添加Sasobit溫拌瀝青混合料的拌和與壓實溫度確定

摘要:通過實驗室瀝青粘度試驗與混合料擊實試驗，探討添加Sasobit溫拌瀝青混合料拌和與壓實溫度的合理確定方法。試驗結果與結果分析顯示，傳統瀝青等粘度原則方法遠遠低估了Sasobit的降溫效果，不適用于添加Sasobit的瀝青混合料。提出了混合料等體積原則確定瀝青混合料壓實溫度中值的方法，同時適用于凈瀝青混合料與Sasobit瀝青混合料。對于凈瀝青混合料，混合料等體積原則方法與瀝青等粘度原則方法確定的壓實溫度實際相同;對于Sasobit瀝青混合料，混合料等體積原則方法確定的壓實溫度與廠商的建議與迄今的實踐一致。鑒于導致Sasobit瀝青表觀粘度與實際流動性差異的因素對相對值的影響有限，建議了合理假定，分別確定Sasobit混合料壓實溫度的上下限以及混合料拌和溫度上下限。

關鍵詞:道路工程;溫拌瀝青混合料;Sasobit;拌和與壓實溫度;等體積原則

中圖分類號:U416.217文獻標識碼:A

Determination of Mixing and Compaction Temperatures for Warm Mix Asphalt with Sasobit

WU Chaofan1，2， ZENG Menglan2， WANG Maowen3， XIA Yang2

(1. College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan， China， 410082; 2. Hunan Institute of Transportation， Changsha， Hunan， China 410015; 3. Hunan Chang-Ji Expressway Construction and Development Co.， Ltd， Changde， Hunan， China， 415000)

Abstract: Asphalt binder viscosity tests and mixture compaction tests were conducted to explore reasonable method for determining mixing and compaction temperatures of warm mix asphalt (WMA) with Sasobit additive. Test results and result analyses indicate that traditional binder equiviscous principle is not applicable to Sasobit mixture due to significant underestimation of temperature-decreasing effect of the additive. A mixture equivolumetric principle is proposed， which is applicable to both neat binder and Sasobit mixtures to determine the compaction temperature. For neat binder mixture， the temperature determined using mixture equivolumetric principle is essentially the same as that determined using binder equiviscous principle. For Sasobit mixture， the temperature determined using mixture equivolumetric principle is consistent with those recommended by the manufacture and in practice to date. In view of the fact that influencing factors have little effects on the differences between apparent viscosity and actually flowability， assumptions are also suggested to determine the upper and lower limits of mixing and compaction temperature， respectively.

Key words: road engineering， warm mix asphalt， Sasobit， mixing and compaction temperatures， equivolumetric principle

傳統熱拌瀝青混合料(Hot Mix Asphalt， HMA)是瀝青路面的主要建筑材料，其生產過程是將瀝青和集料在約160°C的高溫下進行拌和，拌和后HMA溫度不低于150°C，攤鋪和碾壓時的溫度通常不低于140°C。因此，對于HMA，不僅要消耗大量的能源，而且在生產和施工過程中還會排放大量的廢氣和粉塵，嚴重影響周圍環境質量和施工人員的身體健康[1，2]。

溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt， WMA)技術起源于歐洲，是國際上20世紀90年代后期發展起來的新技術。WMA的原理是使用專用添加劑或其他方法，降低瀝青在給定溫度下的粘度，從而使瀝青混合料能在相對較低的溫度下進行拌和及壓實。同時，就工程性質而言，WMA又具備與HMA相當的施工和易性與路面使用性能。實現瀝青混合料溫拌的方法有多種，添加Sasobit是目前應用相對較為廣泛的一種。Sasobit是南非Sasol-Wax公司的產品，它是Fischer-Tropsch(FT)過程從煤氣化中生產的長鏈脂肪族烴，也被稱為FT固體石蠟，是一種細結晶體，可以薄片或粉末的形式存在。直接將Sasobit加入熱瀝青中，經過簡單的機械攪拌即可使用。Sasol-Wax公司指出Sasobit的融點大約是99°C，在超過116°C時，可以完全溶解于瀝青膠結料中，使膠結料的粘度降低，從而使瀝青混合料的拌和與壓實能在較低的溫度下完成 [3]。

對于普通瀝青，國內外公認的，也是比較成熟的方法是利用瀝青粘度與溫度關系，采用等粘度原則來確定拌和與壓實溫度[4]。WMA是一項新技術，目前國內外對其拌和與壓實溫度的確定沒有統一的方法，多憑借經驗選取，帶有很大的隨意性。本文試圖通過實驗室瀝青粘度試驗與瀝青混合料擊實試驗，探討添加Sasobit溫拌瀝青混合料拌和與壓實溫度的合理確定方法。

1試驗用材料

我國現行2004年制訂的《JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術規范》[5]，是實驗室試驗用材料質量控制的主要依據。試驗用瀝青采用中海泰州產70號A級道路石油瀝青，其性質滿足JTG F40規范表4.2.1-2技術要求;集料采用湖南常德華天碎石廠產石灰巖集料，粗、細集料均滿足JTG F40規范一般要求。試驗用瀝青混合料采用JTG F40規范定義的AC-25型密級配瀝青瀝青混凝土混合料，瀝青用量4%，馬歇爾試驗技術標準滿足規范表5.3.3-1夏炎熱區重載交通混合料技術要求。圖1所示為所用AC-25瀝青混合料集料級配，該級配同時滿足Superpave公稱最大集料尺寸25mm瀝青混合料的集料級配控制點要求[6]。

2瀝青等粘度原則確定混合料拌和與壓實溫度

通常，瀝青混合料設計方法中采用等粘度原則(Equiviscous Principle) 來確定實驗室混合料的拌和與壓實溫度，同時以此溫度來指導瀝青路面野外的正式施工。早在1962年，美國開始推薦采用瀝青結合料的粘度來確定實驗室混合料的拌和與壓實溫度，當時采用的是賽波特重質油粘度計。1974年開始，美國將粘度的測量轉換到了更基本的以厘脫(Centistokes)為單位，并建議進行馬歇爾混合料設計時，以瀝青結合料的粘度在170±20厘脫對應的溫度范圍作為拌和溫度，280±30厘脫對應的溫度范圍作為壓實溫度。現在無論是馬歇爾設計體系，還是Superpave設計體系，都采用這一范圍來確定瀝青混合料的拌和與壓實溫度，只不過是將單位轉換成了國際單位，即以瀝青結合料的粘度在0.17±0.02Pa#8226;s對應的溫度范圍作為拌和溫度，0.28±0.03Pa#8226;s對應的溫度范圍作為壓實溫度，試驗方法也調整為采用布氏(Brookfield)旋轉粘度計測定[5，7]。

為了建立瀝青粘度與溫度關系進而應用等粘度原則確定瀝青混合料拌和與壓實溫度，實驗室首先試驗了凈瀝青與摻Sasobit瀝青在不同溫度下的粘度。根據廠商的建議，Sasobit添加量為瀝青質量的3%。試驗方法參照現行《JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合試驗規程》[8]，采用T0625“瀝青布氏旋轉粘度試驗(布洛克菲爾德粘度計法)”，試驗結果示于圖2。

圖2的縱橫坐標軸的繪制參照了《ASTM D2493-01e1 Standard Viscosity–Temperature Chart for Asphalts》的要求 [9]，即公式(1):

式中:V為瀝青的粘度，Pa#8226;s;T為溫度，°C;A為直線的斜率，B為直線的截距。在ASTM D2493規定的縱橫坐標下，試驗數據可以用直線擬合[10]，表達為公式(2):

表1給出了試驗結果回歸分析得到的參數A、B以及相關系數平方R2的值。有了A和B，對于給定粘度范圍，就可以用式(2)來計算混合料所對應的拌和與壓實溫度范圍。為了直觀方便，式(2)可以改寫為式(3):

式中:Tlim為溫度極限，即拌和與壓實溫度的上、下限溫度等，°C;Vlim為粘度極限，即0.17±0.02Pa#8226;s和0.28±0.03Pa#8226;s。

表1同時給出了用式(3)計算得到的凈瀝青與摻Sasobit瀝青混合料拌和與壓實溫度范圍。表中可見，較凈瀝青混合料，添加Sasobit后等粘度原則所確定的混合料的拌和與壓實溫度均有所降低。但是，添加Sasobit后混合料的拌和與壓實溫度降溫幅度并不大，拌和溫度和壓實溫度平均僅分別降低3.2°C和2.7°C，遠低于廠商建議的最大30°C[2]。這說明，至少對于摻Sasobit溫拌混合料，瀝青等粘度原則并不適用于確定混合料的拌和與壓實溫度。究其原因，應當與摻Sasobit瀝青表觀粘度與實際流動性差異有關，Sasobit本質上是一種蠟[11]。此外，圖2和表1都顯示，ASTM D2493規定的縱橫坐標下，摻Sasobit瀝青的粘度與溫度的線性相關關系并不十分好。

3混合料等體積原則確定混合料拌和與壓實溫度

對于瀝青混合料，在拌和溫度時，客觀上要求瀝青能夠提供足夠的潤滑，容易裹覆集料;在壓實溫度時，又要求瀝青能夠提供足夠的膠結，容易密實成型。也就是說，理論上，如果除瀝青外的其它變量，如集料、級配、壓實功、壓實方法都一致的話，瀝青混合料都將具有同樣的體積性參數，如空隙率等，可稱之為等體積原則。

瀝青混合料空隙率，指礦料及瀝青以外的空隙(不包括礦料自身內部的孔隙)的體積占試件總體積的百分率?？障堵适菫r青混合料體積指標中最重要的一項指標之一，空隙率太大，容易造成車轍，水損害等危害;空隙率太小，則會導致瀝青混凝土的熱穩定性下降和泛油等損害。我國瀝青混合料的設計空隙率一般在4%左右變化[5]，Superpave混合料設計方法中則直接取空隙率為4%時對應的瀝青用量為最佳瀝青用量[6]。

為了檢驗等體積原則確定瀝青混合料壓實溫度的可行性，實驗室試驗了凈瀝青與摻3% Sasobit瀝青混合料在不同溫度下的壓實后的空隙率。試驗方法參照JTJ 052，采用T0702“瀝青混合料試件制作方法(擊實法)”，雙面擊實75次，試驗結果示于圖3。

由圖3可見，在相同的溫度下，相同壓實功作用以后，摻Sasobit瀝青混合料的空隙率顯著低于凈瀝青混合料的空隙率;對于給定的空隙率，摻Sasobit瀝青混合料的壓實溫度顯著低于凈瀝青混合料的壓實溫度。無論是凈瀝青混合料還是摻Sasobit瀝青混合料，空隙率都隨溫度升高而下降，兩者關系在常規坐標下接近一直線，如式(4):

(4)

式中:VV為瀝青混合料的空隙率，%;T為溫度，°C;A'為直線的斜率，B'為直線的截距。表2給出了試驗結果回歸分析得到的參數A'、B'以及相關系數平方R2的值。有了A'和B'，對于給定空隙率，將式(4)稍加改寫，就可以直接計算混合料所對應的壓實溫度。應用設計空隙率為4.1%，表2同時給出了用式(4)計算得到的凈瀝青混合料摻Sasobit瀝青混合料壓實溫度，分別為141.2°C與120.4°C，其中凈瀝青混合料壓實溫度141.2°C非常接近理應的表1瀝青等粘度原則確定的壓實溫度上下限均值 (143.4+138.8)/2 = 141.1°C。

表2的計算結果顯示，較凈瀝青混合料的141.2°C，添加3% Sasobit瀝青混合料等體積原則確定的壓實溫度為120.4°C，降低了20.8°C，接近了廠商建議的30°C。事實上，廠商的建議是溫度降低的極限值，為了保證瀝青混合料質量，實際應用一般只用20°C左右[12]。

混合料等體積原則確定的是摻Sasobit混合料壓實溫度的中值，不能確定壓實溫度范圍?？紤]到導致摻Sasobit瀝青表觀粘度與實際流動性差異的因素不應對相對值(差值)有顯著影響，可以假定摻Sasobit混合料壓實溫度上下限之差與凈瀝青混合料壓實溫度上下限之差相同來確定其壓實溫度的上下限。以本文所用材料為例，據瀝青等粘度原則確定的凈瀝青混合料壓實溫度上下限之差為 (155.2-141.2) = 4.6°C，摻Sasobit混合料壓實溫度上下限則分別為120.4±4.6/2 = 122.7與118.1°C。

類似地，可以假定摻Sasobit混合料拌和與壓實溫度上下限之差與凈瀝青混合料拌和與壓實溫度上下限之差分別相同，以確定摻Sasobit混合料拌和溫度上下限。以本文所用材料為例，則摻Sasobit混合料拌和溫度上下限分別為122.7+(155.2-143.4) = 134.5°C與118.1+(149.5-138.8) = 128.8°C。本文的假定。為方便比較，表2重復了表1凈瀝青混合料根據瀝青等粘度原則確定的拌和與壓實溫度上下限，計算的Sasobit混合料拌和與壓實溫度上下限以及凈瀝青混合料與摻Sasobit瀝青混合料拌和與壓實溫度上下限差值。

4結語

本文試圖通過實驗室瀝青粘度試驗與瀝青混合料擊實試驗，探討添加Sasobit溫拌瀝青混合拌和與壓實溫度的合理確定方法。試驗結果與結果分析顯示:

(1)傳統的利用瀝青粘度-溫度關系應用等粘度原則確定瀝青混合料拌和與壓實溫度的方法，不適用于本文所用添加Sasobit的瀝青混合料。添加3% Sasobit的降溫幅度僅3°C左右，遠低于廠商的建議與迄今的實踐，其原因應當與各種因素導致的摻Sasobit瀝青表觀粘度與實際流動性差異有關。

(2)提出了利用混合料空隙率-溫度關系應用等體積原則確定瀝青混合料壓實溫度中值的方法，同時適用于凈瀝青混合料與Sasobit瀝青混合料。對于凈瀝青混合料，混合料等體積原則方法與瀝青等粘度原則方法確定的壓實溫度實際相同;對于Sasobit瀝青混合料，混合料等體積原則方法確定的壓實溫度與廠商的建議與迄今的實踐一致。

(3)鑒于導致Sasobit瀝青表觀粘度與實際流動性差異的因素對相對值的影響有限，可以假定Sasobit的添加不改變混合料壓實溫度上下限之差以確定Sasobit混合料壓實溫度的上下限，假定Sasobit的添加不改變混合料拌和與壓實溫度上限與下限之差以確定Sasobit混合料拌和溫度上下限。

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