不同降黏劑對溫拌超薄磨耗層性能影響

莊恢將 李旭豪 李藝博 李本亮 張家偉 黃衛東

(1.廣州市高速公路有限公司營運分公司 廣州 510000；2.廣州大象超薄路面技術開發有限公司 廣州 510000；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 200092)

超薄罩面是厚度僅為0.8～1.5 cm厚的瀝青混凝土路面，是公路工程預防性養護中最有效的技術手段，具有改善平整度，提高抗滑性能，提升行駛質量等一系列優點[1-2]。目前常用的超薄罩面多為熱拌超薄罩面技術，混合料的生產拌和溫度通常在180 ℃以上[3-4]。如此高的生產溫度不僅使得拌和站在加熱石料過程中需要耗費大量的能源資源，產生更多的污染排放，而且混合料在高溫條件下極易發生老化，造成性能下降，從而降低超薄罩面的使用耐久性。如何解決混合料生產溫度過高的問題成為了推廣超薄罩面技術的關鍵。

一般來說，熱拌薄層罩面多使用高黏度改性瀝青作為膠結料，因而需要較高的溫度來保證混合料的施工和易性。為了解決這個問題，可以通過降低瀝青膠結料的黏度，使得混合料在較低溫度情況下仍具有良好的施工性能，即所謂的溫拌降黏技術。目前常用的溫拌技術根據溫拌機理可分為3大類，分別是以Foaming發泡瀝青為代表的發泡類溫拌技術[5]，以Evotherm為代表的乳化瀝青分散降黏溫拌技術[6]和以Sasobit為代表的有機添加劑降黏技術[7]。其中發泡類溫拌技術和乳化類溫拌技術在降黏過程中均有水分參與，因而混合料會存在后期水穩定性不足的問題。有機降黏劑一般主要成分為蠟，在高溫狀態下為流動的液體，加入到瀝青當中可以起到潤滑作用，從而降低瀝青在高溫條件下的黏度。

目前常用的有機降黏劑有Sasobit、聚乙烯蠟等有機蠟，國外研究學者也曾將棕櫚蠟用于瀝青混合料中以實現溫拌效果[8]，從使用效果來看，有機蠟對普通改性瀝青的溫拌降黏效果顯著。尚金娜等[9]將回收聚乙烯蠟加入到SBS改性瀝青當中發現可以有效降低瀝青的高溫黏度，使其在低溫條件下具有良好的施工性能。樂金朝等[10]的研究表明Sasobit改性劑可顯著改善瀝青的高溫性能及施工和易性,同時對瀝青的抗老化性能、感溫性能也具有一定的改善作用。丁鵬等[11]通過在成品高黏瀝青中摻入Sasobit+聚乙烯蠟制備溫拌瀝青，驗證其能夠顯著改善瀝青的高溫性能。上述研究表明有機降黏劑不僅能降低瀝青的黏度，還能改善高溫等方面的性能。

因此，本研究擬通過在高黏度改性瀝青中分別添加幾種不同的有機降黏劑，評價其溫拌降黏效果，并通過室內試驗比較不同降黏劑添加前后超薄磨耗層混合料的路用性能變化情況。

1 材料與試驗

1.1 材料

1.1.1瀝青

本研究中選用某公司生產的高黏度改性瀝青作為基礎瀝青，基本指標見表1。

表1 高黏度改性瀝青基本指標

1.1.2有機降黏劑

本研究中有機降黏劑選用Sasobit、聚乙烯蠟和SZ。其中SZ是一種國產新型降黏劑，3種降黏劑基本指標見表2。

表2 3種降黏劑基本指標

3種降黏劑添加量均為2%，其中：降黏劑∶瀝青=2∶100，首先將瀝青加熱至170 ℃以上，而后不斷攪拌并緩慢加入降黏劑，待所有降黏劑添加完畢，持續攪拌15 min即制備完成。

1.2 混合料級配

本研究所用混合料為OGFC-5級配，由3檔集料組成，分別為3～5 mm玄武巖粗集料，0～3 mm石灰巖細集料和石灰巖礦粉，混合料級配的各檔通過率見表3。

表3 混合料級配各檔通過率

1.3 試驗方法

1.3.1瀝青常規指標試驗

瀝青常規指標測試包括針入度、軟化點、5 ℃延度及老化試驗。試驗參照規范JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行。

1.3.2黏度試驗

通過布洛克菲爾德黏度(Brookfield viscosity)試驗來測定瀝青在不同溫度下的黏度，選用27號轉子，相應的樣品質量稱取13.5 g，試驗從100 ℃開始進行，每上升10 ℃，測試相應溫度下的黏度，待黏度結果小于500 mPa·s，停止升溫。將瀝青在不同溫度下的黏度數據繪入對數坐標圖中，并以冪函數y=axb進行擬合，得到相應的黏度-溫度曲線。其中：a、b為擬合系數；x為測試溫度，℃；y為對應的黏度，mPa·s。

1.3.3混合料試驗

本研究中混合料試驗包括馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗(TSR)、肯塔堡飛散試驗，以及車轍試驗，以上所有試驗均參照現行規范JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行。

2 試驗結果分析

2.1 黏度試驗結果

將4種瀝青在不同溫度下的黏度繪入對數坐標圖中，并進行冪函數擬合，結果見圖1。由圖1可見，4種瀝青的黏度-溫度曲線冪函數擬合相關系數R2均大于0.96，表明擬合結果非常好。觀察4種瀝青的黏溫曲線，可以發現對于高黏+聚乙烯蠟和高黏+Sasobit 2種瀝青，其黏溫曲線均在高黏瀝青的黏溫曲線下方，說明在相同溫度下，添加聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑的高黏瀝青黏度小于原樣高黏瀝青，即降黏效果比較突出。而對于SZ降黏劑，在溫度低于120 ℃時，添加SZ的高黏瀝青黏度高于原樣高黏瀝青，而在較高溫度條件下，高黏+SZ瀝青的黏度又顯著小于原樣高黏瀝青，說明SZ在高溫條件下降黏效果比較顯著。瀝青黏溫曲線擬合函數的冪絕對值，代表了瀝青黏度隨溫度變化的敏感性，即擬合函數冪的絕對值越大說明瀝青隨溫度變化其黏度變化越敏感。

圖1 不同瀝青的黏度-溫度擬合關系

對比4種瀝青的黏溫曲線擬合函數冪的絕對值發現，添加Sasobit后，瀝青的黏度隨溫度變化的敏感性有所降低；添加聚乙烯蠟可使瀝青的黏度隨溫度變化的敏感性提升 ，然而添加SZ后瀝青的黏度隨溫度變化的敏感性迅速上升，因而出現，在較低溫度下高黏+SZ的黏度高于原樣高黏

瀝青，而在較高溫度下黏度又顯著低于原樣高黏瀝青。這種現象可能是由于SZ降黏劑本身的軟化點較高(達110 ℃)所致，即在溫度超過110 ℃以后SZ開始融化，發揮降黏的作用。

根據不同瀝青黏度-溫度曲線的冪函數擬合關系式，擬定基準黏度為1 000 mPa·s，通過擬合函數溫度反算，計算不同瀝青在對應黏度下的溫度結果，以原樣高黏瀝青作為參照，計算添加降黏劑后高黏瀝青在對應黏度下的溫度改變值作為溫拌效果，計算結果見表4。可以發現在基準黏度為1 000 mPa·s的條件下，3種降黏劑均有良好的溫拌降黏效果，溫度降低幅度在10 ℃以上，其中聚乙烯蠟降溫效果最優，達到了16.7 ℃，相比之下，SZ的降溫幅度最小，這也與所選基準黏度有關。

表4 不同瀝青的降黏效果

2.2 三大指標

添加3種降黏劑后的瀝青三大指標結果見表5。

表5 不同瀝青的三大指標結果

從針入度指標來看，聚乙烯蠟和Sasobit添加后，瀝青的針入度顯著降低，表明瀝青變硬，相應的5 ℃延度指標也有所下降，說明這2種溫拌劑添加后瀝青的低溫性能有所降低。添加SZ降黏劑后瀝青的針入度有些許降低，而同時5 ℃延度指標還有所增加，說明SZ降黏劑的添加對瀝青的低溫性能有所改善。軟化點指標測試結果表明，添加3種降黏劑之后，瀝青的軟化點均有提升，表明瀝青的高溫性能得到改善，這是由于3種降黏劑本身的軟化點均高于高黏瀝青，添加后會提升瀝青的軟化點，其中SZ降黏劑本身軟化點最高，為110 ℃，因而對應的高黏+SZ瀝青軟化點也最高。

基于前述瀝青的降黏結果，擬定對于高黏瀝青，其混合料拌和與成型溫度為175 ℃，而對于添加降黏劑的高黏瀝青，拌和與成型溫度統一為155 ℃，溫度降低20 ℃。混合料試件通過旋轉壓實成型，直徑為100 mm、高度為63.5 mm，通過高度控制，保證試件具有相同的孔隙率，而車轍板成型采用規范中的輪碾成型方法。對于馬歇爾試驗、飛散試驗及凍融劈裂試驗，每組進行3次平行試驗，結果取平均值，并以誤差棒來表示數據浮動情況。

2.3 馬歇爾穩定度

混合料的馬歇爾穩定度實驗結果見圖2。

圖2 不同瀝青混合料的馬歇爾實驗結果

由圖2可見，當在高黏瀝青中添加降黏劑后，混合料的馬歇爾穩定度出現不同的變化，對于高黏+聚乙烯蠟和高黏+Sasobit，2組混合料試件的馬歇爾穩定度均低于原樣高黏瀝青，而對于SZ降黏劑，添加到高黏瀝青后，混合料的馬歇爾穩定度有所增加，表明路用性能強度得到提升。從流值結果來看，高黏瀝青添加聚乙烯蠟后，混合料的流值結果有所提升，表明抗變形能力有所增強，而對于SZ和Sasobit 2種降黏劑，添加高黏瀝青后會使混合料的流值有所降低，說明混合料在某種程度上變“硬”。

2.4 肯塔堡飛散

瀝青混合料的肯塔堡飛散實驗結果見圖3。

圖3 不同瀝青混合料的飛散結果

由圖3可見，對于原樣高黏瀝青混合料來講，飛散損失比較小，僅為5.7%，表明高黏瀝青超薄罩面混合料的抗松散性能很好。而加入降黏劑后發現，混合料的飛散結果均變大，然而幾種溫拌高黏瀝青混合料的飛散結果均小于10%，遠低于規范中升級配20%的飛散損失上限。說明降黏劑的加入對混合料的抗松散性能有所損害，然而幅度非常有限，加入降黏劑后混合料的飛散指標仍能滿足要求。相較之下添加SZ降黏劑的高黏瀝青混合料飛散損失低于其他2種降黏劑結果，說明添加SZ的高黏瀝青混合料抗松散性能優于添加其他2種降黏劑的混合料。

2.5 凍融劈裂

不同瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果見圖4。

圖4 不同瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果

由圖4可見，高黏瀝青添加聚乙烯蠟降黏劑后，混合料的原樣劈裂強度和凍融劈裂強度均比高黏瀝青混合料低，說明混合料整體強度偏軟。添加Sasobit降黏劑的混合料劈裂強度與原樣高黏瀝青混合料相當而SZ降黏劑的加入能提升混合料的劈裂強度，說明混合料變硬，這一結果與馬歇爾穩定度結果比較類似。觀察凍融劈裂強度比TSR結果發現，原樣高黏瀝青混合料的TSR結果能到89%，而添加聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑的高黏瀝青混合料TSR結果降低，表明抵抗水損害能力下降，而添加SZ降黏劑的混合料的TSR結果上升，說明SZ降黏劑有助于提升超薄罩面混合料的水穩定性能。

2.6 車轍試驗

不同瀝青混合料的車轍試驗結果見圖5。由圖5可見，對于原樣高黏瀝青磨耗層混合料，其動穩定度比較低，一方面與瀝青的高溫性能有關，另一方面也與級配有關，即選用小粒徑的級配會導致車轍性能下降。而降黏劑加入之后磨耗層混合料的動穩定度均變大，說明降黏劑有增加混合料高溫穩定性的作用。前述瀝青三大指標結果也表明降黏劑的加入提高了瀝青的軟化點，有助于提升瀝青的高溫性能。觀察發現，高黏+SZ瀝青混合料的動穩定度最高，達到4 219次/mm，這是由于高黏+SZ瀝青的軟化點最高，高溫性能最好。

圖5 不同瀝青混合料的車轍試驗結果

3 結論

本研究通過在高黏瀝青中分別添加Sasobit、聚乙烯蠟和SZ降黏劑，以降低高黏瀝青的黏度從而降低混合料的生產拌和溫度，并進行混合料性能驗證。通過室內試驗研究，得出以下結論。

1) 聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑對高黏瀝青降黏效果明顯，兩者降黏效果比較接近，而SZ降黏劑在高溫條件下降黏效果比較顯著，在較低溫度下反而會增加瀝青的黏度，與聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑不同，SZ降黏劑的加入使得瀝青的黏度變化敏感性增加。

2) 根據不同瀝青擬合的黏-溫曲線函數關系式，以1 000 mPa·s為基準黏度進行溫度反算，聚乙烯蠟、Sasobit和SZ 3種降黏劑加入可使瀝青溫度分別降低16.7 ℃，15.8 ℃和13.6 ℃，相應的混合料拌和溫度可平均降低20 ℃，達到溫拌的效果。

3) 高黏瀝青加入降黏劑會提升熱拌超薄磨耗層混合料的高溫性能，而對抗松散性能有所損害，對于聚乙烯蠟和Sasobit降黏劑，其混合料性能比較接近，添加到高黏瀝青當中會使混合料的馬歇爾穩定度和TSR結果有所降低，而SZ降黏劑不同于聚乙烯蠟和Sasobit，可提升混合料的馬歇爾穩定度和抗水損害性能，是一種高性能降黏劑。