雙溫拌瀝青混合料性能研究

張慧生 吳 凡

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

瀝青溫拌技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)是較為成熟的技術(shù)，可以在降低溫度，減少能源消耗的同時，不影響瀝青路面的各種性能。目前國內(nèi)外瀝青常用的溫拌技術(shù)大致為表面活性劑類、有機降黏劑類以及瀝青發(fā)泡技術(shù)。

表面活性劑類與有機降黏劑是在瀝青中摻入各種溫拌劑實現(xiàn)降溫，不同種類的溫拌劑降溫機理也不同。而瀝青發(fā)泡溫拌技術(shù)，主要是通過發(fā)泡設(shè)備來對原樣瀝青進行發(fā)泡，降低原瀝青的粘度，從而降低拌和與攤鋪壓實溫度。

結(jié)合前人研究發(fā)現(xiàn)添加溫拌劑的溫拌瀝青技術(shù)降溫幅度較大，但成本相對較高。而發(fā)泡瀝青成本較低，但降溫效果比不上添加溫拌劑技術(shù)的溫拌瀝青。本文研究的雙溫拌技術(shù)就是先將少量的溫拌劑添加到瀝青中充分攪拌后，制得溫拌劑瀝青，再經(jīng)過發(fā)泡設(shè)備發(fā)泡，得到溫拌劑發(fā)泡瀝青，也可稱為雙溫拌瀝青。利用水發(fā)泡溫拌瀝青的低成本和溫拌劑技術(shù)的低拌和溫度，將兩者的優(yōu)勢有機地結(jié)合在一起。

1 原材料性質(zhì)

1.1 溫拌劑性能

本文選用三種溫拌劑Sasobit，M1，1102C，基本性能指標見表1，表2。

表1 溫拌劑Sasobit

表2 溫拌劑M1，1102C

1.2 瀝青發(fā)泡機

本研究使用的是國內(nèi)自主研發(fā)的瀝青發(fā)泡機，該設(shè)備發(fā)泡效果主要是以膨脹率和半衰期這兩個指標來評價的。結(jié)合之前的研究可以確定瀝青發(fā)泡的溫度為170 ℃，氣壓150 bar，用水量為1.5%。

2 溫拌瀝青性能

2.1 雙溫拌瀝青制備

本文所選用的原始瀝青為SBS改性瀝青，在原始瀝青中分別添加溫拌劑Saso，1102C，M1，從而分別得到SBS-Saso，SBS-1102C，SBS-M1溫拌瀝青，再將三種溫拌瀝青經(jīng)發(fā)泡設(shè)備發(fā)泡得到SBS-Saso-發(fā)泡、SBS-1102C-發(fā)泡、SBS-M1-發(fā)泡三種雙溫拌瀝青。其中溫拌劑Saso摻量定為瀝青質(zhì)量的1.5%，溫拌劑1102C的摻量定為瀝青質(zhì)量的0.75%，溫拌劑M1摻量定為瀝青質(zhì)量的0.5%。

2.2 溫拌瀝青性能研究

研究SBS改性瀝青,SBS-發(fā)泡,SBS-Saso，SBS-Saso-發(fā)泡,SBS-1102C，SBS-1102C-發(fā)泡,SBS-M1，SBS-M1-發(fā)泡8種瀝青的三大指標及135 ℃粘度，試驗結(jié)果分別見表3，圖1。

表3 各溫拌瀝青性能指標

將各種溫拌瀝青發(fā)泡前后進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，除軟化點變化幅度較大，其余各項指標變化較小，主要跟各實驗時間有關(guān)，針入度、延度實驗時間皆在3 h左右，發(fā)泡瀝青中的微小氣泡幾乎損失殆盡，因此發(fā)泡前后的針入度與延度幾乎一致。粘度實驗時間在1.5 h左右，發(fā)泡瀝青中的微小氣泡有一定的損失，但仍然有一部分存在，所以瀝青的135 ℃粘度有所下降。而軟化點試驗的時間約在45 min，仍有許多微小氣泡存在于發(fā)泡瀝青中，微小氣泡使原樣改性瀝青粘度下降，和易性有所提升，所以發(fā)泡瀝青的軟化點較低，也更易于拌和。

將僅添加溫拌劑的與原樣瀝青進行對比，僅添加溫拌劑Saso，使得原SBS改性瀝青針入度、延度，以及135 ℃粘度有著較大幅度的降低，軟化點有著較為明顯的上升。主要原因為當(dāng)實驗溫度遠低于溫拌劑Saso熔點時，Saso為固態(tài)，并在瀝青中形成了較為穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得瀝青變硬、變脆，降低溫度敏感性，因此較大幅度降低了瀝青針入度、延度，提高了瀝青軟化點。而當(dāng)瀝青溫度高于其熔點時，Saso能充分的分布在瀝青中，因此降低了瀝青粘度。而在添加了溫拌劑1102C以及M1后，原SBS改性瀝青各項性能都變化較小，主要原因溫拌劑1102C與M1屬于表面活性劑類溫拌劑，在與瀝青充分攪拌后內(nèi)部的水溶液基本揮發(fā)，只剩下少量對瀝青影響很小的活性劑成分。

3 溫拌瀝青混合料性能最佳壓實溫度

3.1 瀝青混合料設(shè)計

本文采用抗車轍性能較好的SUP-20型混合料，最佳瀝青用量為4.16%，其級配見表4。

表4 SUP-20型瀝青混合料級配

3.2 溫拌瀝青混合料最佳壓實溫度

在最佳瀝青用量下確定各類型溫拌瀝青混合料的最為適合的壓實溫度。選取四種溫度，研究壓實溫度與空隙率之間的線性關(guān)系，實驗結(jié)果如圖2～圖4，表5所示。

當(dāng)以空隙率4.0%作為最優(yōu)空隙率，SBS-Saso-發(fā)泡最佳壓實溫度為136 ℃，SBS-Saso最佳壓實溫度為146 ℃，SBS-1102C-發(fā)泡最佳壓實溫度為128 ℃，SBS-1102C最佳壓實溫度為142 ℃，SBS-M1-發(fā)泡最佳壓實溫度為118 ℃，SBS-M1最佳壓實溫度為132 ℃，SBS-發(fā)泡最佳壓實溫度為143 ℃。不難發(fā)現(xiàn)，各雙溫拌技術(shù)降溫效果皆要優(yōu)于相對應(yīng)的單溫拌技術(shù)，其中SBS-M1-發(fā)泡降溫效果最優(yōu)，降溫幅度為42 ℃。

表5 溫拌劑瀝青混合料的空隙率與壓實溫度的關(guān)系

4 瀝青混合料路用性能研究及分析

4.1 瀝青混合料性能研究

在最佳壓實溫度的條件下，采用60 ℃車轍實驗、浸水馬歇爾實驗、凍融劈裂實驗、低溫小梁實驗、帶裂縫半圓彎曲強度實驗、帶裂縫半圓彎曲疲勞實驗分別研究不同溫拌瀝青混合料的高溫性能、抗水毀能力、低溫性能、抗疲勞斷裂性能，其中為疲勞數(shù)據(jù)更加直觀，采用抗疲勞系數(shù)lnk/n表示瀝青混合料的抗疲勞性能，當(dāng)lnk/n越大表示抗疲勞性能越好。各項性能指標如表6所示。

表6 各溫拌瀝青混合料路用性能

通過表6可見，影響混合料性能的主要因素為溫拌劑種類，而發(fā)泡對混合料性能影響較小，主要是因為發(fā)泡瀝青噴入的用水量僅為瀝青含量的1.5%，在拌和及成件的過程中水分幾乎全部耗盡，所以基本不影響瀝青混合料性能。溫拌劑Saso較大程度地提高了瀝青混合料高溫性能、抗斷裂能力、抗疲勞能力；對水穩(wěn)定性能影響較小；對低溫性能產(chǎn)生了負面影響，但仍滿足規(guī)范要求。而溫拌劑M1，1102C較大程度地提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性能與抗疲勞性能，對高溫性能、抗斷裂能力、低溫性能影響較小。

4.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

通過研究各溫拌瀝青混合料的降溫效果以及路用性能，能夠發(fā)現(xiàn)各溫拌技術(shù)對混合料性能有著不同的影響，沒有一種溫拌技術(shù)能在混合料的各個性能上都表現(xiàn)得最好，因此針對這一狀況，本研究基于灰色關(guān)聯(lián)理論選出最佳的的溫拌技術(shù)。

4.2.1 灰色關(guān)聯(lián)理論原理

灰色關(guān)聯(lián)理論先確定比較序列與參考序列，對比比較序列與參考序列之間的發(fā)展趨勢和相似程度，然后基于灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)評價各影響因素對目標值的影響程度，最后找到最重要的影響因素。參考序列一般由理想數(shù)據(jù)組成，可以為各指標的最優(yōu)值組成，對比序列由不同評價指標的實測值組成。灰色關(guān)聯(lián)理論一般分為以下幾個步驟：

首先確定n個實驗方案以及相對應(yīng)的m個評價指標，然后確定參考數(shù)列與比較數(shù)列。參考數(shù)列為X0={X0(j)|j=1,2,3,…,m},比較數(shù)列為Xi={Xi(j)|j=1,2,3,…,m},i=1,2,3,…,n。

接著將上述序列按照下述公式進行均值化處理：

(1)

(2)

然后計算參考數(shù)列與比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)度系數(shù)：

(3)

最后計算關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度為各評價指標與參考序列對應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)度系數(shù)的均值，具體公式如下：

(4)

通過比較關(guān)聯(lián)度的大小確定最佳溫拌技術(shù)，關(guān)聯(lián)度越大，則表示Xi向X0的發(fā)展趨勢越接近。

4.2.2 灰色關(guān)聯(lián)理論分析結(jié)果

選擇各種溫拌類型瀝青混合料的降溫幅度(X1)、動穩(wěn)定度(X2)、殘留穩(wěn)定度(X3)、凍融劈裂強度比(X4)、極限彎拉應(yīng)變(X5)、半圓彎曲強度(X6)、lnk/n(X7)作為評價指標，選擇各實驗方案所對應(yīng)的評價指標的結(jié)果作為比較序列(A1～A2)(見表7)，選擇各評價指標結(jié)果的最佳值作為參考序列A0，具體見表8。依次根據(jù)式(1)～式(4)，先進行均值標準化處理，再計算關(guān)聯(lián)度系數(shù)，最后計算關(guān)聯(lián)度，結(jié)果分別見表9～表11。

表7 比較序列

表8 參考數(shù)列與比較數(shù)列

表9 數(shù)據(jù)無量綱化處理結(jié)果

表10 關(guān)聯(lián)度系數(shù)

表11 各種溫拌類型瀝青混合料的關(guān)聯(lián)度

通過表11結(jié)果可知，A7關(guān)聯(lián)度最高，即SBS-M1-發(fā)泡為最佳溫拌技術(shù)。

5 結(jié)論

1)僅摻溫拌劑Saso后，瀝青的軟化點上升，同時瀝青的25 ℃針入度、5 ℃延度以及135 ℃粘度降低，可以表明在摻入溫拌劑Saso后，瀝青的高溫性能得到提升而低溫性能下降明顯，并且可以明顯的降低瀝青粘度，而摻入溫拌劑1102C，M1后瀝青的軟化點、25 ℃針入度、5 ℃延度和135 ℃粘度變化不大，可以表明溫拌劑1102C，M1對瀝青的高、低溫性能、粘度影響較小。

2)原SBS改性瀝青以及三種添加單溫拌劑的瀝青，分別經(jīng)過瀝青發(fā)泡機發(fā)泡后的各項指標與發(fā)泡前相對比，軟化點、135 ℃粘度下降明顯，25 ℃針入度、5 ℃延度變化不大。

3)每種雙溫拌技術(shù)的降溫效果都比其對應(yīng)的單溫拌劑技術(shù)好，再者降低一半溫拌劑摻量的雙溫拌技術(shù)的降溫效果也與推薦摻量的單溫拌劑技術(shù)相差無幾，達到了更環(huán)保更經(jīng)濟的目的。

4)雙溫拌技術(shù)在大幅度降低壓實溫度同時，其混合料性能并沒有因溫度降低而降低。影響混合料路用性能主要因素是溫拌劑種類的不同，且綜合來看，SBS-M1-發(fā)泡為最佳溫拌技術(shù)。