溫拌瀝青混合料技術簡述

王 濤 肖飛鵬 侯向導

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

在過去20多年中，瀝青混合料在生產和設備應用方面都取得了長足的發展，尤其實現了經濟與環境雙重目標。近些年，人們將注意力轉移到在不改變瀝青混合料力學性能的前提下，盡可能降低瀝青混合料生產過程中能耗上。由于瀝青混合料在生產過程中消耗大量的化石原料并排放大量的溫室氣體。因此瀝青混合料生產過程也承受著須減少溫室氣體排放的國際壓力。

在保護環境背景下，歐洲研發出了溫拌技術，成為在全球能源短缺、氣候變暖大背景下快速發展起來的一種路面材料新技術，并且在歐洲得到了迅速發展和應用。2002 年，美國在歐洲溫拌技術應用的基礎上，在美國聯邦公路管理局(FHWA)的組織下，成立了由全美瀝青技術中心(NCAT)、美國國家公路和運輸協會(AASHTO)以及若干州運輸部參與的溫拌技術工作小組。目前，美國由NCAT 等機構專門從事溫拌技術的研究和應用工作。

采用溫拌技術可使瀝青混合料的拌和與碾壓溫度比常規熱拌技術降低20～60℃，其通常生產溫度范圍在100～140 ℃，節能減排效果十分顯著。同時與熱拌瀝青混合料相比，溫拌瀝青混合料技術還有其他優勢，如環保及經濟，但溫拌瀝青混合料也存在著一些缺點。

1 溫拌瀝青混合料的優點和缺點

1.1 優點

由于溫拌瀝青混合料技術采用較低溫度，因此具有環保優勢，而這些優勢在實際應用過程中均得到了證實。

使用溫拌瀝青混合料技術可有效降低污染物和溫室氣體的排放，根據相關報告[1]，在施工現場，各種有害氣體排放量減少情況如下：減少30%～40%的CO2和SO2的排放量，減少50%揮發性有機化合物的排放量，CO的排放量降低了10%～30%，氮氧化物的排放量降低了60%～70%，粉塵排放量減少25%～55%；同時還可降低30%～50%的瀝青煙或瀝青氣溶膠等有害氣體排放量，這對暴露在施工現場的施工人員及周邊環境均有積極意義。

1.2 缺點

溫拌瀝青混合料技術的應用雖取得了較大成功，但在實際應用過程中仍有許多問題需要解決。

溫拌瀝青混合料在研制和使用初期生產成本較高。一方面，工廠需增添額外的設備以適應特殊技術要求和添加劑的需要；另一方面，添加劑的使用也會帶來額外的成本。同時，在瀝青路面存在水分的條件下，交通荷載及溫度脹縮的反復作用使水分逐步侵入瀝青與集料的界面，由于水動力的作用，瀝青膜逐漸從集料表面剝離，導致集料間的黏結力喪失，從而引發路面損壞[2]。由于溫拌瀝青混合料在拌和過程中會有水的存在，并且這些水往往會在拌和成型后繼續存在于混合料中，集料和瀝青膠漿之間的黏附性會被削弱，并且瀝青膠漿本身也會受到不利影響。總的來說，瀝青混合料中水的存在會影響混合料的構造強度，因此，溫拌瀝青混合料往往被認為更易發生水損害[3]。

2 溫度降低的主要機制

溫拌瀝青混合料技術有很多種，就其工作原理而言，一般可分為3大類：有機降黏型溫拌技術、發泡瀝青降黏溫拌技術和乳化分散瀝青溫拌技術。

2.1 有機降黏型溫拌技術

對于有機降黏技術，主要是向瀝青或瀝青混合料中添加有機化學產品，這種產品的熔點通常高于瀝青，可以提高瀝青在60 ℃時的黏度，降低瀝青在135℃時的黏度，因此，可在高溫拌和時降低其黏度，使瀝青具有更好的工作性，并提高其高溫性能(使瀝青在60 ℃時的黏度降低，硬度增大)。

目前常用的有機添加劑是沙索必德(Sasobit)，能顯著降低瀝青的高溫黏度，從而降低混合料拌和溫度，瀝青混合料的生產溫度一般可降低10～30 ℃。添加溫拌劑Sasobit的溫拌瀝青混合料水穩定性較好，但Sasobit添加劑會提高瀝青結合料的軟化點、降低其針入度指標，在應用中應多注意對低溫抗裂性能的控制。另一種有機添加劑褐煤蠟(Asphaltan-B)是褐煤中甲苯提取物的副產品，主要成分為褐煤蠟，是一種熔點大約在99 ℃的低熔點硬蠟，與Sasobit接近，功能上也與Sasobit類似，在降低溫拌瀝青工作溫度的同時，能提高混合料的可壓實性和抗車轍能力，一般推薦用量是2%～4%。圖1是在橡膠改性瀝青中摻入不同劑量的溫拌劑時的勁度模量變化，可以看到溫拌劑的含量越高，橡膠改性瀝青的勁度模量越大，說明加入Sasobit和Asphaltan-B對橡膠改性瀝青的低溫性能產生不利影響[4]。

圖1 改性瀝青摻加不同劑量溫拌劑時低溫情況勁度模量

2.2 發泡瀝青降黏溫拌技術

發泡瀝青降黏技術主要包括化學發泡類和機械發泡類2種。化學發泡類主要有瀝青-礦物法(Aspha-min)和Advera 2種，其作用機理是將親水材料加入熱瀝青中，當水分擴散到瀝青中形成水蒸汽，會導致瀝青體積的迅速膨脹，黏度降低，從而降低瀝青的拌和溫度。機械發泡類的代表技術主要有雙滾筒技術，其作用機理是利用瀝青泵、空氣壓縮機和發泡水泵分別將高溫液態瀝青、壓縮空氣和水輸送到發泡室混合，就地產生并噴灑泡沫瀝青生產溫拌瀝青混合料。

2.3 乳化分散瀝青溫拌技術

乳化類溫拌技術主要有益路溫拌(Evotherm)、Cecabase RT和Iterlow-T等多種類型。其化學外加劑包含了乳化劑、提高裹覆能力及混合料和易性、提高黏附力等多種作用的改性劑。其作用機理是在瀝青中添加少量的表面活性添加劑、水和熱瀝青在拌和過程中共同作用，借助拌和的分散作用彼此交織。表面活性劑富集于殘留微量水與瀝青的界面，在膠結料內部形成較為穩定的結構性水膜抵消瀝青黏度的增大，當它與熱集料拌和的時候，乳液中的水以蒸汽的形式釋放出來，達到拌和效果[5]。

3 溫拌瀝青混合料試驗配合比設計

2011年，NCHRP 9-43溫拌瀝青混合料設計方法研究完成，成為多國溫拌瀝青混合料推薦使用的標準設計方法，用于保證設計的溫拌瀝青混合料達到和熱拌瀝青混合料相近的路用性能。該設計主要包括以下步驟：選擇材料、混合料體積性質的研究、選擇黏結劑、評價諸如施工和易性、水穩性、壓實性及混合料的力學性能，在瀝青混合料組成成分已知情況下，這一過程可以適當簡化。在美國，Superpave(AASHTO R 35)是用于溫拌瀝青混合料設計的指導規范。溫拌瀝青混合料以回旋壓實為設計基礎，同時使用一些參數評估壓實的程度。通過測試回旋次數得到體積參數，例如孔隙率或是從級配曲線獲得壓實能量。溫拌瀝青混合料的骨料及瀝青的選擇、試件制作、混合料各種壓實性能的測試均與熱拌瀝青混合料類似[6]。

添加劑在常溫下通常是固體形態，因此，通常以顆粒或晶粒形式摻加到混合料當中。部分添加劑也可是液態形式，不過其有效期很短。摻入添加劑在實際規模生產過程中應盡可能遵循溫拌瀝青混合料配合比設計方法。一般而言，出于混合料設計目的，在加入粗集料之前添加劑需和加熱后的瀝青在低速剪切容器中提前混合。某些情況下，添加劑可在瀝青投入到攪拌容器后直接加入到混合料當中[7]。

一般情況下，添加劑供應商會推薦加入添加劑的含量。表1從文獻[8]中總結了各種添加劑的推薦含量。

表1 溫拌瀝青混合料添加劑推薦含量

4 溫拌瀝青混合料力學性能研究

溫拌瀝青技術被廣泛應用于各種瀝青混合料生產中，諸如密級配瀝青混凝土，聚合物改性瀝青,SMA，橡膠改性瀝青混凝土，含有再生集料的瀝青混凝土等。因此，溫拌瀝青混合料力學性能會因溫拌瀝青技術應用范圍及材料制作類型的不同而有很大的變化。

4.1 水敏感性

瀝青混合料在長期有水狀態下會導致結構本身強度持續降低，這種現象被稱為水敏感性或水損害。這是由于在水的作用下，集料與瀝青膠漿之間的黏附性會被削弱，進而影響混合料的構造強度。對于溫拌瀝青混合料而言，由于在溫拌瀝青混合料拌和過程有水存在，在建設過程中遺留的水分會增加瀝青混合料的水敏感性。因此，添加劑在瀝青黏結料與骨料表面充當橋梁作用，促進黏結以抵抗水的作用[9]。Kim等[10]指出雖然現場測試性能數據表明溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料有著相似的性能，不過在其服務期限內，應該仔細觀測，這是因為水損害會隨著車轍及裂縫的產生而發展。Arabani等[11]對骨料對溫拌瀝青混合料性能的影響進行了研究，指出采用動態模量試驗來估計溫拌瀝青混合料的水敏感性，水敏感性比越大表示其具有更高的抗水損害能力。相關研究表明，濕集料對于混合料的抗水損害能力是不利的，因此，要確保集料的干燥[12]。Khodaii等[13]發現生石灰能夠降低混合料的水敏感性，使用抗剝離劑對于改善溫拌瀝青混合料的水穩定性具有積極意義。

4.2 耐疲勞性

文獻表明，在測試溫度為20 ℃、頻率為10 Hz下進行彎曲試驗時，在低應力水平下溫拌瀝青混合料能比熱拌瀝青混合料承受更多的疲勞損害。也就是說溫拌瀝青混合料對于持續增加的拉伸應變水平敏感度較低。因此，溫拌瀝青混合料能夠很好地應用到重交通路面結構中。肖飛鵬等[14]通過研究發現，溫拌瀝青混合料添加劑對于橡膠改性瀝青溫拌混合料的疲勞性能并沒有顯著的影響。

4.3 抗永久變形性能

在美國按照AASHTO TP 63和AASHTO T324相關規定來進行車轍試驗。車轍深度隨車輪通過次數的增加而增加，測試溫度相對也較高，一般維持在50 ℃或60 ℃。

在溫拌瀝青混合料中加入有機添加劑，例如Sasobit，可改變黏結料的高溫性能，增強其抗車轍能力。然而在使用泡沫技術時，溫拌瀝青混合料比熱拌瀝青混合料性能差很多[15-16]。

研究發現，混合料抵抗永久變形能力隨生產溫度的下降而下降[17]，抗車轍能力與添加劑和使用溫拌技術類型有直接的關系。正因如此，美國一些州政府機構劃定了生產溫拌瀝青混合料的最低生產溫度，以防止出現車轍病害。

5 我國溫拌瀝青混合料的應用

我國于2005年引入溫拌技術，進行了部分路面的攤鋪和科研研究。例如，在2006年北京鋪筑了改性SMA溫拌試驗路，2008年我國建造了溫拌橡膠瀝青路面。目前，經過十多年的發展，在國內溫拌瀝青技術已用于超過21個省、自治區或直轄市，多個地區頒布了溫拌瀝青技術的地方性標準。大量的工程應用實踐表明，使用溫拌瀝青混合料產生的節能減排效果是十分明顯的。每噸溫拌瀝青混合料可節省燃油20%～30%，減少溫室氣體排放30%以上，可減少90%的瀝青煙，極大地減輕對環境的污染和對施工人員的健康危害。并且，使用溫拌瀝青混合料可延長施工季節，有利于提高路面質量，延長道路使用壽命。

國內外針對溫拌瀝青技術的研究日益成熟和完善。在國外，溫拌瀝青技術已大規模應用于實際工程中。且已經擁有了一套較成熟的制備技術和設備。對于我國而言，對于溫拌瀝青技術的研究課題很多，但在實際工程的運用有限，還有許多需要進一步研究的問題，諸如不同溫拌劑的選擇、摻量、老化性能等方面。因此研究溫拌瀝青技術的實際推廣應用，對于建設資源節約型、環境友好型社會有著十分重要的意義。

6 結語

溫拌瀝青混合料技術種類繁多，主要通過使用添加劑或發泡技術以降低實際所需溫度。溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料相比具有諸多優勢，如可以節約能源，減少溫室氣體和其他污染物的排放。在節能減排、低碳環保的大環境下，溫拌瀝青技術以其節能環保的優勢正在獲得越來越多的關注，今后必然會得到更好的應用，從而推動溫拌瀝青混合料技術的發展。

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