC-120，EC-120摻量在5%時與3%Sasobit摻量的降溫效果達到相近.3%Sasobit可達到最佳降溫效果，降低等黏溫度21 ℃，EC-120最佳降溫效果為4%左右添加量，降溫約18 ℃.說明Sasobit降溫效果相比EC-120更優，使用Sasobit可適當減少溫拌劑摻量.

2.2 溫拌劑對OGFC混合料降溫效果

采用擊實成型儀在125，135，145，155，165 ℃四個溫度下雙面擊實50次制備2%，3%，4%，5%摻量Sasobit和EC-120的標準馬歇爾試件，通過體積法測試試件的基本體積指標來計算孔隙率，并繪制擊實溫度與孔隙率之間的孔隙率-溫度關系曲線圖，見圖2.以165 ℃擊實溫度條件下普通OGFC試件孔隙率22.1%作為目標體積指標，分別依據孔隙率-溫度關系曲線圖推算出達到目標體積指標時所需溫度確定等孔隙率溫度，對比分析不同摻量下Sasobit和EC-120對OGFC孔隙率影響，見表3.

圖2 溫拌OGFC孔隙率-溫度關系曲線圖

類型溫拌劑種類溫拌劑摻量/%02345等孔隙率溫度/℃SasobitEC-120165165152158141152135141131138

由圖2可知，在同等條件下，Sasobit和EC-120可降低OGFC孔隙率，摻量和擊實溫度的增加使得孔隙率逐漸降低，但降低趨勢稍有所減緩.根據圖2由孔隙率-溫度關系曲線圖，以22.1%的孔隙率作為標準，推算出不同添加量兩種溫拌劑所對應的等孔隙率溫度.由表3得出，Sasobit和EC-120均有明顯降低OGFC制備溫度的能力，降低趨勢隨添加量的增加稍有減緩.與Sasobit和EC-120對SBS瀝青降溫能力相似，同等摻量Sasobit降溫能力要優于EC-120，EC-120摻量在4%時與3%摻量Sasobit的降溫幅度相近.并且3%Sasobit可達到最佳降溫效果，而EC-120最佳降溫效果為3%～4%添加量.

對比等黏溫度法和等體積法中Sasobit和EC-120對SBS瀝青和OGFC實驗結果，可知兩種方法具有相似的規律，溫拌劑摻量和實驗溫度的提高均增加降溫幅度，在同等條件下，采用等黏溫度法所得出的溫拌劑的降溫效果要比采用等體積法得出的降溫效果偏低2～5 ℃，相當于等黏溫度法低估了兩種溫拌劑的實際降溫能力.相關文獻指出等黏溫度法僅可用在普通瀝青，可能與等黏溫度法不適合SBS瀝青有關[11].

3 溫拌劑對SBS改性瀝青性能的研究

3.1 60 ℃黏度

60 ℃黏度作為一項瀝青性能的指標，目前已經廣泛被國際上認可，是瀝青在60 ℃溫度、40 kPa真空下的黏度值，反應瀝青在服役階段高溫性能和混合料的路用性能.OGFC路面由于其級配特點，混合料中集料與集料之間基本都是點與點的接觸，需要黏結能力更強的SBS瀝青才能保證路面不會過早出現破壞，所以瀝青黏度是十分關鍵的一項指標.本文使用真空減壓毛細管法確定SBS瀝青60 ℃黏度，見表4.

表4 溫拌劑對60 ℃黏度的影響

隨著Sasobit和EC-120添加量的加大，SBS瀝青的60 ℃黏度急劇增加，SBS瀝青的高溫性能得到改善.這與溫拌劑的物理特性有關，兩種溫拌劑均屬于合成蠟類物質，熔點均在120 ℃以下.當處于熔點以上時，溫拌劑呈現流動性很好的液態.但當處于60 ℃環境時呈現結晶固態，分散在瀝青當中增加黏稠程度，明顯提高瀝青黏度.且摻量越多蠟類物質含量越高，60 ℃黏度增加越明顯.Sasobit和EC-120摻量從2%增加到5%，60 ℃黏度分別提高了約3～16倍和1.5～7倍，2%的Sasobit可提高60 ℃黏度至15×104Pa·s，而4%的EC-120才能達到相同效果.可見Sasobit對SBS瀝青黏度的影響要遠大于EC-120，兩種溫拌劑在改善瀝青高溫性能上差異明顯.

3.2 常規性能指標

通過測試SBS瀝青的三大指標，分析添加不同摻量EC-120和Sasobit的SBS瀝青性能差異，見表5.其中，針入度是瀝青黏稠程度的體現，當測試值越大時，說明瀝青越軟.軟化點反映的是等黏溫度，軟化點值越大說明瀝青高溫性能越優異.延度反映瀝青在低溫條件的抗裂能力，延度越大表明瀝青在低溫條件下抗裂能力越強，本文采用5 ℃實驗溫度.

表5 溫拌劑對三大指標的影響

添加Sasobit和EC-120越多，SBS瀝青針入度值越小，但降低趨勢逐漸減緩.添加4%Sasobit時SBS瀝青針入度值已經在4 mm以下，但添加5%EC-120仍然可達4.4 mm以上，說明針入度值受Sasobit影響要遠大于EC-120，使SBS瀝青硬度增加更明顯.

摻加Sasobit和EC-120可使SBS瀝青軟化點值顯著變大，摻加3%Sasobit即可讓軟化點增至90 ℃以上，而EC-120對軟化點影響不太顯著.所以Sasobit和EC-120都改善了SBS瀝青的高溫性能，但Sasobit要大大優于EC-120.

Sasobit和EC-120都屬于合成蠟類物質，在低溫下呈現結晶固態，使得瀝青變脆且韌性降低，低溫性能下降.兩種溫拌劑從2%添加到5%，SBS瀝青延度值急劇減小.當Sasobit摻量增加到4%時，延度已到20 cm以下，而4%摻量的EC-120仍然可達24.2 cm.所以低溫抗裂性受Sasobit影響比EC-120更加顯著，在使用過程中應該嚴格控制Sasobit摻量，而EC-120摻量可適當放寬.

根據分析以上Sasobit和EC-120添加到SBS瀝青的實驗結果，建議Sasobit添加不宜超過3%，EC-120添加控制在4%左右.

4 溫拌劑對OGFC混合料性能的研究

OGFC混合料在室內試驗中的實驗結果最能直接反應其路用性能，其中孔隙率是OGFC重點關注的指標，對OGFC的性能影響很大，所以需要以相同的孔隙率為前提研究兩種溫拌劑對OGFC混合料性能影響.根據前期確定的兩種溫拌劑不同摻量下等孔隙率溫度，雙面擊實50次制備相應OGFC試件，達到控制孔隙率的目的，并通過室內實驗考察OGFC高、低溫性能和水穩定性能受Sasobit和EC-120影響規律.

4.1 高溫性能

用穩定度試驗、車轍試驗分析OGFC高溫性能受Sasobit和EC-120作用規律，見表6.

表6 溫拌劑對OGFC高溫性能的影響

逐漸加大Sasobit和EC-120用量，穩定度總體呈上升趨勢，4%摻量時均可將OGFC的穩定度提高近40%，但超過4%摻量時穩定度開始呈現下降趨勢.當溫拌劑處于低摻量時，穩定度受Sasobit影響比EC-120更加顯著，但當達到4%、5%的高摻量時兩種溫拌劑對穩定度影響差別不大.Sasobit和EC-120添加量增加的同時，動穩定度值也在逐漸提高，Sasobit和EC-120對OGFC高溫抗車轍能力有大幅提升.Sasobit摻量為2%～3%改善效果最為明顯，而EC-120最佳摻量則在4%左右，并且在所有相同摻量下Sasobit均表現出比EC-120更好的改善效果，也進一步說明Sasobit相比EC-120對OGFC高溫性能有更大的提升.

4.2 低溫性能

用小梁彎曲試驗分析OGFC低溫性能受Sasobit和EC-120作用規律，見表7.

隨Sasobit和EC-120添加量增大，OGFC最大彎拉應變和抗彎拉強度整體呈現先增加后降低趨勢，勁度模量逐漸增加，并且在同等條件下，Sasobit相比EC-120對三種指標的影響更突出.當Sasobit和EC-120由3%變化至4%時，OFGC的最大彎拉應變、彎拉強度的降低幅度和勁度模量的增高幅度最大.說明兩種溫拌劑均可降低OGFC的低溫抗裂強度和抗變形能力，并且Sasobit對OGFC的低溫性能影響更大，鑒于兩種溫拌劑對OGFC路面低溫性能的降低，建議摻量不要超過4%.

表7 溫拌劑對OGFC低溫性能的影響

4.3 水穩定性能

用凍融劈裂試驗分析OGFC水穩定性能受Sasobit和EC-120作用規律，見表8.

表8 溫拌劑對OGFC水穩定性能的影響

Sasobit和EC-120摻量從2%到5%使得OGFC凍融劈裂強度比先增加后降低，但整體得到提升.當Sasobit摻量超過3%、EC-120超過4%時，凍融劈裂強度比出現轉折開始下降.并且低摻量下Sasobit相比EC-120對凍融劈裂強度比的提高更明顯，高摻量下則相反.說明Sasobit和EC-120都提高OGFC的水穩定性能，但摻量偏高會降低使用效果.當Sasobit摻量為3%、EC-120摻量為4%時對OGFC路面的水穩定性改善效果達到最佳.

5 結 論

1) 采用等黏溫度法和等體積法考察了Sasobit和EC-120溫拌性能，發現兩種溫拌劑均對SBS瀝青有很明顯的降溫能力，且Sasobit比EC-120更為優異.且采用等黏溫度法所得出的溫拌劑的降溫效果要比采用等體積法得出的降溫效果偏低2～5 ℃.

2) Sasobit相比EC-120對SBS改性瀝青60℃黏度、軟化點的增加，針入度、延度值的降低影響更明顯.

3) 兩種溫拌劑摻量增加使得OGFC混合料穩定度值、最大彎拉應變、抗彎拉強度和凍融劈裂強度比先增后減，動穩定度、勁度模量值逐漸增加，整體上兩種溫拌劑改善OGFC混合料高溫性能和水穩定性能，而降低其低溫性能.

4) 通過研究，推薦使用Sasobit摻量不宜超過3%，EC-120的摻量則控制在4%左右.