AH-1 溫拌劑對SBS 改性瀝青路用性能的影響

趙林飛

[蘇交科（廣州）交通規劃設計有限公司，廣東 廣州 510000]

0 引言

傳統熱拌瀝青混合料的拌合溫度在140～190℃之間，造成了大量的溫室氣體排放。同時，不斷上漲的能源價格、全球變暖和更嚴格的環境法規導致人們對溫拌瀝青（WMA）技術越來越感興趣。溫拌瀝青混合料因為其低排放量、無污染、綠色環保等優點成為目前國內外研究的重點課題。使用WMA 黏合劑可降低混合料的拌合和壓實溫度，提高施工便利性，從而降低因高溫加熱而產生的燃油消耗和排放。國外在1995—1999 年開始了第一次溫拌瀝青混合料的實驗路鋪筑[1]。傳統的溫拌劑主要包括微晶蠟，在瀝青混合料拌合過程中作為外加劑添加到瀝青中[2-4]。由于微晶蠟的加入，可以降低瀝青混合料拌合溫度的同時，通過冷卻時固化成為均勻分布的微顆粒來增加瀝青混合料的剛度。此外，市面上常見的Sasobit 降黏劑也可以使瀝青的黏度下降，提高瀝青混合料的高溫穩定性，但是將劣化瀝青混合料的抗水損害能力和低溫抗裂性能[5-6]。另一方面，化學改性劑Evotherm 也是溫拌改性瀝青的研究熱點。化學改性劑Evotherm 可以用作乳化劑或者界面結合劑，與表面活性劑、高分子聚合物改性劑組合可以提高瀝青混合料的界面結合性能、更高的施工和易性和有效降低拌合溫度。但是OMR 等[7]研究表明，在溫拌瀝青混合料中使用Evocotherm 改性劑將導致瀝青混合料的彈性模量和拉伸強度下降。

由于現階段的溫拌瀝青技術還存在一些問題以及造價方面的原因，推廣受到限制[8-10]。本研究采用自行研發的AH-1 溫拌劑與Sasobit 進行對比，對其路用性能進行評價。研究結果為道路節能減排技術提供了技術參考，以促進有機降黏劑在道路養護行業的發展。

1 實驗部分——溫拌瀝青材料

（1）瀝青。本研究采用中石化東海SBS 改性瀝青。

（2）溫拌改性劑。本公司自行研發的AH-1 溫拌劑，主要成分為輕質油機三種非離子型表面活性劑復合而成，是合成長鏈飽和碳氫化合物的混合物，次要成分是脂類物質。碳鏈長度位于12-19，HLB 為4-8。

Sasobit 是降黏型溫拌劑，白色或淡黃色固體，具有較細的晶體結構。AH-1 與Sasobit 具有類似的溫拌作用效果，通過升溫將改變瀝青內部四組分含量，增加瀝青內部輕質組分比例，從而達到降溫效果[11]。Sasobit 示意圖和AH-1 溫拌劑示意圖分別如圖1、圖2 所示，對應技術指標見表1。

表1 溫拌劑物理指標

圖1 S a s obit 示意圖

圖2 AH-1 溫拌劑

（3）集料與級配組成。集料選用玄武巖，本文熱、溫拌混合料擬采用SMA-13 級配進行馬歇爾試驗。其中，SMA-13 級配組成取規范中值，最佳油石比為4.5%，級配見表2。級配曲線如圖3 所示。

表2 SMA-13 級配組成

圖3 SMA-13 級配曲線

（4）纖維。選用市面上常見的短切玄武巖纖維，其高模量和較大的表面積成為瀝青增強材料的重要部分，選用摻量為4%。

2 溫拌劑對瀝青性能的影響

2.1 溫拌劑對瀝青常規性能的影響

將AH-1 分別按3%、4%和5%的摻量加入到SBS 改性瀝青中，Sasobit 按5%的摻量加入，均在160℃左右用高速剪切機在1 000 r/min 下攪拌20min，保證AH-1 和Sasobit 充分融入到瀝青之中。對SBS 改性瀝青摻量（3%、4%、5%AH-1）、SBS 改性瀝青+5%Sasobit 和未做添加的SBS 改性瀝青進行常規性能測試，測試結果見表3。

表3 溫拌瀝青常規性能指標

由表3 可知，AH-1 和Sasobit 對SBS 改性瀝青的常規性能影響較為顯著。隨著AH-1 溫拌劑摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青的針入度從58 mm分別下降為51 mm、45 mm、40 mm，最大下降幅度達43.1%。表明AH-1 對SBS 改性瀝青的稠度具有一定的影響，AH-1 冷卻后生成的微晶蠟導致針入度的下降。另外，隨著AH-1 摻量的增加，SBS 改性瀝青的軟化點逐步提升，從67.7℃上升至93.7℃，上升幅度達38.4%。軟化點指標一定程度反映了SBS 改性瀝青的高溫性能，即AH-1 的加入顯著提升了SBS改性瀝青的溫度穩定性。最后，隨著AH-1 的加入，其延度從33.1 mm 下降至16.2 mm，下降幅度達51.1%。表明AH-1 SBS 改性瀝青冷卻后，內部均勻的微晶蠟將作為外來異物影響瀝青的整體性，導致其內部出現應力集中點，劣化延度指標。與此同時，相較于同等摻量的Sasobit，AH-1 對SBS 改性瀝青的劣化程度較小。

2.2 溫拌劑對瀝青黏度的影響

有機降黏劑的主要工作原理是降低瀝青的黏度以滿足降溫效果。

在120℃、135℃、150℃、165℃和180℃等5 種不同溫度下，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[12]要求，對上述摻量的SBS改性瀝青進行布什黏度試驗，以基質原樣瀝青作為對照組，分析溫拌劑對SBS 改性瀝青黏度的影響。為盡可能避免試驗誤差，每組摻量試件取3 個平行試件結果，試驗結果如圖4 所示。

由圖4 可知，在相同溫度下，隨著AH-1 溫拌劑摻量的升高，其SBS 改性瀝青黏度在不斷下降，且下降幅度逐漸加快。在150℃下，5%AH-1 SBS 改性瀝青的黏度為0.52 Pa·s，與SBS 改性瀝青0.77 Pa·s相比，下降了0.25 Pa·s，下降幅度達24.7%。且4%AH-1 的降黏效果與5%Sasobit 降黏劑降黏效果相當，說明AH-1 溫拌劑的降黏效果比Sasobit 要好。另外，隨著溫度的升高，兩種溫拌劑的降黏效果在不斷減弱。當溫度超過160℃，兩者的黏溫曲線下降速率趨近于0。其原理為，隨著溫度的升高，兩種有機降黏劑內部的極限基團，如C=O 基團與瀝青中膠質的結合能力下降，輕質組分比例變化程度不大，故效果不明顯。我國現行的規范標準將0.17Pa·s±0.02 Pa·s時的溫度作為基質瀝青混合料的拌合溫度范圍，將0.28Pa·s±0.03 Pa·s 時的溫度作為壓實成型的溫度；對于SBS 改性瀝青混合料的拌合和成型溫度應該根據施工現場實際情況和當地條件確定[11]。因此，需要進一步采用其他技術指標對比兩款溫拌劑對SBS 改性瀝青的溫拌效果，本文采用體積指標法確定最佳成型溫度。

3 溫拌劑對瀝青混合料性能的影響

3.1 溫拌瀝青混合料的降溫效果

對于瀝青混合料而言，在拌合及成型過程中的空隙率指標十分重要，將極大影響瀝青混合料的力學性能和路用性能[13]。將不同摻量和種類的溫拌SBS混合料與熱拌SBS 混合料分別在140℃、150℃、160℃、170℃下，通過馬歇爾標準擊實試驗擊實成型，利用等體積原則，采用等空隙率作為控制指標，比較AH-1 溫拌劑的降溫效果[14]。試驗結果如圖5所示。

圖5 混合料空隙率與成型溫度的關系

由圖5 可知，隨著成型溫度的升高，無論何種摻量的AH-1 或Sasobit 溫拌劑，空隙率都在逐漸下降。在150℃的溫度下，添加3%、4%、5%AH-1 的SBS 改性瀝青較基質SBS 瀝青的空隙率從4.72%下降為4.24%、3.84%、3.75%。添加4%AH-1 溫拌劑在相同溫度下對空隙率的降低效果與5%摻量的Sasobit 相當，都明顯低于SBS 改性瀝青。從空隙率角度發現，AH-1 溫拌劑比Sasobit 具有更好的降溫效果。《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）規定，要求SMA 混合料馬歇爾試件的空隙率為3%～4%，故以4%的空隙率作為控制指標。由此可以看出，在等體積原則下，加入5%Sasobit 的溫拌瀝青混合料可以降溫25℃，加入4%AH-1 與加入5%Sasobit的降溫效果相當，加入5%的AH-1 可以降溫30℃，說明AH-1 溫拌劑不僅降溫效果比Sasobit好，且摻量較低、造價小，具有很好的應用潛力。

通過不同摻量溫拌劑AH-1 和Sasobit 對SBS常規性能（針入度、延度、軟化點）、布什黏度和壓實特性空隙率等指標的系統分析，發現兩種溫拌劑對SBS 改性瀝青均有較好的降溫效果，且4%AH-1 的降溫效果與5%Sasobit 的降溫效果一樣。

3.2 溫拌瀝青混合料的高溫穩定性

車轍試驗作為我國評價瀝青混合料高溫性能最普遍的手段被研究者廣泛使用。本文采用車轍試驗研究混合料質量比不同摻量（3%、4%、5%）AH-1 的SBS 瀝青和5%Sasobit SBS 改性瀝青高溫穩定性的影響。其中，車轍試驗條件為：輪壓0.7 MPa±0.05 MPa，實驗溫度為60℃±1℃，輪碾速度為42 次/min，記錄加載45 min 和60 min 的車轍深度。

以動穩定度作為試驗結果，計算公式如下：

式中：DS 為動穩定度（次/mm）；t2、t1為試驗時間，t1=45 min，t2=60 min；d1、d2為t1、t2時間對應的車轍深度（mm）；N 為碾壓速率，本文取42 次/min；C1、C2分別為試驗機類型系數和試件系數，本文均取1。

每組混合料作3 次平行試驗，取3 次試驗的平均值作為最終試驗結果。

測試結果如圖6 所示。

圖6 車轍試驗結果

由圖6 可知，AH-1 溫拌劑和Sasobit 均能顯著提高SBS 改性瀝青的動穩定度，增加其高溫穩定性。隨著AH-1 摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青混合料的動穩定度從5 867 次/mm 提升至6 013 次/mm、6 579 次/mm、6 752 次/mm，提升幅度達2.48%、12.13%、15.10%。而5%SasobitSBS 改性瀝青混合料的動穩定度為7 236 次/mm，較SBS改性瀝青提升幅度達23.33%。分析認為，在溫度較高時，兩種溫拌劑均在瀝青中析出微晶蠟三維加固結構，阻止了瀝青混合料界面之間的相對滑移，從而提高了瀝青混合料的抗車轍性能。與此同時，Sasobit溫拌劑的高溫改性作用比同摻量下的自制AH-1 作用更好，Sasobit 的高溫性能提高效果較AH-1 更為明顯。

3.3 溫拌瀝青混合料的低溫開裂性能

通常采用瀝青混合料彎曲試驗測試瀝青混合料的低溫性能。試驗溫度為-10℃±0.5℃，加載速率為50 mm/min。記錄荷載-位移曲線并計算彎拉強度和彎拉應變。

計算公式如下：

式中：RB為試件的抗彎拉強度（MPa）；εB為試件的最大彎拉應變（με）；SB為試件破壞時的彎曲勁度模量（MPa）；b 為試件的寬度（mm）；h為試件的高度（mm）；L 為試件的跨徑（mm）；PB為試件破壞時的最大荷載（N）；d 為試件破壞時的跨中撓度（mm）。

每組混合料作3 次平行試驗，取3 次試驗的平均值作為最終試驗結果。

實驗結果如圖7 所示。

圖7 低溫彎曲試驗結果

如圖7 所示，AH-1 溫拌劑和Sasobit 的加入都對SBS 改性瀝青的低溫抗裂性能有劣化影響。

隨著AH-1 摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青混合料的彎拉應變從3 114 με 下降至3 056 με、2 819 με、2 683 με，下降幅度達1.86%、9.47%、16.06%。而5%Sasobit SBS 改性瀝青混合料的彎拉應變為2362 με，較SBS 改性瀝青下降幅度達24.14%。彎拉應變代表瀝青混合料抵抗開裂的能力，其彎拉應變越小，瀝青混合料越硬，低溫抗裂性能越差。分析認為，有機降黏劑中含有微晶蠟的成分結晶將劣化SBS 混合料低溫性能。與此同時，Sasobit 的降低幅度明顯大于AH-1，且低于規范值2 500 με，AH-1 雖然對瀝青混合料的低溫性能有不利影響，但仍然滿足規范要求。

3.4 溫拌瀝青混合料的水穩定性

瀝青混合料的水穩定性采用浸水馬歇爾殘留穩定度進行測定。其中一組馬歇爾試件在60℃±1℃條件下保溫30 min，測試其穩定度記為MS；另一組置于60℃±1℃條件下保溫48 h，測試試件的馬歇爾穩定度記為MS1，根據式（5）計算浸水殘留穩定度MS0。

式中：MS0為浸水殘留穩定度（%）；MS 為水浴30 min的馬歇爾穩定度（kN）；MS1為水浴48 h 的馬歇爾穩定度（kN）。

每組混合料做3 次平行試驗，取3 次試驗的平均值作為最終試驗結果

實驗結果如圖8 所示。

圖8 浸水馬歇爾殘留穩定度

如圖8 所示，AH-1 溫拌劑和Sasobit 的加入都對SBS 改性瀝青的抗水損害性能有劣化影響。隨著AH-1 摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青混合料的浸水馬歇爾穩定度從10.25 kN 下降至9.86 kN、9.21 kN、8.04 kN，下降幅度達3.81%、10.14%、21.56%。而5%Sasobit SBS 改性瀝青混合料的浸水馬歇爾穩定度為7.12 kN，較SBS 改性瀝青下降幅度達30.53%。另外，AH-1 摻量（3%、4%、5%）和5%Sasobit 的浸水殘留物穩定度分別為86.2%、84.4%、83.5%、76.2%，較SBS 改性瀝青混合料的浸水殘留物穩定度87.3%分別下降了1.0%、2.8%、3.7%和11.1%。說明加入AH-1 溫拌劑或者Sasobit 會對瀝青混合料的水穩定性產生不利影響，尤其是摻加了5%Sasobit 的溫拌瀝青混合料，其浸水馬歇爾殘留穩定度比低于規范要求，需要采取一定的抗水損害措施。

4 結語

（1）AH-1 和Sasobit 對瀝青的常規性能有很大影響，兩者均對瀝青的高溫性能有改善作用，對瀝青的低溫性能有不利影響，且Sasobit 的影響程度較AH-1 大。

（2）AH-1 和Sasobit 均能大幅度降低瀝青的高溫黏度，4%摻量的AH-1 與5%摻量的Sasobit 降黏效果相當，但采用黏溫曲線確定SBS 溫拌瀝青的拌合和成型溫度不可靠。從經濟效益上確定4%AH-1作為最佳溫拌劑種類和摻量。

（3）通過等體積法確定4%AH-1 溫拌瀝青混合料比原樣瀝青混合料的拌合和成型溫度低25℃，與5%Sasobit 的降溫效果相近，但AH-1 溫拌瀝青混合料高溫穩定性優于Sasobit。同時，AH-1 對低溫抗裂性能的劣化程度相對較小，且滿足規范使用要求。后續將對AH-1 SBS 溫拌改性瀝青的低溫性能作相應的改善。