微發泡型溫拌劑對溫拌瀝青混合料的影響

吳凈潔，趙恒博,付建村

(1.青島市公路管理局，山東 青島　266061；2.青島理工大學 琴島學院，山東 青島　266106;3.山東省交通科學研究院,山東 濟南　250031)

瀝青已廣泛應用于路面工程中，世界各國對瀝青路面的建設質量非常重視。由于瀝青施工需要在較高氣溫條件下進行，這給低溫條件施工帶來困難。溫拌瀝青混合料(warm mix asphalt, WMA)是指通過一定的技術措施或添加劑，使瀝青混合料在相對較低的溫度下進行拌合及施工，同時保持其使用性能不低于熱拌瀝青混合料[1]。微發泡型溫拌瀝青混合料的技術原理是將帶結晶水的外加劑直接投入瀝青混合料中，誘發瀝青發泡，形成水-氣-瀝青膜結構,可以降低瀝青與礦料以及瀝青與空氣界面的表面張力，實現較低溫度下對集料更好的裹覆，從而降低瀝青混合料的作業溫度，具有成本低、環保性能好等特點[2-4]。目前我國在微發泡型溫拌技術方面的研究還很欠缺，本研究依托青島九水東路改造工程進行冬季施工應用驗證，通過配合比設計、路用性能試驗以及試驗段的鋪筑，將該類型溫拌技術與表面活性劑型瀝青混合料溫拌技術進行對比，分析該類溫拌技術工程應用的可行性。

1　溫拌技術及溫拌劑

按照工作機理劃分，溫拌技術基本上可以分為3類。

1)基于有機物降黏的溫拌技術。將低熔點的有機添加劑與瀝青、集料相互拌合，根據高溫降黏特性增強瀝青與集料的和易性以實現溫拌目的。該技術多通過添加固體蠟或蠟狀物實現，易導致瀝青混合料低溫抗開裂性能損失，目前使用較少[5-6]。

2)基于表面活性劑的溫拌技術。表面活性劑與瀝青相互作用，在瀝青內部形成具有一定潤滑性的結構性水膜，從而降低瀝青黏度，增強混合料在低溫下的施工和易性，進而實現溫拌效果。該類型表面活性劑多為液體狀，通過預混入瀝青或拌合過程中單獨加入實現效能，是目前應用最廣泛的溫拌技術[7-8]。

3)發泡型溫拌技術。采用機械、結晶水合物或細集料等引入自由水或結晶水，通過激發瀝青發泡臨時性降低瀝青的黏度。受機械和材料制造水平的限制，目前該項技術的研究和應用有限。

本文擬選用兩種典型溫拌劑進行試驗對比：一種為工程擬采用的新型微發泡型溫拌劑(簡稱FYK-I)，對比樣為利用典型表面活性劑加入70#A級道路石油瀝青制備的溫拌瀝青(簡稱ZHY36-1)。兩種產品的工程應用有較大差異，ZHY36-1溫拌瀝青采用拌合站的瀝青計量設備直接加入，瀝青混合料中溫拌瀝青的質量分數與熱拌瀝青混合料中最佳瀝青的質量分數相同；FYK-I產品為白色粉末狀，性質穩定，高溫狀態下不分解，無刺激性煙霧產生，少量生產混合料時，可由人工通過拌合鍋投料口加入，大規模連續生產時采用專門的傳輸設備計量加入，摻加量為瀝青質量的6%～8%，本項目采用7%進行試驗。

表1　幾種常見溫拌劑產品對瀝青的影響

表1為ZHY36-1溫拌瀝青與70#基質瀝青原樣的關鍵技術指標對比。由表1可知，表面活性劑加入基質瀝青后，針入度和軟化點基本無變化，膠結料的延度明顯降低。

FYK-I溫拌劑由于直接投放到瀝青混合料中，對基質瀝青沒有影響，故只需對摻加前后的瀝青混合料性能進行對比。

圖1　級配合成曲線

2　瀝青混合料配合比設計及溫拌劑摻量確定

2.1　配合比設計與路用性能測試

溫拌瀝青混合料的級配及最佳瀝青質量分數參照熱拌瀝青混合料配合比設計要求通過試驗確定，試驗流程如下：

1)首先根據原材料篩分結果進行級配設計，集料篩分及級配合成結果如圖1及表2～4所示。

表2　原材料規格及篩分通過率　%

表3　3個級配的原材料組成比例　%

表4　3個級配的各篩孔通過率　%

2)根據3個級配配制混合料，進行室內馬歇爾擊實試驗，試件雙面各擊實75次，膠結料采用70#A級道路石油瀝青，熱拌混合料室內擊實溫度為140～145 ℃，最大理論密度采用真空實測法[9-10]，測試馬歇爾試件的體積指標，結合面層混合料技術要求確定適宜的級配。馬歇爾指標測試結果見表5。參照工程經驗和規范技術要求，期望空隙率為4.5%，礦料間隙率≥13.5%，飽和度為65%～75%，因此選擇級配2作為確定級配。

表5　3個級配的馬歇爾試驗結果

3)按照級配2組成比例配制混合料，分別采用瀝青的質量分數為4.0%、4.3%、4.6%的瀝青混合料(室內擊實溫度為140～145 ℃)進行馬歇爾擊實試驗，試件測試結果如表6所示，綜合各項技術指標要求，最終確定最佳瀝青質量分數為4.3%。

表6　瀝青的質量分數不同時級配2的馬歇爾試驗結果

4)對采用最佳瀝青質量分數的熱拌瀝青混合料進行路用性能檢驗，主要包括高溫穩定性能、抗水損害性能及低溫抗彎拉性能，如表7所示，檢測結果均滿足規范要求。

表7　熱拌瀝青混合料路用性能測試結果

2.2　溫拌劑摻量及降溫幅度

采用體積指標等效法確定溫拌劑適宜摻量及合理降溫幅度，即采用熱拌瀝青混合料確定的級配與最佳瀝青質量分數，分別進行摻加不同比例的FYK-I溫拌劑、不同擊實溫度下的馬歇爾試驗，測試馬歇爾試件的體積指標結果如圖2、表8所示[11-13]。

試驗結果表明：1)溫拌劑的質量分數相同時，隨著擊實溫度的增加，瀝青混合料空隙率總體呈現遞減趨勢，擊實溫度較低時，加入溫拌劑較不加溫拌劑試件空隙率有所降低，說明加入溫拌劑對改善瀝青混合料和易性和壓實度有利；2)相同擊實溫度下，隨著溫拌劑質量分數的增加，瀝青混合料空隙率降低，說明溫拌劑的質量分數越高，瀝青混合料和易性改善程度越好；3)摻加溫拌劑后，瀝青混合料擊實溫度降低20 ℃后，仍能達到熱拌瀝青混合料的空隙率控制水平。

圖2　不同FYK-I溫拌劑摻量及擊實溫度條件下的馬歇爾試件空隙率變化

FYK-1溫拌劑的質量分數/%溫拌劑與瀝青質量比/%擊實溫度/℃最大相對理論密度馬歇爾毛體積相對密度空隙率/%0.266135120105902.5282.4442.4272.4102.3823.34.04.76.40.307135120105902.5282.4342.4022.4022.3743.34.54.66.10.348135120105902.5302.4392.4352.4172.3853.63.74.55.7

結合試驗結果和工程經驗，確定混合料中FYK-I溫拌劑的質量分數為0.30%(為瀝青質量的7%)條件下，建議降溫幅度為20 ℃。

3　瀝青混合料路用性能比較

為評價熱拌瀝青混合料摻加溫拌劑后的性能變化，本文通過車轍試驗、凍融劈裂試驗分別評價FYK-1微發泡型溫拌劑的高溫穩定性能和抗水損害性能，同時與熱拌瀝青混合料、ZHY36-1溫拌瀝青混合料進行對比。溫拌瀝青混合料中瀝青的質量分數均為4.3%，降溫幅度均為20 ℃。

3.1　車轍試驗

車轍試驗的原理是負有一定荷載的車輪沿同一軌跡，在一定時間內反復碾壓板塊狀試件，使試塊被壓密，并產生剪切、推移和流動，形成轍槽。通常用轍槽深度的變形率以及動穩定度評價瀝青混合料在規定溫度下抵抗塑性流動變形的能力[14-16]。

動穩定度反映了瀝青混合料抗高溫變形的能力，動穩定度越大，瀝青混合料的高溫抗變形能力越強，依據文獻[17]方法測定熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料的動穩定度，試驗結果如表9所示。由表9可知，摻加FYK-I微發泡型溫拌劑后，瀝青混合料的動穩定度基本無變化，滿足規范要求。

表9　瀝青混合料動穩定度試驗結果　次/mm

3.2　凍融劈裂試驗

瀝青路面施工完成以后，水和空氣通過混合料中的空隙進入混合料內部，如果不能及時排出，在車輛動水壓力和溫度的共同作用下，水會逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青黏附性降低并逐漸喪失黏結力，瀝青和礦料發生剝離，造成強度下降。水損害進一步發展，將導致唧漿、松散、坑槽、車轍、推擠變形等多種形式的破壞[18-21]。

瀝青混合料凍融劈裂是國內較常采用的瀝青混合料抗水損害性能評價手段，按照文獻[17]方法進行凍融劈裂試驗，試驗結果表10所示。由表10可以看出：1)與熱拌瀝青混合料相比，摻加FYK-I溫拌劑和ZHY36-1溫拌劑后的溫拌瀝青混合料凍融劈裂強度無明顯變化，說明溫拌劑的加入并未削弱瀝青混合料的抗水損害能力；2)加入溫拌劑后，溫拌瀝青混合料的劈裂強度均有一定程度的降低，其中ZHY36-1溫拌瀝青混合料的強度衰減最顯著，FYK-I溫拌劑對混合料劈裂強度的影響基本可以忽略；3)試驗所用馬歇爾試件均為雙面各50次擊實成型，熱拌瀝青混合料和ZHY36-1型溫拌瀝青混合料的空隙率較75次擊實時均有增加，而采用FYK-I溫拌劑的瀝青混合料空隙率基本不變，說明基于微發泡原理的FYK-I溫拌劑可以保證混合料在溫度降低及壓實功減少時有更理想的和易性。

表10　摻加溫拌劑前后瀝青混合料凍融劈裂試驗結果對比

4　工程驗證

表11　現場芯樣試驗結果

本文依托工程為冬季施工，熱拌瀝青混合料的溫度降低速度較快，攤鋪后很快到達可壓實的臨界溫度，導致有效壓實時間明顯縮短。因此采用熱拌溫鋪法進行施工，即瀝青混合料添加FYK-I微發泡型溫拌劑后，仍按照熱拌瀝青混合料控制溫度進行拌制[12-13]。表11為瀝青混凝土路面的現場取芯試驗結果，可以看出，采用微發泡型溫拌技術，路面的壓實度均在98%以上，有效保障了低氣溫條件下瀝青路面施工質量，實現了預期的目的。

5　結論

1)采用體積指標等效的試驗方法，確定微發泡型溫拌劑的質量分數和降溫幅度。試驗結果表明，加入溫拌劑可有效改善瀝青混合料的施工和易性，擊實溫度降低20 ℃時仍可達到目標空隙率的控制要求。

2)與熱拌瀝青混合料相比，微發泡型溫拌瀝青混合料高溫穩定性能和抗水損害能力均未降低，而且在溫度降低和壓實功減少時仍然具有良好的施工和易性，有利于保障瀝青混合料的壓實度。

3)與某典型表面活性劑類溫拌劑產品的對比結果表明，微發泡型溫拌劑的加入，對瀝青混合料劈裂強度的削弱程度更小，有利于保證瀝青混合料的力學性能。

4)采用熱拌溫鋪技術原理對某工程的試驗結果表明，該類溫拌技術可以保證瀝青混合料在較低溫度時仍具有較好的和易性，對延長施工壓實的有效時間，保障壓實質量和路用性能有利，具有明顯的推廣價值及工程實踐意義。

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