降黏型溫拌劑最佳摻量及降溫幅度快速確定方法研究

徐志勇,陳剛,戚智勇,鐘佑明,王思堯

摘 要：降黏型溫拌瀝青混合料目前在工程中常以“廠家推薦摻量+混合料體積指標(biāo)驗(yàn)證”的方式來(lái)確定其溫拌劑摻量與降溫幅度，對(duì)于不同的改性瀝青類型缺乏區(qū)分度，驗(yàn)證過(guò)程繁瑣。為了更好的指導(dǎo)降黏型溫拌劑的應(yīng)用，使溫拌混合料發(fā)揮其最佳效果，文章通過(guò)試驗(yàn)研究，提出了一種以粘韌性指標(biāo)確定溫拌劑最大摻量閾值，以多點(diǎn)黏溫曲線確定降溫幅度的方法。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，溫拌劑最佳摻量按降溫幅度需求在摻量閾值范圍內(nèi)確定。該方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)于不同的改性瀝青更有針對(duì)性，具有良好的經(jīng)濟(jì)性與工程實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：溫拌瀝青混合料;降黏型溫拌劑;最佳摻量;降溫幅度

0 引言

溫拌瀝青混合料（WMA）拌合、壓實(shí)溫度低，施工能耗小、煙氣排放量低、環(huán)境污染小，有著減少材料溫度離析，降低瀝青膠結(jié)料的老化，延長(zhǎng)施工時(shí)間，改善和易性等潛在的效益，同時(shí)又具有與熱拌瀝青混合料相當(dāng)?shù)穆酚眯阅埽絹?lái)越受到人們的歡迎[1-2]。根據(jù)降溫機(jī)理的不同，現(xiàn)有溫拌技術(shù)基本可歸納為三類：瀝青發(fā)泡類、有機(jī)降黏類和表面活性類。目前，我國(guó)有機(jī)降黏類溫拌劑的應(yīng)用較多，其降溫機(jī)理是在瀝青或混合料中添加低熔點(diǎn)的有機(jī)類改性劑，改變?yōu)r青的粘溫曲線，使得瀝青的高溫粘度下降，降低生產(chǎn)溫度[3]。在工程應(yīng)用中常以“廠家推薦摻量+混合料體積指標(biāo)驗(yàn)證”的方式來(lái)確定其溫拌劑摻量與降溫幅度，對(duì)于不同的瀝青類型缺乏區(qū)分度，驗(yàn)證過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力[4]。為了更好的指導(dǎo)有機(jī)降黏型溫拌劑的應(yīng)用，文章開展了降黏型溫拌劑最佳摻量及施工溫度快速確定方法進(jìn)行研究，提出了一種以粘韌性指標(biāo)確定溫拌劑最大摻量閾值，以多點(diǎn)黏溫曲線確定降溫幅度的方法，該方法操作步驟簡(jiǎn)單，且對(duì)不同的改性瀝青更具針對(duì)性。

1 溫拌劑及改性瀝青的選擇

為研究有機(jī)降黏型溫拌劑對(duì)改性瀝青關(guān)鍵指標(biāo)的影響，選取市面上常見(jiàn)的某路用有機(jī)降黏型路用溫拌劑及道路工程中常用的A、B兩種不同油源SBS改性瀝青作為試驗(yàn)原材料，所用溫拌劑滿足《溫拌瀝青混凝土規(guī)范》（GB/T30596-2014）相關(guān)技術(shù)要求，SBS改性瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）相關(guān)技術(shù)要求，分別如表1和表2所示。

2 溫拌劑摻量的確定

為研究不同溫拌劑摻量對(duì)瀝青的關(guān)鍵指標(biāo)的影響，將溫拌劑分別以瀝青質(zhì)量的1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%等5個(gè)摻量梯度分別加入兩種SBS改性瀝青中，制作不同摻量的溫拌瀝青樣品，并測(cè)試溫拌瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度（5℃）、粘韌性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。為了更直觀的研究溫拌劑對(duì)改性瀝青的影響程度，計(jì)算不同溫拌劑摻量條件下溫拌瀝青A和B各關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的變化率，繪于圖1之中。其中，溫拌瀝青制作過(guò)程如下：將SBS改性瀝青加熱至165℃～175℃，使其具有較好的流動(dòng)狀態(tài)，（具體溫度根據(jù)實(shí)際瀝青流動(dòng)狀態(tài)確定），然后加入溫拌劑，恒溫狀態(tài)下以4 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，使溫拌劑熔化并均勻分布于瀝青中。

綜合表3和圖1可知，對(duì)于兩種改性瀝青而言，其各技術(shù)指標(biāo)隨溫拌劑摻量的增加，均出現(xiàn)不同程度的減小。其中，粘韌性技術(shù)指標(biāo)降低的幅度最大，延度指標(biāo)次之，這說(shuō)明溫拌劑對(duì)瀝青粘韌性指標(biāo)的影響最為顯著，對(duì)延度指標(biāo)的影響次之，對(duì)針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)影響相對(duì)較小。

將表3所列的不同溫拌劑摻量條件下溫拌瀝青粘韌性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果繪于圖2，從圖2可以看出，隨著溫拌劑摻量的增加，粘韌性指標(biāo)值不斷減小，二者具有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

黏韌性是表征改性瀝青改性效果的重要指標(biāo)，與改性瀝青性能息息相關(guān)。因此，對(duì)于改性瀝青需要保證他的粘韌性指標(biāo)，根據(jù)國(guó)外相關(guān)研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于提高粘附性的改性瀝青，粘韌性指標(biāo)要求不小于16 N·m[7]。基于此，文章提出以粘韌性為主控制指標(biāo)，以針入度、軟化點(diǎn)、延度（5℃）為輔助驗(yàn)證指標(biāo)，進(jìn)行溫拌劑摻量確定。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在廠家推薦摻量范圍的基礎(chǔ)上選擇，4～6個(gè)摻量進(jìn)行粘韌性測(cè)試，擬合粘韌性與摻量的相關(guān)關(guān)系式，以粘韌性技術(shù)指標(biāo)等于16 N·m為閾值，通過(guò)擬合公式計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的溫拌劑的最大摻量，考慮到降溫效果隨著溫拌劑摻量的增大而提高，因此在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可采用針入度、軟化點(diǎn)、延度（5℃）滿足相關(guān)要求的最大摻量作為最佳摻量。

對(duì)于改性瀝青A，粘韌性與溫拌劑摻量相關(guān)關(guān)系為：y=-337x+31.915（R2= 0.991 5）。當(dāng)y=16時(shí)，計(jì)算得到x=

4.72%，根據(jù)表3所列試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)溫拌劑摻量為4.72%時(shí)，該溫拌瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度（5℃）均滿足相關(guān)要求，即該溫拌劑對(duì)于改性瀝青A的最大摻量為4.72%。

對(duì)于改性瀝青B，粘韌性與溫拌劑摻量相關(guān)關(guān)系為：y=-397x+33.495（R2=0.975 4）。當(dāng)y=16時(shí)，計(jì)算得到x=4.40%，根據(jù)表3所列試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)溫拌劑摻量為4.40%時(shí)，該溫拌瀝青的針入度可能不滿足要求，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可考慮采用4.0%為最大摻量進(jìn)行針入度等指標(biāo)的驗(yàn)證。

3 降溫幅度確定

大量研究表明黏度的對(duì)數(shù)值與溫度具有較好的線性關(guān)系[8]，文章分別檢測(cè)了兩種改性瀝青原樣及其3.5%溫拌劑摻量下的溫拌瀝青在115℃、135℃、155℃、175℃條件下的旋轉(zhuǎn)黏度，并對(duì)黏度對(duì)數(shù)值隨溫度變化情況進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)已有研究與工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于SBS改性瀝青，可采用0.35±0.05 Pa·s與1.15±0.05 Pa·s黏度處對(duì)應(yīng)的溫度作為其混合料的拌和與壓實(shí)溫度[9-10]，降溫幅度即原樣瀝青與溫拌瀝青壓實(shí)溫度之差。根據(jù)圖3中黏-溫曲線計(jì)算，得到在溫拌劑摻量為瀝青質(zhì)量的3.5%條件下：對(duì)于改性瀝青A，其降溫幅度為23.4℃;對(duì)于改性瀝青B，其降溫幅度為20.5℃。

在計(jì)算溫拌劑對(duì)瀝青最大降溫幅度時(shí)，將以粘韌性為主控制指標(biāo)（不小于16 N·m），以針入度、軟化點(diǎn)、延度（5℃）為輔助驗(yàn)證指標(biāo)，確定的最大溫拌劑摻量，制作溫拌瀝青，按照上述辦法進(jìn)行最大降溫幅度測(cè)算。

4 溫拌瀝青混合料性能對(duì)比驗(yàn)證

4.1 溫拌劑摻量及拌合溫度

為了驗(yàn)證文章提出的溫拌劑摻量與降溫幅度確定方法的適用性，以前文所述溫拌劑和瀝青A，進(jìn)行SMA-13溫拌混合料設(shè)計(jì)。比較相同級(jí)配條件下溫拌與熱拌瀝青混合料的路用性能指標(biāo)。

在配合比設(shè)計(jì)前，首先進(jìn)行溫拌劑摻量和最大降溫幅度確定，根據(jù)前文研究結(jié)果改性瀝青A最大溫拌劑摻量為瀝青質(zhì)量的4.72%，因此以溫拌劑摻量4.7%在室內(nèi)制作溫拌瀝青，按照第3節(jié)所述的降溫幅度確定方法，計(jì)算得到最大降溫幅度為34.8℃，室內(nèi)制件時(shí)以降溫幅度35℃進(jìn)行控制。對(duì)于SBS改性瀝青SMA-13熱拌混合料，根據(jù)規(guī)范推薦結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)確定拌合壓實(shí)溫度，相應(yīng)的溫拌混合料在此基礎(chǔ)上降低35℃，具體拌合、壓實(shí)溫度控制范圍如表4所示。

4.2 試驗(yàn)材料

4.2.1 集料與礦粉

所用集料按粒徑不同劃分為四個(gè)檔次：1#（10 mm～15 mm）、2#（5 mm～10 mm）、3#（3 mm～5 mm）、細(xì)集料（0 mm～3 mm），均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。其中，1#、2#集料為玄武巖，3#、細(xì)集料和礦粉為石灰?guī)r，其密度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

4.2.2 纖維

纖維采用木質(zhì)素纖維，其技術(shù)指標(biāo)如表6所示，滿足公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求。

4.3 溫拌混合料配合比

設(shè)計(jì)的SMA-13混合料級(jí)配曲線如圖4所示，設(shè)計(jì)油石比為6.0%，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，相關(guān)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

4.4 混合料性能對(duì)比分析

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)以及低溫小梁彎曲試驗(yàn)，分別對(duì)設(shè)計(jì)的溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能、高/低溫穩(wěn)定性能進(jìn)行了驗(yàn)證，并與相同原材料的熱拌瀝青混合料路用性能進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果匯總于表8所示。

由表8可知，從路用性能試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，相同原材料設(shè)計(jì)的SMA-13溫拌瀝青混合料，相比于熱拌瀝青混合料，其抗水損害和高溫穩(wěn)定性有一定程度的增強(qiáng)，而低溫性能略有衰減，兩者各技術(shù)指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

文章提出了一種降黏型溫拌劑最佳摻量及降溫幅度的快速確定方法，并通過(guò)混合料試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，文章研究結(jié)論如下：

（1）通過(guò)溫拌劑對(duì)瀝青關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的影響研究，提出了以粘韌性為主控制指標(biāo)（不小于16 N·m），以針入度、軟化點(diǎn)、延度（5℃）為輔助驗(yàn)證指標(biāo)的最大溫拌劑摻量確定方法;

（2）提出了在最大溫拌劑摻量條件下，通過(guò)溫拌瀝青四點(diǎn)黏溫曲線確定最大降溫幅度的方法;

（3）通過(guò)溫拌SMA-13配合比設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證，進(jìn)行了最大溫拌劑摻量及降溫幅度確定方法的適用性驗(yàn)證，結(jié)果表明，在確定的最大溫拌劑摻量及降溫幅度條件下，溫拌瀝青混合料各技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)要求，與相同原材料的熱拌瀝青混合料性能相當(dāng)。

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