溫拌瀝青及溫拌瀝青混合料性能研究

肖 鋒

(四川藏區高速公路有限責任公司 成都 610041)

溫拌瀝青混合料(WMA)能夠在溫度相對較低的環境下進行施工，具有節能減耗、降低粉塵及有害氣體排放量、便于施工、延長施工季節、便于超薄攤鋪、降低瀝青老化程度從而提高瀝青路面的耐久性等特點[1-2]。但溫拌劑可能會對瀝青路面的路用性能產生不利影響，所以探究溫拌劑對瀝青及瀝青混合料的性能影響規律，研究不同溫拌劑的適用范圍，對提升溫拌瀝青路面的路用性能有著重要意義。

任曉剛等[3]運用UTM進行頻率掃描試驗和間接拉伸疲勞試驗對熱拌瀝青和4種溫拌瀝青的性能進行對比，頻率掃描試驗表明熱拌瀝青混合料(HMA)的高溫性能優于溫拌瀝青混合料，間接拉伸疲勞試驗表明熱拌瀝青混合料和Sasibot溫拌瀝青混合料的抗疲勞性能優于其他3種溫拌瀝青混合料。袁飛云等[4]采用一系列PG流變試驗及雙邊缺口拉伸試驗來測驗2種溫拌劑對瀝青性能的影響，結果發現第一種溫拌劑能顯著增強溫拌瀝青的高溫抗車轍性能，對瀝青的抗疲勞性能、低溫抗裂性能略微不利，對瀝青的抗延性斷裂性能有減弱效果。第二種溫拌劑僅對瀝青的低溫抗裂性能體現出微小的不利影響。Luo等[5]研制了一種新型硅膠溫拌劑，通過臨界開裂溫度分析發現，該溫拌劑能大幅度降低瀝青的臨界開裂溫度，提升了瀝青的低溫抗裂性能。

在本研究中，2種溫拌劑均是高分子聚合物組成的表面活性類溫拌劑，但二者有著完全不同的降黏機理。為了探究這2種溫拌劑的適用場景，采用3大指標評價其對瀝青性能的影響，運用常規的布氏旋轉黏度評價其降黏效果。通過車轍試驗、四點彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗探究其對瀝青混合料的性能影響。

1 瀝青膠結料部分

1.1 試驗原料

溫拌劑A為四川圣翔化工集團生產的External溫拌劑ET-3100產品，為暗綠色油狀表面活性劑類瀝青添加劑，該溫拌劑是通過酯化反應生成水，形成水膜在瀝青分子間進行潤滑作用來降低黏度的；溫拌劑B為美國美德維實偉克生產的Evotherm溫拌劑M1，為暗黃色油狀液體的乳化分散型溫拌劑，該溫拌劑是與瀝青中的羧酸發生縮合反應生成水來達到降黏目的。瀝青為廈門華特集團生成的SBS改性瀝青，其主要技術指標見表1。

表1 SBS瀝青主要性能技術指標

本研究中溫拌劑A選用了0.2%，0.5%，0.8% 3個摻量，溫拌劑B選用了0.5%，0.8%，1.0% 3個摻量。將SBS改性瀝青和不同摻量的溫拌劑在165 ℃下用高剪切分散乳化機進行高速攪拌30～60 min后得到溫拌瀝青膠結料。

為研究方便，將包含0.2%溫拌劑A的SBS溫拌瀝青膠結料表示為SBS+0.2%A，其余瀝青的代號以此類推。

1.2 溫拌劑對改性瀝青三大指標的影響

三大指標法仍是目前最常用的瀝青性能檢測方法，包括針入度、延度和軟化點。

針入度表示針體在一定壓力下沒入瀝青試樣的深度，針入度反應了瀝青的軟硬程度，針入度越高瀝青越軟。通常在寒冷地區選用針入度較高的瀝青，較炎熱的地區選用針入度較低的瀝青。

延度試驗是將瀝青做成“8”字形標準試件后以一定速率拉至斷裂的長度。延度越高說明瀝青的可塑性強，可塑性強的瀝青有較好的抗疲勞性能。

試樣在規定尺寸的金屬環內，上置規定尺寸與質量的鋼球，放于有水或甘油的容器內，然后以一定溫度加熱，鋼球接觸底部時的溫度即為軟化點。軟化點則是瀝青高溫穩定性指標，軟化點越高，瀝青高溫穩定性越好[8]。

測得SBS原樣瀝青及6種溫拌瀝青的三大指標變化,溫拌劑對三大指標的影響見表2。

表2 溫拌劑對三大指標的影響

由表2可見，溫拌劑的加入對SBS改性瀝青的性能有顯著影響。根據溫拌劑種類及摻量的不同三大指標有如下變化。

1) A溫拌劑能提高改性瀝青的針入度，A的摻量在0.8%時的針入度最大，較原樣瀝青提升了18.0%。B的摻量對瀝青的針入度略有提高。針入度提高的原因可能是溫拌劑使瀝青內產生了水，使瀝青軟化。較軟的瀝青通常在低溫下有足夠的黏性，不易發生脆性破壞。

2) A溫拌劑和B溫拌劑都能增加改性瀝青的延度，A的摻量在0.8%時改性瀝青的延度值最大，較原樣瀝青提高了18.6%。隨著B溫拌劑的摻量的提高，改性瀝青的延度值不斷增加，延度在0.8%的摻量下較原樣瀝青提高了26.8%。說明2種溫拌劑均能提高瀝青的可塑性，瀝青的抗疲勞性能得到強化。

3) A溫拌劑和B溫拌劑都略微降低了改性瀝青的軟化點。說明2種溫拌劑都略微弱化了瀝青的高溫穩定性，A溫拌劑對瀝青高溫穩定性的弱化程度更小。

1.3 溫拌劑對改性瀝青降黏效果

布氏旋轉黏度是利用轉子與流體之間產生的剪切和阻力之間的關系而得出的黏度值。采用布氏旋轉黏度來探究這2種溫拌劑對改性瀝青的降黏效果。試驗測得SBS原樣瀝青及6種溫拌瀝青在135 ℃和175 ℃的黏度，并繪制它們的黏溫曲線測得其拌和與壓實溫度。布氏旋轉黏度測試結果見圖1。

圖1 布氏黏度測試結果

由圖1可見，2種溫拌劑均具有良好的降黏效果，2種溫拌劑在最大摻量下，使改性瀝青在135 ℃時的黏度分別降低了46.0%和58.7%，使175 ℃時的黏度分別降低了48.6%和63.0%。

通過黏溫曲線計算，以(0.17±0.02)Pa·s時的溫度作為拌和溫度范圍，以(0.28±0.03)Pa·s時的溫度作為壓實溫度范圍。發現2種溫拌劑在最大摻量下對改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度的降低超過了20 ℃。

2 瀝青混合料部分

2.1 瀝青混合料配合比設計

本研究中熱拌瀝青混合料與2種溫拌瀝青混合料采用了相同的配合比設計，粗細集料為玄武巖，填料為石灰巖礦粉。經過測試，所選用的集料與填料的各項指標均滿足JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。木質纖維素與抗剝落劑的摻量均為0.4%。SBS瀝青用量為5.7%，A溫拌混合料的溫拌劑摻量為1%，B為0.8%。

試驗采用SMA-13級配，參考了JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》確定每一檔礦料的用量。SMA-13的礦料級配見表3。

表3 SMA-13礦料級配

根據原樣瀝青與溫拌瀝青的黏溫曲線，熱拌瀝青混合料的拌和與壓實溫度分別為185 ℃，175 ℃，溫拌瀝青混合料的拌和與壓實溫度分別為165 ℃，155 ℃。壓實成型后的馬歇爾試件和車轍板的各項體積指標均滿足設計要求。

2.2 溫拌劑對瀝青混合料高溫穩定性的影響

采用車轍試驗來評價瀝青混合料的高溫穩定性，高溫穩定性是指車轍板試件(通常尺寸為300 mm×300 mm×50 mm)，在60 ℃的規定溫度下，以一個輪壓為0.7 MPa的實心橡膠輪胎在其上行走，測量試件在變形穩定時期，每增加1 mm變形需要行走的次數。按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0719-2011進行瀝青混合料車轍試驗。瀝青混合料的動穩定度計算方法見式(1)。

(1)

式中：DS為瀝青混合料的動穩定度，次/mm；d1為對應于時間t1的變形量，mm；d2為對應于時間t2的變形量，mm；C1，C2為試驗機類型系數和試件系數，N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42 次/min。

熱拌瀝青混合料與溫拌瀝青的動穩定度計算結果見表4，動穩定度越大則混合料的抗剪強度越高，高溫穩定性越好。

表4 瀝青混合料動穩定度結果

由表4可見，A溫拌劑瀝青混合料的動穩定度降低了8.7%，B溫拌劑瀝青混合料的動穩定度提高了2.6%。說明A溫拌劑會降低混合料的高溫穩定性，B溫拌劑會提高混合料的高溫穩定性。熱拌瀝青與溫拌瀝青均充分滿足規范要求，主要原因是SMA混合料的礦料骨架有很大的內摩擦角，從而SMA混合料有優良的抗車轍性能[10]，一定程度上降低了溫拌劑對其高溫穩定性的影響。

2.3 溫拌劑對瀝青混合料耐疲勞性能的影響

參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0739-2011進行瀝青混合料的四點彎曲疲勞壽命試驗。試件兩端被固定住，中間的2個夾具會做往復運動，該試驗的示意見圖2。

圖2 4點彎曲試驗示意

該試驗中需按式(2)～(7)測得一系列力學指標。

σt=(L×P)/(w×h2)

(2)

εt=(12×δ×h)/(3×L2-4×α2)

(3)

S=σt/εt

(4)

φ=360×f×t

(5)

EDi=π×σt×εt×sinφ

(6)

(7)

式中：σt為最大拉應力，Pa；L為梁跨距，即外端兩個夾具間距，m；w為梁寬，m；h為梁高，m；P為峰值荷載，N；εt為最大拉應變；δ為梁中心最大應變；α為相鄰夾頭中間間距,m；S為彎曲勁度模量，Pa；φ為相位角(°)；f為加載頻率，Hz；t為應變峰值滯后于應力峰值的時間，s；EDi為單個循環耗散能，J/m3；ECD為疲勞試驗過程中累積耗散能，J/m3。

四點彎曲梁的試驗結果見圖3與圖4，初始模量越大則瀝青混合料的硬度越高，循環次數和累計耗散能越大則瀝青混合料的抗疲勞性能越好。通常較硬的材料，在重復荷載下更容易發生脆性破壞，降低瀝青混合料的模量，對提高瀝青混合料的疲勞壽命有一定積極作用。

圖3 混合料初始彎曲勁度模量

圖4 瀝青混合料的循環次數和累計耗散能

由圖3可見，2種溫拌瀝青混合料的初始模量均小于熱拌瀝青混合料，說明溫拌劑使瀝青軟化從而降低了混合料的模量。2種溫拌瀝青合料的初始彎曲勁度模量較熱拌瀝青混合料分別降低了14.3%和18.9%，初始彈性模量分別降低了14.2%和19.0%。在圖4中，2種溫拌瀝青混合料的循環次數和累計耗散能都有大幅提升，說明溫拌劑使混合料的韌性得到改善，疲勞壽命明顯增長。2種溫拌劑的循環次數分別增加了86.1%和95.3%，累計耗散能分別增加了52.4%和69.6%。

2.4 溫拌劑對瀝青混合料水穩定性的影響

國內外研究認為,瀝青混合料黏附性越好其抗水損害性能越好。集料的表面越粗糙、堿性越強、帶正電荷越多與瀝青黏附性越好[11]。在相同配合比設計下，瀝青與礦料之間的黏附性成為了瀝青混合料水穩定性的關鍵因素。對混合料進行水穩定性試驗，可以探究溫拌劑對瀝青與礦料的黏附性的影響。

同時采用了浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料的抗水損害性能。浸水馬歇爾試驗是將圓柱形馬歇爾試件(直徑：(101.6±0.2) mm，高：(63.5±1.3) mm)在規定溫度的恒溫水槽里保溫48 h后用圓環形夾具將試件夾至破壞。凍融劈裂試驗首先對馬歇爾試件在水中抽真空使其充分吸收，然后試件在-18 ℃左右保溫16 h，再在60 ℃水中保溫24 h后用條狀夾具將其夾至破壞。浸水馬歇爾試驗試和凍融劈裂試驗分別參照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0709-2011和T 0729-2011的方式進行。

瀝青混合料水穩定性的實驗結果見表5。

表5 瀝青混合料水穩定性試驗結果

由表5可見，2種溫拌劑對未浸水試件的馬歇爾穩定度的提升分別高達51.1%和120%，對未凍融試件的劈裂抗拉強度也有略微提升。這可能是溫拌劑提升了瀝青混合料的黏聚力。但殘留穩定度和凍融劈裂強度比較熱拌瀝青混合料略有降低，說明兩種溫拌劑對瀝青與礦料之間的黏附性有一定的負面影響。凍融劈裂試驗中瀝青混合料有更大的拉應力，更能直觀地反映瀝青與礦料之間的黏附性，所以B溫拌劑瀝青混合料的水穩性能更好。

2.5 溫拌劑對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響

采用低溫彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，該試驗的示意圖見圖5。試驗中首先將瀝青混合料板狀試件按規定切割成條狀，將條狀試件在-10 ℃的防凍液里保溫至少45 min后測其抗彎性能。參照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0715-2011進行-10 ℃條件下瀝青混合料的低溫彎曲試驗。

圖5 低溫彎曲試驗示意

試件破壞時的抗彎拉強度RB和梁底最大彎拉應變εB計算方法見式(8)～(9)。

(8)

(9)

式中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度，MPa；εB為試件破壞時的最大彎拉應變，μ×10-6；b為跨中斷面試件的寬度，mm；h為跨中斷面試件的高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件破壞時的跨中撓度，mm。

低溫彎曲試驗的測試結果見圖6。瀝青混合料低溫彎曲破壞時的應變越大、強度越高，則瀝青混合料的低溫抗裂性能越好[12]。

圖6 低溫彎曲試驗的測試結果

由圖6見，A溫拌劑瀝青混合料最大抗彎拉應變和極限抗彎拉強度較熱拌瀝青混合料差別很小，說明A溫拌劑對瀝青混合料的低溫性能基本無影響。相比熱拌瀝青混合料，B溫拌劑瀝青混合料的最大抗彎拉應變降低了30.8%，極限抗彎拉強度降低了12.7%。說明B溫拌劑會對瀝青混合料的低溫性能產生負面影響。對于嚴寒地區，JTG D50-2017 《公路瀝青路面設計規范》要求瀝青混合料的最大彎拉應變不小于3 000，B溫拌劑導致瀝青混合料不滿足該要求。

3 結語

本文通過瀝青膠結料試驗分析了溫拌劑的降黏機理、對瀝青性能的影響、降黏效果，再通過瀝青混合料試驗驗證了溫拌瀝青混合料的各項路用性能。根據這兩部分的試驗結果得到以下結論。

1) 2種溫拌劑均為表面活性類溫拌劑，B溫拌劑的降黏效果略優，兩者均能降低超過20 ℃的施工溫度。

2) 對于較炎熱的地區，建議選用B溫拌劑。雖然B溫拌劑瀝青的軟化點略有降低，但B溫拌劑瀝青混合料的高溫穩定性卻有小幅提升。A溫拌劑會略微降低瀝青的軟化點，同時A溫拌瀝青混合料的高穩定性也被弱化。

3) 對于重載交通路段，對路面疲勞壽命有較高要求的地區，建議選用B溫拌劑。B溫拌劑瀝青的延度高于A溫拌劑瀝青。2種溫拌瀝青混合料的疲勞壽命均遠長于熱拌瀝青混合料，但B溫拌劑瀝青混合料的抗疲勞性能的表現更好。

4) 對常年多雨的地區，建議選用B溫拌劑。2種溫拌瀝青混合料的水穩定性都有一定削弱，但B溫拌劑瀝青混合料的水穩定性略好于A溫拌劑瀝青混合料。

5) 對于北方及高寒地區，建議選擇A溫拌劑。因為A溫拌劑幾乎不會對瀝青混合料的低溫性能產生影響，而B溫拌劑會一定程度地削弱瀝青混合料的低溫性能。