不同類型溫拌劑對瀝青混合料性能影響研究

李渠源 梁乃興 楊卓林 楊清華 趙 江

(重慶交通大學土木工程學院1) 重慶 400074) (西南交通建設集團股份有限公司2) 昆明 650000)

0 引 言

溫拌瀝青混合料在保證路面性能滿足要求的同時，也解決了傳統熱拌瀝青混合料存在的污染嚴重的問題.采用溫拌技術，可以使瀝青混合料的生產拌和溫度較熱拌降低30 ℃以上，CO2、氮氧化合物、廢氣和粉塵的排放量將大大降低，還可以提高隧道路面抗水損壞能力，減少瀝青的氧化、揮發和老化，提高瀝青路面壽命.即使由于層間水分蒸發，混合料溫度下降，溫拌瀝青混合料仍然能夠實現有效的壓實，不會留下界面隱患.

目前，國內外各種溫拌技術大都是降低瀝青黏度，使混合料能在較低溫度下拌和均勻，包括有機降黏劑、表面活性劑及瀝青發泡法三種.其中有機降黏劑可以減小瀝青的高溫黏度，有效地降低了生產溫度，且路用性能較熱拌沒有減弱.表面活性劑可以在集料表面形成能抵消瀝青黏結作用的結構性水膜，從而降低拌和壓實溫度.瀝青發泡技術是向熱瀝青中加入少量水，兩者劇烈反應形成泡沫瀝青，降低了瀝青的黏度，同時泡沫瀝青的體積較大，可以更好地裹附集料，改善混合料在低溫狀態下的和易性.于江等[1]通過對比摻益路(Evotherm)溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的體積指標，認為Evotherm可以改善混合料的可壓實特性；黃剛等[2]通過對摻Sasobit和摻Evotherm的溫拌瀝青混合料進行室內試驗，證實兩種溫拌劑均可改善混合料的某些路用性能.

目前針對各種溫拌瀝青混合料性能的研究，所采用的試驗手段、參照標準和評價指標存在較大差異，對不同類型的溫拌瀝青混合料缺乏全面的對比.文中研究了有機降黏劑Sasobit、表面活性劑DWMA-1與合成沸石Aspha-min三種類型溫拌劑對瀝青混合料壓實特性及路用性能的影響，為溫拌技術的應用提供參考.

1 材料組成設計與施工工藝參數

1.1 原材料性能

采用AH70#瀝青，礦料為重慶地產石灰巖，礦粉經石灰巖磨細后獲得.選擇Sasobit、Aspha-min和DWMA-1為試驗所用溫拌劑，其技術指標見表1～3.

表1 Sasobit基本技術指標

表2 Aspha-min基本技術指標

表3 DWMA-1基本技術指標

1.2 級配組成

礦料組成采用AC-20C級配中值，具體數據見表4.

表4 AC-20C級配

1.3 最佳油石比

按照馬歇爾擊實試驗規定步驟，確定AC-20C瀝青混合料的最佳油石比為4.4%.

1.4 施工工藝參數

Sasobit的熔點較低，將適量的Sasobit顆粒加入到加熱好的基質瀝青中，機械攪拌30 min后即可制得Sasobit溫拌改性瀝青，完全溶解的Sasobit與瀝青一起形成穩定的分散體系[3].DWMA-1的添加方式與Sasobit類似，將其加入到熱瀝青中并簡單攪拌10 min即可.Aspha-min為直投式溫拌劑，將適量Aspha-min加入到拌和設備后，立即加入熱瀝青進行拌和[4].Sasobit的摻量范圍為瀝青質量的2%～4%、Aspha-min的摻量范圍為混合料質量的0.2%～0.4%、DWMA-1的摻量范圍為瀝青質量的0.3%～0.6%，施工工藝參數見表5.

表5 施工工藝參數

2 不同類型溫拌劑對瀝青混合料降溫效果及壓實特性影響

2.1 不同類型溫拌劑對瀝青混合料降溫效果分析

不同類型溫拌劑對瀝青混合料的降黏方式不同，效果也存在差異.其中表面活性劑及沸石溫拌劑均不是單純通過對瀝青改性來實現降黏.因此，用黏-溫曲線來確定成型溫度的方法并不適用于每種溫拌瀝青混合料.本文采用4%空隙率法確定不同類型溫拌瀝青混合料的成型溫度[5].分別添加三種不同的溫拌劑，在不同成型溫度、不同溫拌劑摻量條件下制備馬歇爾試件，用表干法測量試件的毛體積相對密度，用真空法測量混合料的理論最大相對密度，計算其空隙率，分析不同類型溫拌劑對瀝青混合料的降溫效果，試驗結果見圖1.

圖1 溫拌瀝青混合料空隙率與溫度關系

由圖1可知：

1) 摻3%Sasobit和0.3%Aspha-min的溫拌瀝青混合料空隙率～溫度曲線最低，密實性最佳，說明此種溫拌劑摻量下的混合料擁有最佳的壓實效果.DWMA-1溫拌瀝青混合料的空隙率在0.6%摻量下最低，證明在0.3%～0.6%的摻量范圍內，摻盡可能多的DWMA-1會使混合料達到最佳密實狀態.

2) 不論是否添加溫拌劑，瀝青混合料的空隙率都會隨成型溫度的升高而減小，所以選擇合適的成型溫度是保證混合料具有良好路用性能的前提.用4%空隙率法確定混合料的成型溫度，3%Sasobit溫拌瀝青混合料的成型溫度約為125 ℃，0.3%Aspha-min溫拌瀝青混合料的成型溫度約為130 ℃，0.6%DWMA-1溫拌瀝青混合料的成型溫度約為135 ℃.三種溫拌劑對瀝青混合料降溫效果的排序為：Sasobit>Aspha-min>DWMA-1.溫拌技術下的混合料具有較低的黏度，溫拌瀝青膜與集料均勻裹附，降低了集料的內摩擦角[6]，在馬歇爾擊實儀反復擊實功的作用下，集料顆粒嵌擠更加充分，形成高密實度的試件.

2.2 馬歇爾法分析溫拌瀝青混合料壓實特性

在施工碾壓階段，混合料的體積指標在機械荷載的作用下不斷改變.混合料達到目標空隙率的難易程度反映了混合料的可壓實特性[7].分別在最佳溫拌劑摻量下(3%Sasobit、0.3%Aspha-min、0.6%DWMA-1)成型不同溫拌類型的馬歇爾試件，測定其空隙率，分析空隙率隨擊實次數的變化規律.控制熱拌瀝青混合料成型溫度為150 ℃，三種溫拌瀝青混合料的成型溫度為130 ℃.試驗結果見圖2.

圖2 溫拌瀝青混合料空隙率與擊實次數關系

由圖2可知，在成型溫度降低20 ℃的情況下，Sasobit和Aspha-min溫拌劑可以較大程度地降低瀝青混合料的空隙率，DWMA-1溫拌瀝青混合料也與熱拌瀝青混合料的壓實效果相差不多.要使瀝青混合料達到4%空隙率，傳統熱拌工藝下的混合料需80次擊實，摻3%Sasobit的混合料需66次擊實，摻0.3%Aspha-min的混合料需72次擊實，摻0.6%DWMA-1的混合料需84次擊實.溫拌化的瀝青混合料減少了擊實次數，節約了擊實功，不僅節能環保，還具有良好的經濟和社會價值.

2.3 旋轉壓實法分析溫拌瀝青混合料壓實特性

瀝青混合料的壓實是通過施加一定的壓實功，使混合料的骨料之間達到一定的密實程度.由于馬歇爾成型試驗無法得到混合料壓實過程中的壓實功參數，為了更好地研究不同類型溫拌劑對混合料壓實性能的影響，用旋轉壓實法進一步評價溫拌瀝青混合料的可壓實特性.

分別拌制熱拌和不同類型的溫拌瀝青混合料，采用600 kPa的豎直壓力、1.25°旋轉壓實角和30 r/min的旋轉速率，模擬車輛荷載對路面的壓實作用.根據交通量等級，取初始壓實次數Nini為8次，設計壓實次數Ndes為100次，最大壓實次數Nmax為160次，要求Nini、Ndes、Nmax對應的密實度比分別小于89%、96%、98%.根據不同旋轉圈數下對應的試件高度及壓實結束后試件的壓實度，計算并繪制相對于最大理論密度的密實度比曲線[8]，密實曲線可用冪函數進行擬合，為

γ=ANb

(1)

對式(1)進行求導，即可求得密實曲線上任意一點的斜率，反映了該點處的壓實速率.

Nini、Ndes、Nmax將密實曲線分為見圖3～4兩部分，分別對應混合料施工階段的壓實和開放交通后車輛荷載作用下的壓實.Nini-Ndes間的密實曲線在半對數坐標下呈一條直線，平均斜率的計算見式(2).該值反映了混合料從初始到設計壓實次數范圍內的可壓實性，該值越大，表明壓實速率越大，混合料施工和易性越好.

(2)

Ndes-Nmax間的密實曲線表示混合料從4%設計空隙率壓密到2%極限空隙率的過程，在普通區間內接近直線，對密實曲線進行線性回歸，計算斜率K2.K2反映瀝青路面在使用過程中的抗壓密能力，該值越大，則表明在同樣的交通量下，其抗變形能力越差.

圖3 半對數坐標下的Nini-Ndes混合料密實曲線

圖4 普通坐標下的Ndes-Nmax混合料密實曲線

密實能量指數是瀝青混合料在施工過程中，壓實到92%壓實度時攤鋪與壓實設備所做的功，92%為規范要求的可接受的壓實度值.將Nini-N92圍成的區域進行積分即得到密實能量指數CEI，該值越低，混合料的施工和易性越好.交通密實指數反映在交通荷載反復作用下混合料被壓實到極限密實狀態所做的功.在施工后至路面早期運行階段，混合料從92%壓密至96%密實度所做的功，即密實曲線上該兩點間面積，稱為交通密實指數TDI96.混合料從96%密實度進一步壓密至98%極限密實狀態時所做的功，稱為交通密實指數TDI98，此時混合料處于塑性破壞區.交通密實指數越大，則表明路面的抗壓密能力越好，在運行階段更穩定.對不同類型溫拌瀝青混合料的密實曲線進行擬合，按上述方法計算K1、K2、CEI、TDI96、TDI98，結果見表6.

表6 旋轉壓實曲線評價指標

由表6可知，溫拌瀝青混合料的K1值大于熱拌瀝青混合料，N92值更小，證明其更容易達到規范要求的92%壓實度，同時溫拌瀝青混合料的CEI值均小于普通熱拌瀝青混合料，減少了施工過程中攤鋪機和壓路機所做的功，具有更好的施工和易性.溫拌瀝青混合料K2值小于熱拌瀝青混合料，TDI98值整體大于熱拌瀝青混合料，證明溫拌瀝青混合料具有更好的抗壓密和抗車轍變形能力，路面在后續的使用階段更穩定.綜上所述，三種溫拌劑均可以改善瀝青混合料的可壓實特性，有機降黏劑Sasobit的改善效果最佳.

3 不同類型溫拌劑對瀝青混合料路用性能影響

3.1 高溫穩定性

為了防止瀝青路面在夏季或氣候炎熱地區因車輛荷載的作用發生破壞，要求混合料具有良好的高溫穩定性.相比于馬歇爾穩定度試驗，車轍試驗更能模擬路面的真實受力情況.用輪碾法成型試件并進行車轍試驗，以動穩定度和車轍變形量為評價指標，對比不同類型混合料的高溫性能.試驗結果見表7.

表7 車轍試驗結果

由表7可知，摻Sasobit和Aspha-min的溫拌瀝青混合料的動穩定度較高，變形量較小.在60 ℃的試驗環境下，Sasobit在瀝青膠結料中呈現出晶格結構，提高了混合料抵抗變形的能力.在拌和過程中，Aspha-min內部結晶水持續釋放，有效地降低了瀝青的瞬時黏度，可以使混合料的工作性維持較長時間，一定程度上提升了混合料的內聚力.DWMA-1溫拌劑對混合料高溫性能影響較小.

3.2 水穩定性

瀝青路面在長期使用過程中，大氣中的水分和降雨會通過空隙進入到路面結構中，并且在車輛荷載和熱脹冷縮作用下產生動水壓力，水分滲入到瀝青與集料界面，降低兩者間黏結力，并隨之出現剝落現象.由于溫拌瀝青混合料的拌和溫度較低，集料表面可能存在被瀝青封閉的殘留水分，這些水分的存在會加重瀝青混合料的水損壞.所以，更需要對溫拌瀝青混合料的長期水穩定性能進行測試.浸水馬歇爾試驗主要反映集料顆粒間的內摩阻力大小，因此采用更能反映混合料中瀝青黏結力作用的多循環凍融劈裂試驗.按規程要求：先將試件在98.3～98.7 kPa真空條件下放置15 min，恢復常壓后飽水30 min，然后置于-18 ℃環境下16 h，最后60 ℃水浴24 h完成一個凍融循環，用馬歇爾試驗儀測定不同凍融循環次數下試件的劈裂強度，計算凍融劈裂抗拉強度比TSR，試驗結果見表8.

表8 循環凍融試驗結果 單位:%

由表8可知，經1次凍融循環后，Sasobit溫拌瀝青混合料的劈裂強度比下降了約6.6%，摻其他兩類溫拌劑的混合料劈裂強度比并沒有明顯變化，說明1次循環并不能準確地反映出混合料的抗水損害能力.經過2、3次凍融循環后，Aspha-min溫拌瀝青混合料的劈裂強度比最低，說明Aspha-min會導致混合料抵抗水損害能力的嚴重下降，Sasobit也在一定程度上導致瀝青混合料長期水穩定性劣化.相反，DWMA-1對混合料的長期水穩定性有改善作用.研究表明[9-12]，DWMA-1中存在大量具有抗剝落增強功能的胺類物質，增大了瀝青與礦料的黏附力，從而實現瀝青混合料長期水穩定性的提高.

3.3 低溫穩定性

瀝青路面在冬季溫度較低時容易呈現出脆性特質，當溫度收縮應力超過混合料的抗拉強度極值時，路面會出現開裂現象.對混合料進行-10 ℃低溫小梁彎曲試驗，以極限彎拉應變值作為混合料低溫性能評價指標，試驗結果見表9.

表9 低溫彎曲試驗結果

由表9可知，Sasobit和Aspha-min劣化了混合料的低溫性能，其彎拉應變值低于規范要求.這是因為Sasobit中過量的蠟分子會與部分瀝青飽和組分在-10 ℃環境下結晶析出，使瀝青呈現出脆性特質，更容易在低溫下破壞.Aspha-min溫拌瀝青混合料中的溫拌劑殘留可能影響到了瀝青膜的厚度，從而劣化了混合料的低溫變形能力.DWMA-1溫拌瀝青混合料的低溫性能有所改善，這是因為溫拌工藝下瀝青的老化程度較熱拌減輕，進而引起混合料低溫抗裂能力的提高.

4 結 論

1) 三種類型溫拌劑均可以降低瀝青混合料的成型溫度，3%Sasobit、0.3%Aspha-min的降溫效果較好，可以降低混合料生產過程中的能源消耗和環境污染.三種溫拌添加劑對混合料降溫效果的排序為：Sasobit>Aspha-min>DWMA-1.

2) 要使馬歇爾試件達到4%空隙率，溫拌化的瀝青混合料需要更少的擊實次數，節約了擊實功，不僅節能環保，還具有良好的經濟和社會效益.

3) 由旋轉壓實密實曲線可知，在相同壓實功下，溫拌工藝下的混合料密實度更好.溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料更容易達到規范要求的92%壓實度，且密實能量指數CEI值更小，具有更好的施工和易性.溫拌瀝青混合料Ndes-Nmax密實曲線較熱拌瀝青混合料平緩，交通密實指數TDI98值整體大于熱拌瀝青混合料，具有更好的抗壓密和抗車轍變形能力，路面在后續使用階段更穩定.

4) Sasobit和Aspha-min溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料有更好的高溫性能，這與旋轉壓實密實曲線顯示的結果一致，但長期水穩定性和低溫性能有不同程度地降低.DWMA-1溫拌瀝青混合料的各項性能較為均衡，高溫性能較熱拌瀝青混合料略有下降，長期水穩定性、低溫性能有小幅度提升.