濱海高速公路改擴建溫拌瀝青混合料綜合性能評價

doi：10.3969/j.issn.1006-8023.2024.02.022

摘" 要：評價不同溫拌劑對瀝青混合料性能影響規律，為工程應用中溫拌劑的選擇提供技術依據。分別選取Sasobit、Aspha-min、Evotherm 3種溫拌劑制備溫拌瀝青混合料，基于車轍、低溫彎曲、凍融劈裂、漢堡輪轍和動態模量試驗，分析3種溫拌劑對瀝青混合料路用性能和動態模量的綜合影響。研究表明，Evotherm溫拌劑對混合料的降溫效果最佳，Aspha-min溫拌劑與Sasobit溫拌劑對瀝青混合料的降溫效果相當；Sasobit溫拌劑能夠提高混合料的高溫性能，Evotherm溫拌劑能夠提高混合料的水穩定性，Aspha-min溫拌劑的水熱性能較差；中溫條件下添加Evotherm溫拌劑混合料模量最高，高溫條件下添加Sasobit溫拌劑混合料模量最高；構建混合料動態模量主曲線，Sasobit和Evotherm溫拌劑均能夠改善混合料的高溫性能，Sasobit溫拌劑造成混合料低溫性能降低，Evotherm和Aspha-min溫拌劑對混合料的低溫不產生影響。

關鍵詞：道路工程；瀝青混合料；溫拌劑；降溫效果；路用性能；動態模量

中圖分類號：U414""" 文獻標識碼：A"nbsp;" 文章編號：1006-8023（2024）02-0208-09

Comprehensive Performance Evaluation of Warm Mix Asphalt Mixture

for the Reconstruction and Expansion of Coastal Highway

ZHOU Kun1， XU Shudong2*， XU Qingchao1，3， DONG Zhao2， WANG Shengjie1，3，

LIU Jiuwei2， WANG Yu1，3

（1.Shandong Hi-Speed Construction Management Group Co. Ltd.， Ji'nan 250014， China; 2.Shangdong Transportation

Research Institute， Ji'nan 250102， China; 3.Shandong Hi-Speed Peninsula

Investment Co.， Ltd.， Ji'nan 250014， China）

Abstract：In order to evaluate the impact of different warm mix agents on the performance of asphalt mixtures and provide necessary technical basis for the selection of warm mix agents in engineering applications， three warm mix agents， Sasobit， Aspha-min， and Evotherm， were selected to prepare warm mix asphalt mixtures. Based on rutting， low-temperature bending， freeze-thaw splitting， Hamburg wheel rutting， and dynamic modulus tests， the comprehensive effects of the three warm mix agents on the road performance and dynamic modulus of asphalt mixtures were analyzed. Research has shown that Evotherm has the best cooling effect on asphalt mixtures， while Aplha-min， and Sasobit have comparable cooling effects on asphalt mixtures; Sasobit warm mixing agent can improve the high-temperature performance of the mixture， Evotherm can improve the water stability of the mixture， while Aspha-min warm mixing agent had poor hydrothermal performance. The modulus of the mixture with the addition of Evotherm warm mixing agent was the highest under medium temperature conditions， and the modulus of the mixture with the addition of Sasobit warm mixing agent was the highest under high temperature conditions. The main curve of the dynamic modulus of the mixture had been constructed. Sasobit and Evotherm warm mix agents can improve the high-temperature performance of the mixture. Sasobit warm mix agent caused a decrease in the low-temperature performance of the mixture， while Evotherm and Aspha-min warm mix agents had no effect on the low-temperature performance of the mixture.

Keywords： Road engineering; asphalt mixture; warm mixing agent; cooling effect; road performance; dynamic modulus

收稿日期：2023-09-30

基金項目：山東省自然科學基金重點項目（ZR2020KE024）。

第一作者簡介：周昆，高級工程師。研究方向為道路工程材料。E-mail：2503294943@qq.com

*通信作者：徐書東，碩士，工程師。研究方向為道路工程材料。E-mail：842631849@qq.com

引文格式：周昆，徐書東，徐慶超，等. 濱海高速公路改擴建溫拌瀝青混合料綜合性能評價[J].森林工程，2024，40（2）：208-216.

ZHOU K， XU S D， XU Q C， et al. Comprehensive performance evaluation of warm mix asphalt mixture for the reconstruction and expansion of coastal highway[J]. Forest Engineering， 2024， 40（2）：208-216.

0" 引言

瀝青混合料作為我國高等級路面的主要形式，對于我國交通建設有著不可替代的作用，隨著“雙碳”目標的提出，傳統熱拌瀝青混合料施工溫度高、空氣污染重等問題日益突出，成為亟須解決的技術難題。瀝青混合料溫拌技術能夠在保證混合料良好性能的同時顯著降低混合料的成型溫度，降低環境污染[1-4]，具有良好的社會環境效益，應用前景廣闊。

根據溫拌劑作用機理不同，可以將溫拌技術分為有機降黏型、沸石發泡型和表面活性劑型3類[5-6]。有機降黏型溫拌劑典型代表是南非 Sasol WAX公司生產的Sasobit溫拌劑，其主要成分為低熔點的有機蠟，高溫條件下可以產生大量液體降低瀝青的高溫黏度，從化學角度改變瀝青的黏溫曲線，實現混合料的低溫拌和。沸石發泡型溫拌劑主要基于人工沸石降黏技術，其典型代表是合成沸石Aspha-min溫拌劑，溫拌劑呈晶體骨架結構，內部含有大量空隙，能夠吸附大量水分子，高溫條件下水分子被釋放產生氣泡，增大瀝青與集料的裹覆面積，降低瀝青的黏度。表面活性劑型溫拌劑典型代表是美國Mead-Westvaco公司生產的Evotherm溫拌劑，內含有極性較強的分子團能夠吸附瀝青中的極性分子，進而降低瀝青中分子的作用力，降低了瀝青的黏度，顯著增加瀝青混合料在較低溫度時的拌和工作性。

針對各類溫拌技術應用效果，國內外研究學者進行了大量研究，段鵬鵬等[7]分析了Sasobit摻量對瀝青性能指標的影響規律，推薦了Sasobit溫拌劑最佳摻量為3%，研究發現摻加Sasobit溫拌劑可以降低混合料成型溫度19～23 ℃;Zhuang等[8]研究表明有機降黏型溫拌劑能夠改善膠粉瀝青的高溫和低溫性能，但對膠粉瀝青的抗老化性能不利;王黎明等[9]研究發現沸石發泡溫拌劑能夠降低SMA瀝青混合料拌合溫度20 ℃，對混合料的路用性能及路面服役無顯著影響;Woszuk等[10]綜述了沸石發泡型溫拌劑的工作機理及在瀝青混合料中的應用現狀，揭示了溫拌劑對瀝青及混合料的性能影響規律;王鐵慶[11]分析了表面活性劑型溫拌劑對膠粉瀝青性能的影響，研究發現添加溫拌劑對膠粉瀝青的高溫黏度影響較小，但可以顯著改善膠粉瀝青的低溫性能和彈性恢復指標;季節等[12]分析了不同溫拌劑對橡膠瀝青的影響，研究發現當溫度低于145 ℃時，有機降黏類溫拌劑的降黏效果最好，當溫度高于145 ℃時，表面活性劑類溫拌劑的降黏效果最好;張爭奇等[13]研究表明Sasobit溫拌劑可以顯著改善瀝青混合料的高溫性能，適用于高溫重載地區，Aspha-min溫拌劑低溫抗裂性能更好，可用于嚴寒地區。

隨著溫拌技術不斷發展，溫拌劑種類越來越多，不同溫拌劑的降溫效果及溫拌劑對于瀝青混合料路用性能的影響各有不同，進行溫拌劑選擇時并沒有明確的參考依據。本研究依托濱海高速公路改擴建工程，分別選擇Sasobit、Aspha-min、Evotherm 3種溫拌劑制備溫拌瀝青混合料，分析各類溫拌劑對混合料路用性能及動態模量的影響規律，為工程應用中溫拌劑的選擇提供必要的技術支撐。

1" 原材料

1.1" 集料

試驗所用集料為石灰巖，參照《公路工程集料試驗規程》對原材料性能指標進行檢測，試驗結果見表1。

1.2" 瀝青

試驗所用瀝青為SBS改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對瀝青性能指標進行檢測，試驗結果見表2。

1.3" 溫拌劑

項目所用溫拌劑技術指標見表3。試驗用溫拌劑的溫拌劑如圖1所示。

根據溫拌劑作用機理不同，制備溫拌瀝青混合料時，Sasobit溫拌劑采用濕拌法，先將瀝青加熱到130 ℃，然后加入Sasobit溫拌劑（其摻量為瀝青質量的3%），采用高速剪切機剪切30 min后制得溫拌瀝青，最后將溫拌瀝青與集料混合制備溫拌瀝青混合料。對于Aspha-min和Evotherm溫拌劑采用干拌法，先將集料加熱到160 ℃，然后在加入瀝青的同時將溫拌劑（Aspha-min溫拌劑摻量為混合料質量的0.3%，Evotherm溫拌劑摻量為混合料質量的0.6%）投入到拌鍋中，最后加入礦粉制得溫拌瀝青混合料。

1.4" 級配設計

根據原材料篩分結果進行混合料級配設計，混合料級配類型為AC-20，確定混合料級配如圖2所示。

2" 瀝青混合料性能評價

2.1" 成型溫度

以常規熱拌瀝青混合料為基礎，根據馬歇爾試驗法確定混合料最佳瀝青用量為4.4%，最佳成型溫度（165 ℃）條件下混合料空隙率為4.3%。基于體積等效原則分別在125、135、145、155、165 ℃條件下成型溫拌瀝青混合料馬歇爾試件，并對混合料的體積指標進行測試，試驗結果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨成型溫度的升高混合料空隙率逐漸降低，基于體積等效原則以4.3%空隙率為目標空隙率，添加Sasobit溫拌劑混合料最佳成型溫度為144 ℃，添加Aspha-min溫拌劑混合料最佳成型溫度為145 ℃，添加Evotherm溫拌劑混合料最佳成型溫度為138 ℃。研究表明，添加溫拌劑可以降低混合料成型溫度20～30 ℃，相比于熱拌瀝青混合料，添加Sasobit、Aspha-min、Evotherm溫拌劑混合料成型溫度分別降低了21、20、27 ℃，對于混合料的降溫幅度Evotherm溫拌劑效果最佳，Aspha-min溫拌劑與Sasobit溫拌劑降溫效果相當。

2.2" 混合料路用性能

為進一步分析溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響規律，通過車轍試驗、小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗分別對溫拌瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和水穩定性進行評價，試驗結果如圖4—圖6所示。

由圖4—圖6可以看出，相較于熱拌瀝青混合料，添加Sasobit、Aspha-min、Evotherm溫拌劑混合料的高溫性能分別變化了+7.3%、-6.7%、-0.6%，低溫性能分別變化了-4.0%、-1.7%、-2.0%，水穩定性分別變化了-1.5%、-6.2%、+2.4%。研究表明，Sasobit溫拌劑能夠提升混合料的高溫抗車轍性能，但會造成混合料的低溫抗裂性能略有降低，對混合料的水穩定性影響不明顯；Aspha-min溫拌劑會導致混合料的高溫性能和水穩定性降低，對混合料的低溫性能影響較小；Evotherm溫拌劑能夠提高混合料的水穩定性，對混合料的高溫性能和低溫性能幾乎不產生影響。各種溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響不盡相同，主要是因為溫拌劑的作用機理不同，Sasobit溫拌劑主要通過化學改性作用吸附瀝青中的飽和酚組分，并在低溫條件下析出與未被融化的Sasobit溫拌劑形成網狀晶體結構，降低了高溫條件下瀝青的流動性，使瀝青混合料的穩定性得到改善，由于溫拌劑的加入導致瀝青變硬、變脆，低溫條件更容易發生低溫開裂[14]。Aspha-min溫拌劑主要通過高溫條件下釋放水分在瀝青內部形成發泡效果，對瀝青的性質幾乎不產生影響，但拌和過程中溫拌劑可能會產生殘留影響瀝青與集料間的黏附效果，導致混合料的高溫性能和水穩定性降低。Evotherm溫拌劑主要成分含有胺類物質，提高了瀝青與集料間黏附性，可以有效改善混合料的水穩定性。

2.3" 漢堡試驗

漢堡車轍試驗[15-17]作為現階段評價瀝青混合料高溫性能和水穩定性最為嚴苛的試驗，與瀝青混合料的路用性能有著較好的相關性。分別對幾種瀝青混合料進行漢堡車轍試驗，試驗水溫為50 ℃，試驗結果見表6。

輪轍深度表征了混合料的抗車轍性能，剝落點表征了混合料的水穩定性。由上述試驗可知，相較于熱拌瀝青混合料，添加溫拌劑輪轍深度出現不同程度的增加，表明溫拌劑會對高溫水浴條件下的混合料車轍性能產生不利影響，其中各種溫拌劑的抗車轍性能由大到小為：Sasobit、Evotherm、Aspha-min，與混合料的車轍試驗結論基本一致。添加Aspha-min溫拌劑混合料的剝落點明顯降低，表明Aspha-min溫拌瀝青混合料的高溫水穩定性較差，在高溫多雨地區容易出現水損病害。

3" 動態模量

動態模量能夠考慮不同加載頻率、不同溫度條件下瀝青路面的力學響應，作為路面結構設計的重要參數，能較好地模擬瀝青路面實際受力狀態[18-21]。動態模量即應力與應變的最大值之比，反映了材料抵抗變形的能力。相位角表示材料施加正弦波形荷載時，響應應變的滯后性，反映了材料的黏彈性程度。采用SPT試驗儀分別對幾種瀝青混合料的動態模量和相位角進行研究，試驗溫度為15、20、37、54 ℃，加載頻率為25、20、10、5、2.0、1.0、0.5、0.2、0.1、0.01 Hz。試驗結果如圖8所示。

由圖8可以看出，幾種瀝青混合料在動態模量和相位角發展趨勢上表現出相同的規律，即隨著加載頻率的增加混合料動態模量逐漸增大，在中溫（≤20 ℃）條件下，隨加載頻率的增大，混合料相位角逐漸降低，混合料表現出更強的彈性性質，在高溫（≥37 ℃）條件下，隨加載頻率的增大，混合料相位角逐漸增大，混合料表現出更強的黏性性質。對比幾種混合料動態模量和相位角可知，在中溫條件下Evotherm溫拌瀝青混合料具有更高的模量和更小的相位角，表明中溫條件下Evotherm溫拌劑提高了混合料的剛度和抗變形能力。而在高溫條件下Sasobit溫拌瀝青混合料的動態模量更高相位角更小，表明高溫條件下Sasobit溫拌瀝青混合料表現出更好的強度和彈性恢復能力，Sasobit溫拌劑的加入降低了瀝青混合料在承受荷載發生形變時產生的永久變形。相比于熱拌瀝青混合料，添加Aspha-min溫拌劑混合料的模量更小，混合料的剛度較低抗變形能力較差。

瀝青混合料是一種黏彈性材料，其性質受溫度和荷載作用時間的影響較大，基于黏彈性材料的時溫等效原理，結合試驗得到的不同溫度條件下混合料動態模量，根據西格摩德（Sigmoidal） 函數構建幾種瀝青混合料的動態模量主曲線，如圖9所示。

由圖9可以看出，在低頻區添加Sasobit和Evotherm溫拌劑混合料動態模量均大于熱拌瀝青混合料，低頻代表高溫，表明Sasobit和Evotherm溫拌劑均能夠改善混合料的高溫性能，但Aspha-min溫拌劑對混合料的高溫性能不利。而在高頻區Sasobit溫拌瀝青混合料相較于熱拌瀝青混合料模量更高，高頻代表低溫，低溫模量越高，混合料越容易出現開裂，表明Sasobit溫拌劑對混合料的低溫性能產生不利影響，而添加Evotherm和Aspha-min溫拌劑混合料動態模量和熱拌瀝青混合料差異不明顯，表明Evotherm和Aspha-min溫拌劑對混合料的低溫性能影響不顯著。

4" 結論

1）添加Sasobit、Aspha-min、Evotherm溫拌劑混合料成型溫度分別降低了21、20、27 ℃，對于混合料的降溫幅度Evotherm溫拌劑效果最佳，Aspha-min溫拌劑與Sasobit溫拌劑降溫效果相當。

2）Sasobit溫拌劑能夠提高混合料的高溫抗車轍性能，Evotherm能夠提高混合料的水穩定性，Aspha-min溫拌劑的水熱性能較差，3種溫拌劑均會造成混合料的低溫性能發生衰減，但影響不顯著。

3）中溫（≤20 ℃）條件下添加Evotherm溫拌劑混合料模量最高，高溫（≥37 ℃）條件下添加Sasobit溫拌劑混合料表現出更好的強度和彈性恢復能力，添加Aspha-min溫拌劑對混合料的模量產生不利影響。

4）構建了混合料動態模量主曲線，Sasobit和Evotherm溫拌劑均能夠改善混合料的高溫性能，Aspha-min溫拌劑對混合料的高溫性能不利，Sasobit溫拌劑造成混合料低溫性能降低，Evotherm和Aspha-min溫拌劑對混合料的低溫不產生影響。

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