DWMAS型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青表觀黏度及路用性能的影響

劉寬富 朱家劍 韓麗麗 楊海濤

(甘肅二車高等級公路項目管理有限公司1) 蘭州 730070) (甘肅路橋第三公路工程有限責任公司2) 蘭州 730070) (陜西交通職業技術學院3) 西安 710018) (長安大學道路結構與材料交通運輸行業重點實驗室4) 西安 710064)

0 引 言

橡膠瀝青是由瀝青、回收輪胎膠粉及外加劑組成，通過膠粉高溫融脹吸收基質瀝青的輕質組分形成的高黏度熱力學不相容兩相體系.橡膠瀝青不僅能消化大量廢棄輪胎，鋪筑路面還具有優良的高溫抗變形、抗疲勞開裂性能和卓越的降噪效果.自從1960年Charles H. McDonald提出“濕法”工藝以來，在中國、北美、南非等國家和地區得到了廣泛應用，被大量用于開級配、間斷級配熱拌瀝青混合料以及應力吸收層、同步碎石封層和開普封層等路面工程[1-2].然而，橡膠瀝青生產和施工各環節溫度均高于聚合物改性瀝青，達180～190 ℃，不僅消耗數量可觀的能源，還會排放大量CO2和濃煙，制約了橡膠瀝青技術的推廣和應用.

隨著沸石發泡技術、有機蠟類以及乳化類為代表的溫拌瀝青技術的開發應用，也大量應用在橡膠瀝青混合料領域[3-6].季節等[7]基于針入度體系、SHRP體系及表面自由能、紅外光譜等試驗手段，對稀釋類(芳烴油、煤油)、有機蠟類(RH、Sasobit)、表面活性劑類(Evotherm)及沸石類(Aspha-min)四類溫拌劑對橡膠瀝青路用性能的影響進行了研究.2008年，河北鋪設了我國第一條溫拌橡膠瀝青試驗路；同年Evotherm溫拌橡膠瀝青技術在石家莊石環公路試驗路得到了應用.2015年南京南站與機場連接線鋪設了溫拌橡膠瀝青SMA-13試驗段，結果表明：溫拌橡膠瀝青SMA能降低壓實溫度20 ℃，水穩定性和抗開裂性能保持不變，顯著提高了橡膠瀝青的高溫穩定性.

為降低施工階段碳排放，文中將一種新型復合型溫拌劑應用于碎石封層橡膠瀝青膠結料，基于室內試驗和鋪筑試驗路段探討了將溫拌橡膠瀝青碎石封層用作路面結構下封層的技術和經濟可行性.為評價DWMA-S型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青結合料高、低溫路用性能的影響以及分析其降黏效果，采用針入度、軟化點、彈性恢復率、測力延度、180℃布氏旋轉黏度試驗表征了DWMA-S型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青結合料高溫路用性能、低溫韌性，以及表觀黏度的影響.

1 材料與試驗

1.1 材料

1.1.1橡膠瀝青

采用甘肅省嘉峪關市、天水市瀝青庫供應的橡膠瀝青成品取樣進行室內試驗，采用SK-90#基質瀝青、SBS(I-C)改性瀝青做對照研究，技術指標見表1(試驗方法采用文獻[8]T0604).

表1 橡膠瀝青路用性能技術指標

1.1.2溫拌劑

采用東道瀝青DWMA-S型溫拌劑，摻量為占熱瀝青質量的0.3%～0.7%，可根據工程應用數量計算溫拌劑需要量.該溫拌劑可降低瀝青混合料施工溫度30～40 ℃，技術參數見表2.

表2 DWMA-S型溫拌劑的技術參數

1.2 試驗

1.2.1溫拌橡膠瀝青制備

將成品橡膠瀝青加熱至140～160 ℃，計算溫拌劑添加量，在攪拌狀態下將溫拌劑緩慢倒入熱橡膠瀝青中，恒溫狀態下攪拌約5～10 min，保持原有橡膠瀝青溫度穩定后，即可澆樣完成后續溫拌橡膠瀝青基本路用性能試驗.

1.2.2基本路用性能試驗

采用針入度、軟化點、彈性恢復率、180 ℃布氏旋轉黏度試驗表征了溫拌橡膠瀝青的高溫路用性能，借助SYD-4508G-1數顯型瀝青延度試驗器測定了不同溫拌橡膠瀝青在5 ℃、10 ℃的拉力-延度試驗曲線，分析橡膠瀝青的低溫韌性以及溫度、溫拌劑對橡膠瀝青低溫性能的影響.

延度試驗器測量范圍：1.5 m(±10 mm)，控溫范圍：5～50 ℃可調節，數字顯示，溫度顯示分辨率0.01 ℃，控溫精度：±0.1℃，拉伸速度：1，5 cm/min兩檔，測量精度：±1 mm.各試驗方法均嚴格按照文獻[8]規定執行.所有的路用性能試驗每組樣品進行三次平行試驗，取其平均值為代表值，并取三次平行試驗結果的標準差SD評價試驗誤差.

1.3 試驗段概況

試驗段鋪筑于G341線甘肅省環縣二(十里溝口)至車(路崾峴[甘寧界])公路HCGL1合同段劉園子互通立交A2匝道(起訖樁號：A2K0+000—A2K0+495.802)、E匝道(起訖樁號：EK0+000—EK0+388.059)，總長度884m.試驗段路面結構為：4cm高性能改性瀝青混凝土Superpave-13上面層，8cm密級配改性瀝青碎石ATB-25下面層，36 cm水泥穩定碎石基層加20 cm水泥穩定碎石底基層，匝道設計橫斷面見圖1.采用溫拌橡膠瀝青碎石封層用作路面結構下封層，在水泥穩定碎石基層表面先灑布乳化瀝青透層油，之后施作溫拌橡膠瀝青碎石下封層.原路面設計封層方案為熱熔改性瀝青碎石封層.

圖1 試驗段匝道橫斷面示意圖(單位：cm)

2 DWMA-S型溫拌劑對橡膠瀝青基本路用性能的影響

2.1 針入度、軟化點及彈性恢復率

試驗得到不同溫拌橡膠瀝青的針入度、軟化點與彈性恢復率見圖2.

圖2 溫拌劑對橡膠瀝青針入度、軟化點和彈性恢復率指標的影響

由圖2a)可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青25 ℃針入度增大，嘉峪關、天水兩種橡膠瀝青樣本摻加溫拌劑后針入度分別增加31.0%、3.73%，說明溫拌橡膠瀝青的常溫稠度有所降低.由圖2b)可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青軟化點略有降低，兩種樣本降幅均不足5%，說明DWMA-S溫拌劑對橡膠瀝青軟化點影響不大.由圖2c)可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青25 ℃彈性恢復率變化不顯著，數據表明嘉峪關樣本摻加溫拌劑后彈性恢復率增加1.1%，而天水樣本則降低2.2%，兩組樣本的數據變化不顯著，說明本項目碎石封層橡膠瀝青所用復合型溫拌劑在降低橡膠瀝青高溫黏度時，對橡膠瀝青的彈性幾乎沒有影響.圖2c)中四組橡膠瀝青樣本的彈性恢復率與工程中常用SBS改性瀝青相當，說明該復合型溫拌劑不會對橡膠瀝青彈性產生負面影響.

2.2 溫拌劑對橡膠瀝青低溫延度及韌性的影響

測定不同溫拌橡膠瀝青在5、10 ℃的力-延度試驗曲線，低溫延度試驗結果見圖3.

圖3 摻加不同溫拌劑橡膠瀝青的低溫延度

由圖3可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青低溫延度變化規律不明顯；數據表明嘉峪關樣本摻加溫拌劑后5 ℃延度增加13.1%，而天水樣本則降低15.8%，當試驗溫度升高后，摻加溫拌劑嘉峪關樣本10 ℃延度增加6.9%，而天水樣本則降低23.0%，考慮到試驗樣品制備及溫度控制方面可能存在的誤差，嘉峪關樣本溫拌前后延度變化率不足15%，可以認為溫拌劑對其延度影響不顯著；而天水樣本摻加溫拌劑前后延度降低率均大于15%，說明溫拌劑對其延度影響較顯著.文獻中表面活性劑類溫拌劑會在一定程度上降低橡膠瀝青高低溫性能，本項目所用復合型溫拌劑可能會對橡膠瀝青低溫塑性變形能力產生較大的負面影響，且膠粉摻量越大，負面影響越顯著.原因可能在于，復合型溫拌劑中的表面活性劑成分降低了溶脹后膠粉顆粒與基質瀝青之間的黏附性能，從而導致低溫延度值降低.

摻加溫拌劑前后橡膠瀝青5，10 ℃的力-延度試驗曲線見圖4.依據彈性模量和斷裂伸長率的不同，高分子材料單軸拉伸條件下的力-變形曲線可劃分為五種類型：硬而脆型、硬而強型、硬而韌型、軟而韌型和軟而弱型，五種力-變形曲線各有不同的形狀.

圖4 摻加溫拌劑橡膠瀝青的低溫力-延度試驗曲線

由圖4可知：摻加溫拌劑橡膠瀝青的低溫力-延度曲線具有硬而韌的特點.該類型材料力-延度曲線在加載初期力與變形呈線性關系增長，且彈性模量很高，當材料屈服后可以產生較大的變形，因而具有較大的斷裂伸長率，材料斷裂能高、韌性優良.此外，溫度對橡膠瀝青力-延度曲線形狀影響較溫拌劑顯著，表現在試驗溫度為5 ℃時，試樣力-延度曲線經過彈性區間后，出現了明顯的屈服現象，隨后力略有降低，延度持續增加，發生屈服軟化；而試驗溫度為10 ℃時，屈服現象和屈服軟化不明顯，試樣的屈服力和斷裂力均大幅下降，橡膠瀝青的韌性降低.

表3為摻加DWMA-S型溫拌劑后不同橡膠瀝青試樣的低溫韌性指標.數據表明溫度對橡膠瀝青的低溫韌性具有極其顯著的影響，試驗溫度越高，屈服力、斷裂力及斷裂能均大幅降低；不同溫度下橡膠瀝青的屈服延度變化不大，均在12 mm左右，斷裂延度也即延度試驗值差別較大，10 ℃延度大于5 ℃延度.此外，溫拌劑對橡膠瀝青的低溫韌性具有一定影響，表現在摻加DWMA-S型溫拌劑后，屈服力、斷裂力降低，斷裂能降低，與升高溫度對橡膠瀝青低溫韌性的影響一致.

表3 溫拌橡膠瀝青的低溫韌性指標

3 DWMA-S型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青表觀黏度的影響

橡膠瀝青用作封層膠結料時常在高溫條件下灑布，為了降低橡膠瀝青高溫灑布時的二氧化碳排放量，常摻加溫拌劑減低黏度，從而降低橡膠瀝青灑布溫度.為考察DWMA-S型溫拌劑對本研究碎石封層橡膠瀝青施工黏度的影響，采用布氏旋轉黏度計測定了不同橡膠瀝青樣本的180℃表觀黏度，試驗結果見表4.

表4 摻加DWMA-S溫拌劑橡膠瀝青的表觀黏度試驗值

由表4可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青180 ℃表觀黏度降低.其中，嘉峪關、天水兩種橡膠瀝青樣本摻加溫拌劑后黏度分別降低50.8%、40.0%，與文獻中有機降粘劑的降粘效果相當.說明摻加DWMA-S溫拌劑后橡膠瀝青的高溫表觀黏度大大降低.

4 溫拌橡膠瀝青碎石封層試驗段降溫效果分析

溫拌橡膠瀝青碎石封層主要施工工藝包括三部分：同步碎石封層車標定(根據設計碎石撒布量和瀝青灑布量，確定碎石布料口以及瀝青噴嘴的開啟度)、下承層準備、溫拌橡膠瀝青同步碎石封層施工.在封層施作前，從同步碎石封層車的瀝青儲存罐內取樣進行了橡膠瀝青的路用性能指標試驗，文中2.1、2.2溫拌橡膠瀝青基本路用性能試驗結果即為取樣后測定值.

綜合室內試驗及試驗段實測數據可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青的灑布溫度在160～165 ℃，在滿足部頒標準路用廢胎膠粉橡膠瀝青技術要求(寒區)的前提下，灑布溫度比未摻溫拌劑時降低30～35 ℃，降溫效果顯著.主要原因在于DWMA-S型溫拌劑幾乎不改變橡膠瀝青高溫路用性能，卻能大大降低其表觀黏度，降幅可達40%～50%，因此采用DWMA-S型溫拌橡膠瀝青作碎石封層膠結料，能顯著降低施工階段的二氧化碳排放量.值得注意的是，該型溫拌劑對橡膠瀝青低溫韌性有一定負面影響，在寒區公路工程中應用時應格外注意.

5 結 論

1) 摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青25 ℃針入度增大，軟化點略有降低，25 ℃彈性恢復率變化不顯著，該復合型溫拌劑對橡膠瀝青針入度和軟化點的影響規律與稀釋類溫拌劑類似.

2) 摻加DWMA-S型溫拌劑后，橡膠瀝青低溫延度降低，表明其可能會對橡膠瀝青低溫塑性變形能力產生較大負面影響，且膠粉摻量越大，影響越顯著.

3) 橡膠瀝青低溫力-延度曲線具有硬而韌的特點.且溫度升高，橡膠瀝青、溫拌橡膠瀝青的屈服力分別降低54.3%、57.5%，斷裂力降低46.5%、48.3%，斷裂能則降低25.56%、35.90%，說明溫度對溫拌橡膠瀝青低溫韌性具有極其顯著的影響.

4) 摻加DWMA-S型溫拌劑后，橡膠瀝青屈服力、斷裂力降低，斷裂能降低，與升高溫度對其低溫韌性的影響規律一致.

5) DWMA-S型溫拌劑可降低橡膠瀝青180 ℃表觀黏度40%～50%，故采用溫拌橡膠瀝青作碎石封層膠結料，能顯著降低灑布溫度，進而降低施工階段的二氧化碳排放量.