表面活性劑對瀝青經(jīng)驗指標的影響研究

王慧博，王黎明，周 輝

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)具有節(jié)能環(huán)保、改善施工環(huán)境等特點，既避免了熱拌瀝青混合料的污染，又能夠保證路面性能滿足要求，在全球節(jié)能環(huán)保和綠色施工的趨勢下，成為瀝青路面的重要施工技術(shù)方向之一[1]。隨著溫拌技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出幾種基于不同技術(shù)原理的溫拌技術(shù)：

1)瀝青發(fā)泡降黏溫拌技術(shù)；2)摻入輕質(zhì)油分稀釋降黏技術(shù)；3)摻入高熔點烷烴(石蠟)降黏溫拌技術(shù)；4)基于表面活性劑的溫拌技術(shù)。其中基于表面活性劑原理的溫拌技術(shù)具有以下特點：第一，其溫拌劑摻量非常小，大部分基于表面活性原理的溫拌劑產(chǎn)量比例均在瀝青質(zhì)量的1%以下；第二，其溫拌劑摻加方便，隨瀝青罐車卸瀝青時卸至卸油池中，然后泵送至瀝青儲存罐即可；第三，對瀝青性能影響較小，摻加后瀝青仍能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[2]中的相應(yīng)技術(shù)標準；第四，其溫拌劑摻加成本較低。目前，該技術(shù)已成為溫拌劑市場的主流。但目前我國所使用的基于表面活性原理的溫拌劑大部分來自于國外企業(yè)，國外企業(yè)對我國高價銷售其產(chǎn)品，增加了我國溫拌技術(shù)的使用成本。表面活性劑的種類繁多，因此，探究表面活性劑在混合料溫拌中的適用性，能夠為開發(fā)出有效的表面活性溫拌劑指引方向，具有重要的意義。

本研究選用三種表面活性劑，在驗證其溫拌效果的基礎(chǔ)上，探究表面活性劑對瀝青的經(jīng)驗指標的影響，判斷其是否適用于瀝青混合料溫拌技術(shù)。

1 試驗概況

本研究所制備的溫拌瀝青以及瀝青混合料所采用的原材料的相關(guān)指標以及瀝青混合料的相關(guān)配合比如下。

1.1 瀝青與礦料

試驗選用90號道路石油瀝青、標準篩孔分檔玄武巖集料、石灰石礦粉，其技術(shù)指標見表1～表3，均滿足相關(guān)的技術(shù)要求。

表1 90號道路石油瀝青試驗檢測結(jié)果

表2 集料試驗檢測結(jié)果

表3 填料(石灰石礦粉)試驗檢測結(jié)果

1.2 表面活性劑

表面活性劑種類繁多，按其親水基團可分為：陰離子型表面活性劑、陽離子型表面活性劑以及非離子型表面活性劑，由于非離子型表面活性劑能很好地溶于烴類介質(zhì)中，理論上能夠很好地與瀝青相溶。因此，本研究選擇三種非離子型表面活性劑(分析純)：油酸酰胺(C18H35NO)、芥酸酰胺(C22H43NO)與Span80(C24H44O6)。

1.3 瀝青混合料配合比

試驗混合料選用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的AC-13中值級配，由標準篩孔分檔集料逐級回配得到，通過馬歇爾試驗確定混合料最佳瀝青用量為5.0%。

2 溫拌效果驗證

2.1 試驗方案

為驗證三種表面活性劑的溫拌效果，本研究通過變溫度拌和裹附率來表征三種表面活性劑在較低溫度下是否易于拌和。向基質(zhì)瀝青中分別摻加0.9%的上述三種表面活性劑，在135 ℃的恒溫條件下用電動攪拌器以400 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 min，以制備溫拌瀝青。在不同溫度下進行變溫度拌和裹附率試驗。

2.2 變溫度拌和裹附率試驗

溫拌效果體現(xiàn)于降低拌合溫度時，混合料能夠拌和均勻。本節(jié)通過測定瀝青混合料的變溫度拌和裹附率來驗證三種表面活性劑的溫拌效果。裹附率試驗是由美國AASHTO提出用來評價瀝青混合料拌和均勻程度的指標。

試驗過程如下：采用125 ℃，135 ℃，145 ℃，155 ℃作為拌合溫度，采用1.3節(jié)中礦料級配與瀝青用量，以及0.9%的表面活性劑摻量。采用30 s+30 s的兩次拌和方式，以提高裹附率對溫度的敏感性，拌和完成后趁熱篩出粒徑為9.5 mm以上的集料并整齊且不重疊地排列在白色背景上，計算裹附率。摻入0.9%三種表面活性劑的瀝青以及基質(zhì)瀝青在不同拌合溫度下的拌合裹附率如圖1所示。

由圖1可知，摻入三種表面活性劑的瀝青混合料在145 ℃溫度拌和時即可達到100%裹附率，可降低10 ℃拌合溫度，具有一定溫拌效果。

3 對瀝青經(jīng)驗指標的影響

作為溫拌添加劑應(yīng)該兼具提高瀝青混合料的施工工作性與保證瀝青的服役性能仍能滿足要求的能力。前述試驗部分說明了三種表面活性劑具有一定的溫拌效果，本節(jié)進一步對選用三種表面活性劑制備的瀝青試樣的經(jīng)驗指標進行驗證，驗證其各指標能否達到規(guī)范要求，并與基質(zhì)瀝青進行對比，探究表面活性劑對瀝青經(jīng)驗指標的影響。

3.1 對瀝青軟化點的影響

瀝青的軟化點是指瀝青試件受熱軟化而下垂時的溫度，是瀝青達到相應(yīng)規(guī)定黏度的一個溫度[3]。瀝青的軟化點反映了瀝青的高溫性能和感溫性能。

本節(jié)內(nèi)容依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，采用環(huán)球法對摻加0.3%，0.5%，0.7%，0.9%三種表面活性劑的瀝青試樣的軟化點進行檢測，測試結(jié)果見表4，將其繪制在圖2中。本試驗所采用的基質(zhì)瀝青為90號道路石油瀝青，其軟化點為47.1 ℃。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定90號道路石油瀝青的軟化點應(yīng)不小于45 ℃，將該規(guī)定繪制于圖2中，如圖2中水平線所示。

表4 瀝青軟化點測試結(jié)果

由圖2可以看出，三種表面活性劑都能夠使瀝青的軟化點呈現(xiàn)降低的趨勢，且隨著三種表面活性劑摻量的增加，瀝青試樣的軟化點逐漸降低。其中，同等摻量的芥酸酰胺使瀝青軟化點的降幅最大，當摻入0.9%芥酸酰胺時，軟化點下降2.0 ℃；Span80次之，當摻入0.9%Span80時，軟化點下降1.7 ℃；油酸酰胺使瀝青軟化點的降幅最小，當摻入0.9%油酸酰胺時，軟化點下降1.3 ℃。所測得瀝青試樣軟化點均在圖中水平線以上。所以，三種表面活性劑均會使瀝青的軟化點有不同程度的下降，均會輕度降低瀝青的高溫穩(wěn)定性。

3.2 對瀝青針入度的影響

瀝青的針入度[4]是表示瀝青軟硬程度、稠度以及抵抗剪切破壞的能力，反映一定條件下瀝青相對黏度的指標。本節(jié)內(nèi)容依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的方法測定瀝青試樣在25 ℃溫度下的針入度。各瀝青試樣在25 ℃下的針入度測試結(jié)果見表5。

表5 各瀝青試樣在25 ℃溫度下的針入度

將表5測試結(jié)果繪制于圖3中。

由圖3可得，三種表面活性劑均會使瀝青的25 ℃針入度變大，且隨著表面活性劑摻量的增加，針入度逐漸增大，說明三種表面活性劑都有使瀝青變軟的趨勢。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中要求90號道路石油瀝青的25 ℃針入度范圍為80～100，添加表面活性劑后的瀝青試樣的25 ℃針入度均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

3.3 對瀝青延度的影響

瀝青的延度表征瀝青的延展性，是評價瀝青塑性的重要指標，瀝青的延度越大，表明瀝青的塑性越好[5-6]。通過對瀝青試樣進行15 ℃和10 ℃的延度測試，所測得瀝青試樣延度結(jié)果均大于100 cm，均滿足規(guī)范中對瀝青10 ℃和15 ℃延度的要求，但無法通過測得延度的差異探究對延度的影響，因此，本節(jié)對所有瀝青試樣進行5 ℃的延度測試，通過對比5 ℃的延度測試結(jié)果探究對延度的影響。測試結(jié)果見表6。

表6 各瀝青試樣5 ℃的延度測試結(jié)果

將表6測試結(jié)果繪制于圖4中。

由圖4可得，三種表面活性劑均會使瀝青試樣的5 ℃延度有增加的趨勢，且隨著三種表面活性劑摻量的增加，瀝青試樣的5 ℃延度也逐漸增加。由此說明三種表面活性劑使瀝青的延展性增強，改善了瀝青的低溫性能。

4 結(jié)語

本研究在驗證三種表面活性劑的溫拌效果的基礎(chǔ)上，探究其對瀝青的經(jīng)驗指標的影響，得出以下結(jié)論：

1)三種表面活性劑均具有一定的溫拌效果，可降低10 ℃拌合溫度。

2)摻入0%～0.9%的三種具有溫拌效果的表面活性劑使瀝青試樣的軟化點逐漸降低，25 ℃針入度逐漸增大，5 ℃延度逐漸增大，但各經(jīng)驗指標均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

3)三種非離子型表面活性劑適用于瀝青混合料溫拌技術(shù)。