溫改性瀝青添加劑AA的最佳摻量與施工溫度研究

舒利平， 陳 民

(1.貴州省公路建設養護集團有限公司，貴州 銅仁 554300；2.貴州省銅仁公路管理局，貴州 銅仁 554300)

熱拌瀝青混合料(Hot Mix Asphalt,HMA)在生產時需要通過將瀝青加熱至150～180 ℃甚至更高的溫度以滿足施工要求，伴隨產生大量的有害氣體，消耗大量的燃料，造成環境的污染和資源的浪費，這與我國近年來倡導的“節能”、“環境友好”的施工理念相違背。另外，瀝青路面在施工時對于環境溫度要求較為嚴苛，氣溫較低會造成HMA溫度下降過快，難以壓實，這極大地限制了瀝青路面的施工有效時間。在這一背景下，溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)應運而生。WMA是指通過添加外加劑等技術方法，降低瀝青之間或者瀝青與集料間的黏度以降低瀝青混合料施工溫度，同時保證路用性能不低于甚至高于HMA[1]。

AA(全稱：Asphalt Additional)是一種新型聚烯烴類石油瀝青改性劑，可以采用“濕法”或“干法”外摻，用以降低拌和及施工溫度，有效延長路面的使用壽命。為研究最佳溫拌效果下的摻量，直觀體現AA的作用效果，特選用了進口和國產的兩種常用的效果類似的溫拌劑W-1(進口)、W-2(國產)作為對比材料，還設計了SBS改性瀝青+2%AA的瀝青及混合料對比試驗，以驗證AA對于改性瀝青的降黏效果。結合2019年貴州省銅仁公路管理局S203線預防性養護工程的應用，驗證了AA是一種具有優良綜合效益的瀝青溫拌改性劑。

1 AA溫拌改性瀝青室內試驗研究

1.1 AA溫拌改性瀝青的制備

AA溫拌改性劑(見圖1)為乳白色的固體小顆粒。試驗時按比例稱取瀝青及AA，將AA緩慢加入熱瀝青中并攪拌均勻。由于采用人工攪拌的方式耗時費力，因此采用了高速剪切儀，在140 ℃(基質瀝青)/160 ℃(SBS I-D改性瀝青)左右以3 000 r/min的剪切速率剪切20 min即可制得溫拌改性瀝青。W-1(見圖2)、W-2(見圖3)兩種材料按照廠家建議摻量及要求進行制備。

圖1 AA溫拌改性劑 圖2 W-1溫拌劑(進口) 圖3 W-2溫拌劑(國產)

對不同摻量的AA進行熒光顯微鏡觀測，結果見圖4。圖中的暗點是AA分散在瀝青中的狀態，可以看出，AA并沒有因為摻量的增加而出現積聚的現象，在瀝青的分散狀態是均勻有序的，表明AA與瀝青之間具有優良的相容性[2]。

圖4 不同摻量瀝青顯微鏡觀測照片

1.2 溫拌降黏機理

瀝青中含有-OH(羥基)、-NH2(氨基)等，其中O、N等原子呈強電負性，因此與H原子之間共用的電子云偏向電負性強的原子，所以H原子變成近乎H正離子狀態。AA內部存在大量的-C=O(羰基)，當-C=O與熱瀝青中的極性基團相遇時，H會與O原子發生靜電吸引，形成H鍵[3]。AA分子借助H鍵通過滲透以及分散作用進入瀝青質—膠質之間，拆散平面重疊堆砌而成的瀝青聚集體，形成新的聚集體，膠質與瀝青質之間的作用變得不規則。如此一來，瀝青中的大分子轉化為較低層次的分子，同時釋放出膠團結構中的飽和分子，引起膠團體系的分散度增加，使得瀝青高溫黏度降低，達到溫拌效果[4]。

1.3 Brookfield旋轉黏度試驗

Brookfield(布氏)旋轉黏度屬于美國SHRP計劃的Superpave評價指標，表示特定溫度下流體間剪應力與應變的比值[5]。本文通過測定特定溫度下不同外加劑下瀝青的布氏黏度，研究溫拌瀝青黏度與溫度的關系，分析溫拌改性瀝青中AA的最佳摻量，為后期施工溫度及摻量的選擇提供依據。試驗測定結果見表1。

表1 不同溫度下不同種類溫拌瀝青布氏旋轉黏度 Pa·s

將不同溫度下AA溫拌瀝青的黏度繪制成黏溫曲線，見圖5及圖6。

圖5 90～160 ℃ AA溫拌瀝青黏溫曲線

由圖5可以看出，不同摻量的AA對基質瀝青的降黏趨勢是相似的。在90～100 ℃之間，基質瀝青與AA溫拌瀝青存在“交匯點”，90 ℃之前AA溫拌瀝青的黏度高于基質瀝青，這主要是由于AA的熔點為96 ℃，熔點溫度之前AA是以軟固態的形式存在于瀝青之中，“改性作用”占主導地位，因此黏度較大。超過熔點溫度后，在130 ℃之前，基質瀝青的黏度迅速下降。

圖6 130～160 ℃ AA溫拌瀝青黏溫曲線

由圖6可以看出，不同AA摻量的溫拌瀝青在130～160 ℃之間存在微妙的區別。《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20-2011)中采用布氏黏度為0.17±0.02 Pa·s和0.28±0.03 Pa·s的對應溫度作為瀝青混合料拌合與碾壓溫度，由此可以得出不同摻量下溫拌瀝青的適宜拌合和碾壓溫度，見表2。

表2 不同AA摻量溫拌瀝青建議施工溫度

可以看出，2%AA摻量下的溫拌降黏作用為最佳效果，可以使基質瀝青的碾壓溫度降低27 ℃。隨著摻量繼續增加，降黏效果有稍許“反彈”，這主要是因為摻量增加導致瀝青中的析出微晶蠟增加，因此黏度略微增加，但是其溫拌效果較基質瀝青也是十分明顯的，3%、4%摻量下，AA可使基質瀝青碾壓溫度下降24 ℃左右。綜上所述，從最佳降黏效果結合經濟角度考慮，建議AA摻量控制在2%～3%、碾壓溫度為130～135 ℃。

為比較AA與其他同類型產品的區別，將2%AA、3%AA、W-1以及W-2數據繪制黏溫曲線，見圖7、圖8。

通過比較可以看出，2%AA、3%AA可使基質瀝青碾壓溫度下降24～27 ℃，W-1可使施工溫度下降22 ℃左右，W-2可使施工溫度下降15 ℃左右，因此單看溫拌效果，AA的效果更明顯。

圖7 90～160 ℃不同溫拌瀝青黏溫曲線

圖8 130～160 ℃ 不同溫拌瀝青黏溫曲線

另外，由表1中SBS、SBS+2%AA的數據對比可以看出，2%AA可以使SBS的施工溫度由原來的163～172 ℃降至139～152 ℃，下降幅度為20 ℃以上，證明了AA對于改性瀝青同樣具有優良的溫拌效果。

2 馬歇爾擊實試驗

溫拌瀝青試驗表明，AA對于瀝青降黏作用比較明顯，AA溫拌改性的效果在瀝青混合料層面上的表現同樣需要通過室內瀝青混合料試驗加以驗證[6,7]。本節采用AC-13C型級配進行試驗，油石比為5.0%，目標空隙率4.0%，采用W-1(進口)、W-2(國產)兩種溫拌劑作為對比。

設計馬歇爾擊實試驗來驗證AA的降黏效果[8]，設定4%為目標空隙率，對不同溫拌瀝青混合料在130～160 ℃下進行擊實，測定試件的空隙率，結果見表3。

表3 不同AA摻量、擊實溫度下溫拌瀝青混合料馬歇爾試件空隙率

將表中數據繪制成空隙率與溫度折線圖，見圖9，以4.0%的空隙率作為混合料最佳的壓實效果，將每種瀝青混合料在最佳空隙率對應的擊實溫度在圖中標出。

從圖中可以很方便地看出，最佳空隙率下對應的擊實溫度從低到高對應的溫拌瀝青種類分別是：

圖9 不同溫拌瀝青混合料浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗結果

2%AA、3%AA、4%AA、1%AA、W-1、W-2，其實這也間接表明了溫拌效果的順序，這與前文的瀝青試驗結果相吻合。2%以上%摻量的AA能夠明顯降低基質瀝青的施工溫度，在2%摻量時，降溫效果到達最佳，擊實溫度在135 ℃左右最佳。另外，SBS改性瀝青在2%AA的作用下，擊實溫度也降至了141.5 ℃，甚至低于正常基質瀝青的施工溫度，說明了AA對基質瀝青和改性瀝青都能起到很好的降黏溫拌作用。

3 工程應用

3.1 試驗段情況

依托貴州省銅仁公路管理局2019年預防性養護工程，2019年8月22日至25日，貴州省S203線采用AA溫拌改性瀝青完成了4 km路面鋪裝，以驗證AA的溫拌改性在實際應用中的效果。過程中發現，由于施工溫度的降低，瀝青拌合站和施工現場沒有煙塵和明顯的刺激性氣味，較常規瀝青現場，施工環境得到了很大的改善。

試驗段采用AC-13C級配，瀝青為茂名石化70#瀝青，油石比5.0%，設置了0%、2%、3%和4%四種AA的摻量。在瀝青拌合站和前場施工隊伍的配合下，針對0%摻量的混合料采用了165 ℃的出料溫度，初壓溫度為160 ℃，在非主干道處鋪筑了100 m試驗段用于科研對比。2%、3%和4%摻量的試驗段設置了140 ℃、150 ℃、150 ℃的出料溫度，保證初壓溫度能夠控制在130～135 ℃之間，以滿足科研數據采集的要求，試驗段當天分派專人對初壓溫度及樁號進行測量記錄。

針對不同初壓溫度，現場科研人員于施工當天取混合料進行室內試驗，施工次日進行壓實度、滲水等現場檢測。現場大致情況見圖10～圖11。

3.2 試驗段檢測

試驗段檢測結果如表4所示。

圖10 施工現場 圖11 試驗段檢測

表4 試驗段檢測數據

可以看出，150 ℃下0%摻量的混合料壓實效果不佳，密水效果雖然滿足要求，但是相比較而言仍有改善空間，其余幾種條件下壓實度均較為理想，密水效果也十分優秀。其中135 ℃下2%、3%、4%這三種情況下壓實度接近預期效果，130 ℃初壓溫度下壓實效果相對差一些，說明135 ℃的初壓溫度和3個摻量下的混合料更容易壓實，驗證了AA的溫拌效果，數據也與室內瀝青及混合料試驗契合度很高。按照以往經驗，以98%左右的壓實度控制壓實溫度，因此建議AA對應的最佳初壓溫度為135 ℃。

整體而言，此次試驗段很好地驗證了AA的溫拌降黏效果，所得結果與室內研究結果吻合度較高，結合本工程，驗證了AA的最佳摻量以及作用效果。

4 結論

本文通過設計室內瀝青及混合料試驗，依托實體工程，驗證了AA溫拌改性劑的溫拌降黏作用效果，主要得到了以下結論：

(1)AA與瀝青具有較好的相容性，AA加入到瀝青中分散效果較好，不易離析。

(2)黏溫曲線、馬歇爾擊實試驗表明，2%～3%摻量的AA對基質瀝青和改性瀝青的降黏效果非常明顯，能使基質瀝青混合料的碾壓溫度降低24～27 ℃，使改性瀝青混合料的碾壓溫度降低20 ℃以上，以135 ℃為宜。

(3)AA作為一種新型溫拌改性劑，能明顯降低施工溫度，減少能耗和煙塵污染。與部分同類型產品相比，溫拌改性效果相對更加明顯，具有很好的應用推廣價值。