溫拌劑對瀝青性能的影響及其成本分析

馬斌

摘要：為了對比分析新型普適高效瀝青改性劑（Sasobit）、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑對瀝青性能的影響，開展3種溫拌瀝青三大指標試驗、高溫和低溫流變性能等室內(nèi)試驗，并進行溫拌劑成本對比分析。室內(nèi)試驗結(jié)果表明：3種溫拌劑均能降低拌和溫度、壓實溫度，并且摻量越高，對SBS改性瀝青施工溫度的降低程度越大。三大指標（針入度、延度和軟化點）試驗結(jié)果顯示：Sasobit能顯著提高瀝青的高溫性能，但會降低瀝青的低溫性能；Evother@M1、ET-31002兩種溫拌劑對SBS改性瀝青三大指標無顯著影響。高溫流變性能試驗結(jié)果顯示：Sasobit對SBS改性瀝青高溫性能具有有利影響，但Evother@M1、ET-3100劣化了SBS改性瀝青的高溫性能；低溫流變性能試驗結(jié)果顯示：ET-3100溫拌劑優(yōu)于Evother@M1溫拌劑和Sasobit溫拌劑。成本分析結(jié)果顯示：ET-3100國產(chǎn)溫拌劑價格優(yōu)勢明顯。

關(guān)鍵詞：瀝青性能；溫拌劑；三大指標；流變性能；成本分析

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0054-05

0 引言

瀝青路面易于施工，可提升路面品質(zhì)，因此成為我國高等級公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。但是，瀝青混合料的生產(chǎn)加工過程需要耗費大量的能源用于瀝青和集料加熱，并且施工中產(chǎn)生的瀝青煙會危害施工人員的身體健康［1］。在“碳達峰”“碳中和”成為我國產(chǎn)業(yè)升級的戰(zhàn)略目標的今天，尋求瀝青混合料的低碳生產(chǎn)成為該領(lǐng)域科研工作者的研究熱點［2］。為了實現(xiàn)上述目標，溫拌技術(shù)應(yīng)運而生。溫拌技術(shù)即在熱拌瀝青混合料中添加溫拌劑，以達到降低施工溫度的效果。瀝青溫拌技術(shù)主要分為泡沫瀝青法、瀝青礦物法、有機添加劑法、乳化瀝青［3-4］。各類溫拌技術(shù)優(yōu)勢不一，對瀝青混合料的性能影響也不同。馬峰等［5］將Aspha-min、Sasobit兩種溫拌劑分別加入基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中，并開展瀝青結(jié)合料和瀝青混合料性能研究，說明這兩種溫拌劑有效提升了基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青60 ℃的動力黏度，并改善了瀝青及瀝青混合料的高溫性能。溫彥凱等［6］認為泡沫瀝青的高溫性能對粉膠比的敏感性較高。ZHANG等［7］對加入Advera?、13X zeolite、LTA zeolite 3種不同溫拌劑的SBS復(fù)合改性瀝青開展研究，發(fā)現(xiàn)加入溫拌劑的SBS復(fù)合改性瀝青的高溫性能提升、低溫性能下降。與此同時，溫拌瀝青混合料能夠極大地降低瀝青混合料攤鋪溫度，達到節(jié)約能源的目的。但是，溫拌劑對瀝青混合料的性能有一定的影響，并且溫拌劑成本不低，這2個因素在溫拌劑的采用決策中不可忽視［8］。本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）［9］，開展25 ℃針入度、15 ℃延度、軟化點試驗、布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗及高、低溫PG分級試驗，分析不同溫拌劑對瀝青性能的影響。與此同時，將不同溫拌劑的成本計入瀝青成本中，分析Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑對瀝青成本的影響。前人的研究多關(guān)注溫拌劑對瀝青性能的影響，而較少關(guān)注溫拌劑的價格體系，對于瀝青路面施工參考性不強。本研究的開展，將溫拌劑的價格體系納入研究，具有一定創(chuàng)新性，有利于為瀝青路面施工選用合適溫拌劑提供全面的參考。

1 原材料

本文選擇市面上常見的兩種進口種溫拌劑Sasobit、Evother@M1和一種國產(chǎn)溫拌劑ET-3100開展試驗研究。Sasobit的降黏原理為受熱熔化后起潤滑作用；Evother@M1的降黏原理為與水結(jié)合形成大量膠團，使瀝青易于同集料裹覆；ET-3100的降黏原理為產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性水膜，降低瀝青混合料團聚效應(yīng)。選用SBS改性瀝青，分析溫拌劑對瀝青的性能影響，SBS改性瀝青技術(shù)性能試驗結(jié)果見表1。

參考廠家提供的基本信息，3種溫拌劑的摻量（占瀝青質(zhì)量百分比）范圍分別如下：Sasobit為1%～3%、Evother@M1為0.2%～0.8%、ET-3100為0.5%～1%。因此，本文設(shè)置Sasobit的摻量為1%、2%、3%，Evother@M1的摻量為0.2%、0.5%、0.8%，ET-3100的摻量為0.5%、0.8%、1%。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 三大指標（針入度、延度和軟化點）

三大指標（針入度、延度和軟化點）試驗過程參考我國規(guī)范JTG E20—2011［9］中的要求進行，其中針入度測試溫度為25 ℃，延度測試溫度為5 ℃。對SBS改性瀝青以及添加了不同種類溫拌劑的改性瀝青開展三大指標試驗，試驗結(jié)果見表2。

從表2中的數(shù)據(jù)可知：Sasobit對瀝青的高溫性能有顯著的提升作用，但會損害瀝青的低溫性能，表現(xiàn)在軟化點提升較大，而延度降低較多，并且摻量越高，該現(xiàn)象越明顯。相較于SBS改性瀝青，不同摻量的Sasobit對瀝青的性能影響可明顯看出有統(tǒng)計學(xué)的差異，而Evother@M1和ET-3100對瀝青的三大指標影響較小，但是否有統(tǒng)計學(xué)上的差異，需要進一步驗證。

為進一步驗證Evother@M1和ET-3100對瀝青的三大指標有無影響，設(shè)置Evother@M1的摻量為0.8%，ET-3100的摻量為1%，測試0.8%Evother @M1溫拌瀝青、1% ET-3100溫拌瀝青的三大指標（針入度、延度和軟化點）。每種測試指標各測試10次，對結(jié)果開展顯著性分析。基于SPSS數(shù)理統(tǒng)計軟件，開展獨立樣本t檢驗方法驗證Evother@M1和ET-3100對SBS改性瀝青針入度、延度和軟化點的影響。t檢驗設(shè)置P值時，一般認為P<0.05即有統(tǒng)計學(xué)差異，P<0.01認為有顯著統(tǒng)計學(xué)差異，P<0.001認為有極其顯著的統(tǒng)計學(xué)差異，以P≥0.05認為無統(tǒng)計學(xué)差異［10］。驗證結(jié)果見表3。

由表3可知，P值均大于0.05，可認為這2種溫拌劑對瀝青的三大指標沒有顯著影響。

2.2 布氏旋轉(zhuǎn)黏度

布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗參考我國規(guī)范JTG E20—2011中的要求，測試溫度設(shè)置為135 ℃和175 ℃，試驗結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知：不同類型的溫拌劑均能降低SBS改性瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度，與未摻溫拌劑的SBS改性瀝青相比，摻溫拌劑瀝青其溫拌劑摻量越高，則布式旋轉(zhuǎn)黏度越低。但是，不同的溫拌劑類型，摻量不同時，摻溫拌劑瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度變化趨勢略有區(qū)別，主要體現(xiàn)在Evother@M1的摻量為0.8%時的布式旋轉(zhuǎn)黏度，在0.5%Evother@M1/SBS復(fù)合改性瀝青的基礎(chǔ)上降低較小。Sasobit和ET-3100均隨著摻量的增加，布式旋轉(zhuǎn)黏度呈線性降低。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與3種溫拌劑的降黏原理不同有關(guān)，Sasobit受熱熔化后對SBS改性瀝青內(nèi)部的大分子膠團起到潤滑作用，摻量越高則潤滑作用越明顯，因此黏度隨Sasobit摻量的增加呈線性下降。ET-3100的降黏原理為產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性水膜，降低瀝青混合料團聚效應(yīng)，摻量越高則瀝青黏度越低。Evother@M1的降黏原理是與水結(jié)合形成大量膠團，使瀝青易于同集料裹覆，但在摻量較高時，瀝青結(jié)合料難以體現(xiàn)降黏優(yōu)勢，這與瀝青混合料的差異有關(guān)；隨著Evother@M1摻量的增加，大量膠團反而不利于瀝青結(jié)合料的黏度降低。

按照我國規(guī)范JTG E20—2011中的規(guī)定，可根據(jù)135 ℃、175 ℃溫度條件下所得布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果，在半對數(shù)坐標上繪制黏溫曲線，確定瀝青混合料拌和溫度、壓實溫度。SBS改性瀝青以及不同類型的溫拌劑改性瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度所確定的拌和溫度、壓實溫度具體見表4。

從表4可知，Sasobit、Evother@M1、ET-31003三種溫拌劑均能降低瀝青混合料的拌和溫度、壓實溫度。這3種溫拌瀝青的拌和、壓實溫度相較SBS改性瀝青均降低5～20℃，并且隨著溫拌劑摻量的增加，降低幅度越大。3種溫拌劑中，Evother@M1對SBS改性瀝青的施工溫度降低最明顯，摻量為0.5%時，對SBS改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度的降低值相當于2%摻量Sasobit溫拌劑和1%摻量ET-3100溫拌劑。但是，Evother@M1溫拌劑的摻量從0.5%增加到0.8%時，對應(yīng)的施工溫度降低并不顯著，隨著Evother@M1溫拌劑的摻量增加，Evother@M1/SBS復(fù)合改性瀝青的施工溫度并非呈線性下降，這一點與Sasobit、ET-3100有明顯的區(qū)別。

2.3 高溫流變性能

瀝青狀態(tài)為原樣狀態(tài)，測試溫度范圍為64～82℃，測試過程參考我國規(guī)范JTG E20—2011中的要求，試驗結(jié)果為車轍因子G*/sinδ，該指標由復(fù)數(shù)模量G*與相位角δ計算而得，表征瀝青結(jié)合料高溫性能，其值越高，表明瀝青抵抗高溫變形的能力越強，瀝青高溫性能越好。試驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知：隨著溫度增加，SBS改性瀝青與Sasobit、Evother@M1、ET-31003這3種溫拌瀝青的車轍因子均快速下降，表明高溫不利于SBS改性瀝青及溫拌劑/SBS改性瀝青抵抗車轍變形，但不同溫拌劑的車轍因子變化曲線略有區(qū)別。其中，Sasobit/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子曲線均在SBS改性瀝青上方，并且Sasobit的摻量越高，Sasobit/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子越大，表明Sasobit能有效提升SBS改性瀝青的高溫性能，這一結(jié)論與前文軟化點試驗結(jié)果一致。Evother@M1/SBS復(fù)合改性瀝青與ET-3100/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子曲線均在SBS改性瀝青下方，表明Evother@M1和ET-3100對SBS改性瀝青的高溫性能有劣化作用。不同于Sasobit，這2種不同摻量的溫拌劑/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子曲線差距較小。雖然Evother@M1和ET-3100對SBS改性瀝青的車轍因子有不利影響，但是隨著摻量增加，對SBS改性瀝青高溫性能劣化作用并未加大。從車轍因子試驗結(jié)果來看，Sasobit優(yōu)于Evother@M1和ET-3100。

2.4 低溫流變性能

我國規(guī)范JTG E20—2011中的低溫彎曲梁流變性能試驗可作為瀝青結(jié)合料低溫性能試驗方法，采用低溫下瀝青勁度模量S值和蠕變曲線斜率m值表征瀝青結(jié)合料低溫性能。其中，S值越大，表明瀝青在低溫下的模量越高，在低溫荷載作用下發(fā)生破壞的可能性越高。因此，對于瀝青結(jié)合料，S值越低，代表瀝青低溫性能越高。為減少工作量，低溫流變性能僅分析最高摻量。參考我國規(guī)范JTG E20—2011的要求，設(shè)置試驗溫度為-12 ℃，SBS改性瀝青與不同溫拌劑/SBS復(fù)合改性瀝青的S值隨加載時間的變化曲線如圖3所示。從圖3可知，不同溫拌劑/SBS復(fù)合改性瀝青的勁度模量曲線均在SBS改性瀝青上方，表明Sasobit、Evother@M1和ET-3100均不利于SBS改性瀝青的低溫性能。具體分析3種溫拌劑的勁度模量曲線，勁度模量指標按大小排序為Sasobit＞Evother@M1＞ET-3100。因此，低溫流變性能方面，ET-3100優(yōu)于Evother@M1，Evother@M1優(yōu)于Sasobit。

3 成本分析

根據(jù)市場調(diào)研，Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑的價格（包括運費）見表5。溫拌劑是作為添加劑與瀝青混合，因此本文對溫拌劑的成本分析主要考慮將溫拌劑的成本計算入瀝青的成本。Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑的成本均在最高摻量水平開展對比分析。由表5可知，進口溫拌劑Sasobit增加的瀝青成本最高，而國產(chǎn)溫拌劑ET-3100的價格優(yōu)勢明顯。考慮到SBS改性瀝青的每噸價格為4 000～6 000元，取5 000元/噸的中間值，3種溫拌劑增加瀝青成本的幅度分別為Sasobit提高25.2%，Evother@M1提高19.2%，ET-3100提高17.2%。結(jié)合上文各項性能試驗結(jié)果，Evother@M1溫拌瀝青與ET-3100溫拌瀝青性能相差較小，而ET-3100對瀝青價格的增加幅度略低于Evother@M1。因此，綜合性能與成本，ET-3100溫拌劑為最優(yōu)。

4 結(jié)語

將Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑摻入SBS改性瀝青中，測試不同溫拌改性瀝青的三大指標、布式旋轉(zhuǎn)黏度、高溫流變性能及低溫流變性能，3種溫拌劑均能降低瀝青混合料的拌和溫度、壓實溫度，降低幅度為5～20 ℃，并且溫拌劑的摻量越高，SBS改性瀝青的施工溫度降低幅度越大。Evother@M1和ET-3100對SBS改性瀝青的三大指標無顯著影響，可考慮采用流變性指標評價這2種溫拌瀝青的高、低溫性能。Sasobit能顯著提高SBS改性瀝青的高溫性能，但對其低溫性能損害較大，其余2種溫拌瀝青不利于SBS改性瀝青高溫性能的發(fā)揮，但對SBS改性瀝青的低溫性能影響較小。成本分析表明，ET-3100溫拌劑優(yōu)于Sasobit和Evother@M1。綜合而言，Sasobit溫拌劑對SBS改性瀝青的高溫性能有利，但會劣化其低溫性能，Evother@M1和ET-3100對SBS改性瀝青高溫性能有利，但對其低溫性能劣化程度相較Sasobit輕微；ET-3100溫拌劑的價格優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟性較好。本文的研究結(jié)果可為瀝青路面施工選用經(jīng)濟適用、性能合適的溫拌劑提供一定參考。

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