溫拌技術對成品高黏瀝青性能的影響

蘇衛國，梁晨磊

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

0 引言

溫拌技術是近年來發展起來的一種環保低碳、切合生態環保理念的筑路技術。相較于傳統熱拌瀝青路面，溫拌瀝青路面的整體性能與之相當，卻可降低施工溫度30 ℃以上，同時大幅度減少SO2、NOX等有害氣體的排放[1-5]，對保護生態環境具有重要意義。文獻[6]研究了摻加Sasobit、Aspha-min、ZYF、Evotherm這4種溫拌劑對瀝青性能及混合料路用性能的影響。文獻[7]對溫拌和熱拌開級配抗滑磨耗層(open graded friction course，OGFC)瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、抗剪切性能和抗疲勞性能等方面進行了對比研究。但目前有關溫拌劑對高黏瀝青性能影響的研究還比較少見。本文首先對成品高黏瀝青分別采用不同的溫拌技術制得4種溫拌高黏瀝青，接著通過美國戰略公路研究計劃(SHRP)評價指標對比分析了4種溫拌高黏瀝青的高低溫流變性能和抗疲勞性能，可為溫拌高黏瀝青的制備及混合料施工提供依據。

1 原材料及制備工藝

1.1 成品高黏瀝青

本文選用的成品高黏瀝青購自江蘇省南通市通沙瀝青科技有限公司，各項性能指標測試結果(見表1)均滿足要求[8]。

表1 成品高黏瀝青的各項性能指標測試結果

1.2 溫拌技術方案

本文采用3種溫拌技術方案：有機降黏型溫拌技術、機械發泡瀝青降黏技術和乳化分散瀝青溫拌技術。有機降黏型溫拌技術選用Sasobit和EC120溫拌劑。Sasobit溫拌劑是一種窄分布的長鏈脂肪族烴，外觀呈片狀或粉狀，融溫范圍為99～116 ℃。EC120溫拌劑是一種合成的直鏈脂肪族式的碳氫化合物，呈白色細小顆粒狀，熔點為100 ℃左右，溫度超過110 ℃后能完全溶于瀝青中[9-11]。機械發泡瀝青降黏技術，選用徐州工程機械集團有限公司研制的XLB10P型泡沫瀝青試驗機對瀝青進行發泡。乳化分散瀝青溫拌技術選用美德維實偉克有限公司生產的Evotherm M1溫拌劑。

1.3 溫拌高黏瀝青制備工藝

溫拌高黏瀝青的制備分為兩類：一類為摻加溫拌劑的高黏瀝青的制備，流程見圖1；另一類為泡沫溫拌高黏瀝青的制備，流程見圖2。

圖1 摻加溫拌劑的高黏瀝青的制備流程

圖2 泡沫溫拌高黏瀝青的制備流程

通過分析試驗結果發現：高黏瀝青的60 ℃動力黏度和135 ℃黏度均普遍高于工程中常用的改性瀝青，因此將溫拌劑的摻量、發泡瀝青的用水量和瀝青加熱溫度進行了相應的調整[12-14]。采用摻量(質量分數，下同)為7%的EC120溫拌劑，發泡用水量為4%的泡沫溫拌，Sasobit摻量為2%、聚乙烯蠟摻量為1%以及WM(采用Evotherm M1溫拌劑和一種晶體蠟A、一種鄰苯二甲酸二酯類B復合制備出一種新型溫拌劑摻量為3%作為溫拌技術方案，本文后續內容皆基于上述4種溫拌技術方案和摻量進行研究。

2 試驗結果與分析

2.1 車轍因子G*/sin δ

利用動態剪切流變儀，對未老化和短期老化后的成品高黏瀝青和4種溫拌高黏瀝青進行了溫度掃描試驗，具體試驗參數如下：溫度，46～88 ℃，間隔3 ℃測一次；頻率，10 rad/s；幾何參數，25 mm直徑，1 mm間隙；控制應變，10%?？梢缘玫讲煌嚇釉诓煌瑴囟认碌能囖H因子值，根據試驗結果繪制出不同試樣的車轍因子隨溫度變化的趨勢圖，見圖3。

如圖3所示，根據車轍因子-溫度這兩個變量建立坐標圖形[15]，可以發現不同試樣的車轍因子和溫度之間存在明顯的線性關系。分別對未老化和短期老化后各試樣的車轍因子和溫度的關系進行線性擬合，得出對應試樣的擬合曲線公式，如圖3a～圖3e所示。再將未老化和短期老化后車轍因子的規范要求值代入各自的擬合曲線公式，可求出滿足Superpave膠結料規范要求的臨界溫度，臨界溫度越大，表明相應的高溫性能等級越高，高溫性能越好[16]。

不同溫拌高黏瀝青試樣未老化及短期老化后的臨界溫度見圖4。由圖4可知：相較于成品高黏瀝青，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青和EC120溫拌高黏瀝青的臨界溫度大幅提高，可見這兩種有機蠟類溫拌劑提高了成品高黏瀝青的高溫性能。根據溫度掃描試驗結果可以發現：雖然泡沫溫拌并沒有使得高黏瀝青的高溫等級降低，但是其臨界溫度卻降低了，表明雖然泡沫溫拌高黏瀝青的高溫性能降低了，但仍然能保持之前的高溫等級，高溫性能受到的影響不大。WM是實驗室自制的表面活性劑與有機蠟復合的溫拌劑，在成品高黏瀝青中摻入WM溫拌劑后，臨界溫度得到了一定程度的提升，說明WM溫拌劑可以小幅提高高黏瀝青的高溫性能。

2.2 60 ℃零剪切黏度

利用動態剪切流變儀，對未老化和短期老化后的成品高黏瀝青以及4種溫拌高黏瀝青開展頻率掃描試驗，相關試驗參數如下：溫度，60 ℃；頻率，0.1～100 Hz；幾何參數，25 mm直徑，1 mm間隙；控制應變，0.5%。不同試樣在不同荷載作用頻率下的復合黏度值如圖5所示。

圖4 不同溫拌高黏瀝青試樣未老化及短期老化后的臨界溫度

當剪切頻率很小或者剪切頻率非常大時，瀝青呈現牛頓流體，相應的區域分別稱為第一牛頓區域和第二牛頓區域[17]。由圖5可以發現：在0.1～100 Hz的剪切頻率下，無論是未老化還是短期老化后的試樣，復合黏度值均隨剪切頻率的增加而減小。為了得到剪切頻率接近0 Hz時的復合黏度即零剪切黏度，通過流變學模型對曲線進行擬合，可以將圖5中變化曲線延伸到第一牛頓區域，最終得出零剪切黏度，常見擬合黏度-頻率曲線的流變模型有Cross模型和Carreau模型。根據研究發現，相較于Cross模型，Carreau模型計算出的零剪切黏度與加速加載試驗的車轍相關性較好，故采用Carreau模型。復合黏度的計算公式[18]為：

其中：η為復合黏度，Pa·s；η0為零剪切黏度，Pa·s；ω為穩定狀態時的剪切頻率，s-1；k、m為材料參數。

本文采用Carreau模型對圖5中的曲線進行擬合，擬合結果如圖6所示。由圖6可知：利用Carreau流變模型對不同溫拌高黏瀝青的復合黏度-頻率曲線進行擬合后，可得到第一牛頓區域內復合黏度與頻率的關系曲線。無論是未老化還是短期老化后的溫拌高黏瀝青，在第一牛頓區域內的復合黏度均不再隨著剪切頻率的變化而變化，因而可以得到不同溫拌瀝青剪切頻率接近0 Hz時的復合黏度，即零剪切黏度。

圖7為不同瀝青試樣的60 ℃零剪切黏度。由圖7可見：經過短期老化后的溫拌高黏瀝青60 ℃零剪切黏度通常要高于未老化的溫拌高黏瀝青，表明運輸、攤鋪階段的老化可以提高溫拌高黏瀝青的高溫穩定性。無論是未老化的，還是短期老化后的成品高黏瀝青，EC120溫拌劑對其60 ℃零剪切黏度的提升幅度均最大，分別達到了415%和303%，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑次之，提升幅度分別為127%和83%。這主要是由于EC120和Sasobit這兩種溫拌劑都是有機蠟類溫拌劑，低于熔點時在瀝青中形成網狀的晶格結構，使得瀝青模量增大，不易發生變形；泡沫溫拌高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度均略小于成品高黏瀝青，表明泡沫溫拌對高黏瀝青的高溫穩定性會產生不利影響。實驗室自制的WM溫拌劑可使未老化的成品高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度提高，提高幅度為43%，高溫性能變好，但是短期老化后的成品高黏瀝青卻有一定程度的降低，降低幅度為22%，高溫性能有一定程度的減弱。

圖7 不同瀝青試樣的60 ℃零剪切黏度

通過比較不同溫拌高黏瀝青未老化和短期老化后的60 ℃零剪切黏度，可以得出EC120溫拌高黏瀝青的高溫性能最好，其次是Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青。對于泡沫溫拌高黏瀝青和WM溫拌高黏瀝青，未老化前，后者的高溫性能要好于前者；短期老化后，前者的高溫性能要好于后者。

2.3 蠕變勁度和蠕變速率

利用彎曲梁流變儀，對經過長期老化后的成品高黏瀝青和4種溫拌高黏瀝青在-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃下進行低溫性能試驗，根據試驗結果，繪制出不同溫拌高黏瀝青在不同試驗溫度下的蠕變勁度和蠕變速率的變化曲線，如圖8所示。

由圖8a可知：隨著試驗溫度的降低，各瀝青試樣的蠕變勁度都在不斷增大，說明瀝青在溫度應力的作用下更難以變形，導致瀝青內部積累了更多的剩余應力，最終加大了瀝青開裂的可能性。但泡沫溫拌高黏瀝青的蠕變勁度曲線始終低于成品高黏瀝青，表明泡沫溫拌可以改善高黏瀝青的低溫性能，而另外3種溫拌高黏瀝青的低溫性能較成品高黏瀝青差。當蠕變勁度不超過300 MPa時，瀝青膠結料的低溫性能方可滿足Superpave瀝青膠結料規范的規定。在-6 ℃和-12 ℃這兩個試驗溫度下，各瀝青試樣的蠕變勁度均小于300 MPa，低溫性能仍然滿足要求；當試驗溫度達到-18 ℃時，EC120溫拌高黏瀝青的蠕變勁度為320 MPa，此時已不能滿足低溫性能要求，而長期老化后的成品高黏瀝青及另外3種溫拌高黏瀝青的蠕變勁度值仍然小于300 MPa，可以滿足低溫性能指標要求。

由圖8b可見：隨著試驗溫度的降低，各瀝青試樣的蠕變速率都在不斷減小，說明瀝青在受到溫度應力作用時應力松弛性能降低，無法在短時間通過自身的變形釋放內部的應力，低溫開裂可能性增大。根據Superpave瀝青膠結料規范規定，當蠕變速率M>0.3時，瀝青的低溫性能滿足規范要求。在-6 ℃時，摻加EC120和Sasobit+聚乙烯蠟的溫拌高黏瀝青的M>0.3；在-18 ℃時，摻加WM溫拌劑的高黏瀝青的蠕變速率M<0.3。說明摻加了WM溫拌劑的高黏瀝青的低溫性能要優于摻加了EC120和Sasobit聚乙烯蠟的高黏瀝青的低溫性能，而泡沫溫拌高黏瀝青的蠕變速率始終大于成品高黏瀝青的蠕變速率，說明泡沫溫拌可以一定程度上改善高黏瀝青的低溫性能。

根據以上分析可知，4種溫拌高黏瀝青的低溫性能排序如下：EC120溫拌

2.4 極限疲勞溫度

利用動態剪切流變儀，對長期老化后的高黏瀝青和4種溫拌高黏瀝青進行10～40 ℃的溫度掃描試驗，具體試驗參數如下：溫度，10～40 ℃，間隔3 ℃測一次；頻率，10 rad/s；幾何參數，8 mm直徑，2 mm間隙；控制應變，1% 以內。根據試驗結果可以得到不同溫拌高黏瀝青疲勞因子隨試驗溫度變化的趨勢圖，如圖9所示。

圖9 不同溫拌高黏瀝青的疲勞因子隨試驗溫度變化的趨勢圖

Superpave瀝青技術規范中選用疲勞因子G*·sinδ參數的主要目的，是為了限制路面在循環往復的交通荷載作用過程中消耗掉的總能量，以減少疲勞開裂[19]。因此，同等溫度條件下，疲勞因子G*·sinδ越小，瀝青試樣的抗疲勞性能越好[20]。由圖9可以發現：泡沫溫拌高黏瀝青在10～40 ℃的疲勞因子均普遍小于成品高黏瀝青和其他溫拌高黏瀝青的疲勞，表現出相當好的抗疲勞性能，說明泡沫溫拌技術的使用有助于提升成品高黏瀝青的抗疲勞開裂能力。EC120溫拌高黏瀝青和WM溫拌高黏瀝青的疲勞因子G*·sinδ均大于成品高黏瀝青因子，說明抗疲勞性能有所降低。在10～22 ℃可以觀察到EC120溫拌高黏瀝青的疲勞因子要略小于WM溫拌高黏瀝青；在22～40 ℃，兩者的疲勞因子相差不大，說明其抗疲勞性能相近，但EC120溫拌高黏瀝青在相對低的溫度環境下的抗疲勞性能表現要好于WM溫拌高黏瀝青。Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的疲勞因子明顯大于其他瀝青試樣，說明Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青是這些瀝青試樣中抗疲勞性能最差的，Sasobit+聚乙烯蠟的加入會明顯降低成品高黏瀝青的抗疲勞性能。

為了更加準確地評價各溫拌高黏瀝青的抗疲勞性能，建立疲勞因子-溫度的半對數坐標關系圖[21]，如圖10所示。

圖10 不同溫拌高黏瀝青的疲勞因子-溫度的半對數坐標關系圖

從圖10中可以發現：在疲勞因子-溫度的半對數坐標中，這兩者線性相關性很強，因此分別對不同溫拌高黏瀝青的疲勞因子-溫度進行線性擬合，然后將G*sinδ=5 MPa代入求出極限疲勞溫度，具體計算結果如表2所示。

表2 疲勞因子與溫度關系的線性擬合結果

根據表2可知：成品高黏瀝青摻入Sasobit+聚乙烯蠟復合溫拌劑后極限疲勞溫度上升最多，因為極限疲勞溫度越低，抗疲勞性能越好，說明Sasobit+聚乙烯蠟復合溫拌劑對成品高黏瀝青的抗疲勞性能影響最不利；EC120溫拌劑和WM溫拌劑對成品高黏瀝青抗疲勞性能也有一定程度地削弱；相反，泡沫溫拌可以改善成品高黏瀝青的抗疲勞性能，有效減少疲勞開裂的產生。

3 結論

(1)在4種溫拌高黏瀝青中，EC120溫拌劑對成品高黏瀝青的高溫性能改善程度最大，Sasobit+聚乙烯蠟溫拌劑次之；泡沫溫拌高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度略微降低，WM溫拌劑可以小幅提高成品高黏瀝青的60 ℃零剪切黏度，高溫等級沒有變化，高溫性能得到一定程度的提升。

(2)WM溫拌高黏瀝青的低溫性能優于EC120溫拌高黏瀝青和Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青，而泡沫溫拌可一定程度改善高黏瀝青的低溫性能。4種溫拌高黏瀝青的低溫性能優劣排序為：EC120溫拌

(3)Sasobit+聚乙烯蠟溫拌高黏瀝青的抗疲勞性能最差，EC120溫拌劑和WM溫拌劑對成品高黏瀝青抗疲勞性能也有一定程度地削弱，而泡沫溫拌可以改善成品高黏瀝青的抗疲勞性能。