降黏型與表面改性型溫拌劑對瀝青混合料性能的影響*

黃維蓉， 楊玉柱， 楊東來， 韓春利

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院， 重慶 400074; 2.保利長大工程有限公司， 廣東 廣州 510620)

熱拌瀝青混合料存在許多缺點，如老化嚴重、能源消耗大、環境污染嚴重等。為解決這些問題，提出采用冷拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料替代熱拌瀝青混合料。冷拌瀝青混合料可在一定程度上降低能源消耗，但實際應用中發現其路用性能不穩定，只能用于路面養護或低等級公路下面層。溫拌瀝青混合料通過溫拌劑降低瀝青路面施工溫度，可降溫10～30 ℃，同時具有與熱拌瀝青混合料相同的路用性能和施工性能，是路面施工應用的發展趨勢。

現階段對溫拌瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩定性、耐久性、力學性能等進行了較多研究，形成了較成熟的理論，但有些理論還未完善，存在一些問題，導致其施工應用還不廣泛。該文分別將降粘型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm摻入瀝青混合料中，通過擬合不同溫度下空隙率找出4%目標空隙率下的施工溫度區間，在該溫度區間下進行高溫穩定性、水穩性與低溫抗裂性研究，分析SAS與Retherm溫拌劑對瀝青混合料高溫穩定性、水穩性與低溫抗裂性的影響，為溫拌瀝青混合料的工程應用提供參考。

1 原材料與配合比

1.1 瀝青

采用70#基質瀝青，其性能指標見表1。

表1 基質瀝青的性能指標

1.2 溫拌劑

選擇降黏型溫拌劑SAS和表面改性型溫拌劑Retherm作為溫拌添加劑。SAS是固態白色粉狀飽和性碳氫化合物類混合物，是一種長鏈脂肪烴；Retherm是一種具有乳化、抗剝離等多種性能的液態淡黃色表面活性劑，由長碳鏈的親油基團(尾部)和親水的極性基團(頭部)組成。兩種溫拌劑的摻量均為瀝青質量的3.5%。溫拌劑利用BME200L高速剪切機以4 500 r/min的轉速在瀝青中高速剪切30 min進行分散，其間采用油浴鍋將瀝青溫度控制在135～145 ℃，保證瀝青在流動、稠度較低的狀態，避免溫度過高產生明顯老化現象。

1.3 礦料

礦料采用滿足JTG F40-2004要求的12～18 mm石灰巖碎石、7～12 mm石灰巖碎石、4～7 mm石灰巖碎石、0～4 mm石灰巖機制砂、石灰巖礦粉。

1.4 配合比

按中粒式瀝青砼GAC-16C進行混合料級配組成設計。對所選集料水篩后，按JTG F40-2004推薦的方法進行配合比設計，得到合成級配(見表2、圖1)，各礦料摻配比例為12～18 mm石灰巖碎石∶7～12 mm石灰巖碎石∶4～7 mm石灰巖碎石：0～4 mm機制砂∶礦粉=36%∶20%∶18%∶23%∶3%。在該配合比下，溫拌劑摻量較少，對瀝青混合料油石比的影響可忽略不計。通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.3%。

表2 GAC-16C型混合料目標配合比設計

圖1 GAC-16C型混合料配合比設計

2 試驗結果與分析

2.1 混合料壓實溫度區間的確定

分別將摻量為瀝青質量3.5%的降黏型溫拌劑SAS和表面活性型溫拌劑Retherm加入瀝青中，按表2中的配合比制備溫拌瀝青混合料，在120、130、140和150 ℃下通過旋轉壓實成型4組試件，測試不同溫度下試件的空隙率，并擬合溫拌壓實溫度-空隙率的關系，以混合料空隙率4%為控制目標，得到對應成型溫度。不同溫度下瀝青混合料的空隙率見圖2。

由圖2可知：旋轉壓實試件的空隙率隨著壓實溫度的提高而降低，相同壓實溫度下，摻入降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都會明顯降低試件的空隙率，進而提高其壓實度。這是因為SAS與Retherm能降低瀝青黏度。

圖2 不同溫度下不同類型瀝青混合料的空隙率

根據混合料空隙率與溫度的試驗結果建立的溫拌瀝青混合料壓實溫度-空隙率回歸方程見表3。

表3 壓實溫度-空隙率回歸方程

以4%為目標空隙率，按照表3的擬合方程，得到對應的成型溫度(見圖3)。

由圖3可知：降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都能明顯降低瀝青混合料的壓實溫度，4%空隙率條件下，壓實溫度分別降低16.8、20.4 ℃，Retherm的降溫效果優于SAS。基質瀝青混合料的壓實溫度為150～155 ℃，降黏型溫拌瀝青混合料的壓實溫度為132～137 ℃，表面活性型溫拌瀝青混合料的壓實溫度區間為130～135 ℃。

圖3 不同類型瀝青混合料在4%空隙率下的壓實溫度

2.2 溫拌劑對瀝青混合料高溫穩定性的影響

為保證混合料空隙率大致相當且符合規范要求，參考溫度-混合料空隙率試驗，分別在空隙率達到4%所對應溫度區間按照規范成型3組試件，測試各試件的動穩定度，結果見圖4。

圖4 不同類型瀝青混合料的動穩定度

由圖4可知：溫拌瀝青混合料的動穩定度均滿足規范要求。降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都能顯著提高混合料的動穩定度，相對于基質瀝青混合料，SAS、Retherm溫拌瀝青混合料的動穩定度分別提高29.2%、15.6%。說明兩種溫拌劑都能提高混合料的高溫穩定性，降黏型溫拌瀝青混合料的高溫穩定性優于表面活性型溫拌瀝青混合料。這是因為在混合料成型后，SAS以網狀晶格結構分布在瀝青中，瀝青混合料的勁度提高，動穩定度增強，高溫穩定性提高；Retherm在成型后向集料與瀝青之間的界面位置富集，化學黏結力提高，瀝青的老化減輕，從而提升混合料的高溫穩定性。

2.3 溫拌劑對混合料水穩定性的影響

采用更能反映混合料長期水穩定性的凍融循環劈裂試驗評價溫拌劑對瀝青混合料的影響。以98.3～98.7 kPa真空條件下飽水15 min、-18 ℃下冷凍16 h、60 ℃水中保溫24 h作為一次凍融循環條件，未凍融試件的抗拉強度記為RT，1～3次凍融試件的抗拉強度分別記為RT1、RT2、RT3，凍融劈裂抗拉強度比分別記為TSR1、TSR2、TSR3。按照規范要求對瀝青混合料雙面各擊實50次成型馬歇爾試件，凍融和非凍融各成型一組試件，每組4個試件。試驗結果見圖5、圖6。

圖5 不同類型瀝青混合料的凍融劈裂強度

圖6 不同類型瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比

由圖5可知：無論在凍融前還是凍融后，SAS溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度都低于基質瀝青混合料；而Retherm溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度與基質瀝青相當。

由圖6可知：降黏型溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比分別比基質瀝青混合料的降低2.5%、6.4%、6.1%，而表面活性溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比比基質瀝青混合料的有小幅提升。說明降黏型溫拌劑會降低混合料的水穩定性，表面活性型溫拌劑會小幅提高混合料的水穩定性。這是因為SAS溫拌劑的蠟分在低溫下易析出成為晶體，在高溫融化的重復作用下瀝青分子之間的緊密聯系減小，水穩定性降低；而Retherm溫拌劑不會改變瀝青的性質，只是改變瀝青的接觸條件，故能保持混合料的水穩定性。在施工中需控制降黏型溫拌劑的摻量，以盡可能減少高分子蠟對混合料水穩定性的影響。

2.4 溫拌劑對瀝青混合料低溫性能的影響

采用低溫彎曲試驗評價溫拌瀝青混合料的低溫性能，試驗結果見圖7。

圖7 不同類型瀝青混合料的低溫性能

由圖7可知：降黏型溫拌劑SAS的加入會減小瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，而表面活性型溫拌劑Retherm會略微提高混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，對混合料的低溫抗裂性能有小幅提升作用。這是因為SAS的本質是高分子蠟，高蠟含量.會對瀝青的低溫性能產生負面影響，降低混合料的低溫抗裂性能；而Retherm能改善瀝青界面張力，且未對瀝青自身的性質產生影響，因而混合料低溫性能小幅提高。

3 結論

(1) 相同空隙率(4%)條件下，降黏型溫拌劑SAS可降低16.8 ℃壓實溫度，表面活性型溫拌劑Retherm可降低20.4 ℃壓實溫度。

(2) 降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都能顯著提高混合料的動穩定度，相對于基質瀝青混合料，SAS溫拌瀝青混合料的動穩定度提高46.9%，Retherm溫拌瀝青混合料的動穩定度提高40.2%。

(3) 降黏型溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比分別比基質瀝青混合料的降低2.5%、6.4%、6.1%；而表面活性溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比比基質瀝青混合料的有小幅提升。

(4) 降黏型溫拌劑SAS的加入會減小瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，降低其低溫性能；而表面活性型溫拌劑Retherm會略微提高混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，小幅提高混合料的低溫性能。