不同溫拌技術(shù)對(duì)瀝青及其瀝青混合料性能影響分析

張慧生，吳 凡

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211100)

十四五期間，為減輕環(huán)境污染，節(jié)約地球資源，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策，這些政策也較大程度促進(jìn)了道路交通領(lǐng)域新材料、新工藝的發(fā)展，例如，近年較流行的溫拌瀝青技術(shù)，就屬于節(jié)能減排的新材料、新工藝。當(dāng)前流行的溫拌瀝青主要是將原始瀝青發(fā)泡或者在原始瀝青中添加溫拌劑，從而達(dá)到降低施工拌和溫度，且有研究表明當(dāng)施工溫度每降低10 ℃，每噸瀝青混合料將減少0.9 kg的二氧化碳等有害氣體的排放。

目前，常用的溫拌劑類型有表面活性劑類、有機(jī)添加劑類、瀝青-礦物類。不同的溫拌劑降低施工溫度的機(jī)理也不盡相同，本文主要研究了添加表面活性劑Evotherm M1，Redise LQ110C以及有機(jī)降黏劑Sasobit Redux三種溫拌劑對(duì)瀝青性能影響。再通過研究體積參數(shù)與溫度的關(guān)系，得到最佳拌和壓實(shí)溫度，在最佳壓實(shí)溫度的條件下，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)不同溫拌類型對(duì)瀝青混合料性能的影響，從而對(duì)溫拌技術(shù)實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

本文所采用的原始瀝青為SBS改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 原始SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 溫拌劑

本研究選用三種溫拌劑，第一種是Sasobitbit Redux(下文簡(jiǎn)稱Saso)，第二種是Redise LQ-1102C(下文簡(jiǎn)稱1102C),第三種是Evotherm M1(下文簡(jiǎn)稱M1)。其中本研究溫拌劑Saso的添加量為瀝青質(zhì)量的1.5%，溫拌劑1102C的添加量為瀝青質(zhì)量的0.75%，溫拌劑M1的添加量為瀝青質(zhì)量的0.5%。

1.1.3 礦料級(jí)配

本文所選用粗細(xì)礦料均為石灰?guī)r，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[1]對(duì)礦料進(jìn)行檢測(cè)，各技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且本文所選用瀝青混合料級(jí)配為Sup-20。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 瀝青性能實(shí)驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[2]的實(shí)驗(yàn)方法和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[3]的技術(shù)指標(biāo)，分別檢測(cè)SBS,SBS-Sasobit,SBS-1102C,SBS-M1四種瀝青老化前后的針入度、軟化點(diǎn)、延度及135 ℃黏度，研究各種溫拌技術(shù)對(duì)瀝青性能的影響。

1.2.2 瀝青混合料性能實(shí)驗(yàn)

首先通過研究瀝青混合料體積參數(shù)與壓實(shí)溫度的關(guān)系，從而得出各溫拌技術(shù)的最佳壓實(shí)溫度。通過各性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在最佳壓實(shí)溫度下各溫拌瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫性能以及抗疲勞斷裂性能是否能滿足要求，討論各種溫拌瀝青混合料相關(guān)性能的變化規(guī)律。

2 溫拌劑對(duì)瀝青性能影響分析

根據(jù)相應(yīng)溫拌劑摻量，添加溫拌劑Saso，1102C，M1。研究各溫拌劑對(duì)原始SBS改性瀝青性能影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各溫拌瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表2結(jié)果可知，在添加溫拌劑Saso后，原SBS改性瀝青針入度、延度以及135 ℃黏度有著較大幅度的降低，而軟化點(diǎn)有著較為明顯的上升。主要原因?yàn)闇匕鑴㏒aso為合成蠟物質(zhì)，熔點(diǎn)為102 ℃，常溫下呈現(xiàn)固態(tài)。當(dāng)瀝青溫度較低時(shí)，其在瀝青中形成連續(xù)且穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得瀝青變硬、變脆，并提高了瀝青的穩(wěn)定性，降低溫度敏感性。而當(dāng)瀝青溫度高于其熔點(diǎn)時(shí)，Saso能充分的分布在瀝青中，因此降低了瀝青黏度。

而在添加了溫拌劑1102C以及M1后，原SBS改性瀝青各項(xiàng)性能都變化較小，究其原因，表面活性劑類溫拌劑，在與瀝青充分?jǐn)嚢韬髢?nèi)部的水溶液基本揮發(fā)，只剩下少量對(duì)瀝青影響很小的活性劑成分[4]。

經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)短期老化后，摻入溫拌劑Saso的瀝青相較于原SBS改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)變化幅度較小，可見溫拌劑Saso對(duì)瀝青抗老化性能的影響較小。而摻入溫拌劑1102C與M1的瀝青各項(xiàng)指標(biāo)變化比例皆明顯減小，可見溫拌劑1102C，M1能明顯增加瀝青的抗老化性能[5-6]。

3 不同溫拌劑對(duì)瀝青混合料性能影響分析

3.1 不同溫拌瀝青混合料降溫效果評(píng)價(jià)

選用級(jí)配為SUP-20，最佳瀝青用量為4.16%。在最佳瀝青用量的條件下確定各溫拌類型的瀝青混合料的最佳壓實(shí)溫度。選用四種拌和溫度(165 ℃，150 ℃，135 ℃，120 ℃)制備旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件，并測(cè)定體積參數(shù)，以孔隙率4.0%時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓實(shí)溫度作為最佳壓實(shí)溫度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。空隙率與成型溫度的線性回歸方程見表3。

表3 空隙率與成型溫度的線性回歸方程

結(jié)合圖表分析可知，各溫拌瀝青混合料試件空隙率與壓實(shí)溫度的線形關(guān)系較好。以空隙率4.0%作為目標(biāo)空隙率時(shí)，通過線形回歸方程得到，原SBS壓實(shí)溫度為160 ℃，SBS-Saso壓實(shí)溫度為146 ℃，降溫幅度為14 ℃，SBS-1102C壓實(shí)溫度為142 ℃，降溫幅度為18 ℃，SBS-M1壓實(shí)溫度為132 ℃，降溫幅度為28 ℃。可見溫拌劑M1的降溫效果要優(yōu)于溫拌劑1102C與溫拌劑Saso[7-8]。

3.2 不同溫拌瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

在最佳壓實(shí)溫度條件下，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各溫拌瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫性能以及抗疲勞斷裂性能是否能滿足要求，討論各種溫拌瀝青混合料相關(guān)性能的變化規(guī)律[9]。

3.2.1 不同溫拌瀝青混合料高溫性能

采用車轍實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)溫拌瀝青混合料的高溫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 各溫拌瀝青混合料高溫性能 次/mm

由表4可知，相較于原SBS瀝青，添加溫拌劑Saso的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增加了17.4%，有了較為明顯的上升，究其原因是車轍實(shí)驗(yàn)的溫度為60 ℃，遠(yuǎn)低于溫拌劑Saso的熔點(diǎn)，此時(shí)溫拌劑Saso仍以固體的形式均勻分布在瀝青形成網(wǎng)狀穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高了混合料的穩(wěn)定性。而添加溫拌劑1102C與M1的溫拌瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度增加比例較小，表明溫拌劑1102C,M1對(duì)混合料影響較小[10-11]。

3.2.2 不同溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)與凍融劈裂實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能(見表5，表6)。

表5 各溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

表6 各溫拌瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比

結(jié)合浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)與凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果，三種溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求，與SBS改性瀝青相比，添加溫拌劑Saso的溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定度上升了1.3%，凍融劈裂強(qiáng)度比下降了2.2%，變化比例較小，可見溫拌劑Saso對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響較小。而添加溫拌劑1102C，M1的溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定度上升6.2%，6.8%，凍融劈裂強(qiáng)度比上升3.2%，3.9%，可見溫拌劑1102C，M1能夠提升混合料的抗水毀能力，主要是因?yàn)闉r青混合料中的瀝青薄膜可以在溫拌劑1102C，M1的幫助下驅(qū)離并取代石料表面的殘留水分，并且?guī)椭鸀r青薄膜與石料表面形成牢固的化學(xué)作用力，提高瀝青混合料的抗水毀能力。

3.2.3 溫拌瀝青混合料低溫性能

采用低溫小梁實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫拌瀝青混合料的低溫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 各溫拌瀝青混合料低溫性能

由表7可知，三種溫拌瀝青混合料皆能滿足規(guī)范要求，相較于SBS瀝青混合料，添加溫拌劑Saso后極限彎拉應(yīng)變下降了17.0%，有著較為明顯的下降，主要原因?yàn)楫?dāng)混合料長(zhǎng)時(shí)間處在0 ℃以下的環(huán)境時(shí)，溶解在瀝青中的溫拌劑Saso與一小部分被它吸附的瀝青飽和分一起析出，使得瀝青變得又脆又硬，降低瀝青混合料的低溫性能。而添加溫拌劑1102C與M1的瀝青混合料僅上升了1.6%，2.8%，表明溫拌劑1102C，M1對(duì)瀝青混合料的影響較小。

3.2.4 溫拌瀝青混合料疲勞抗裂性能

采用帶切縫半圓彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)溫拌瀝青混合料疲勞性能，疲勞實(shí)驗(yàn)溫度選為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載波形為半正失波，試件直徑為150 mm、厚度為50 mm，底部切縫深度為15 mm、寬度為1.5 mm。

首先要進(jìn)行半圓彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，從而確定半圓彎曲疲勞試驗(yàn)的荷載水平與應(yīng)力比。

通過半圓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)SBS，SBS-Saso，SBS-1102C，SBS-M1的破壞荷載平均值8.73，9.13，8.83，8.62(見表8)。半圓疲勞實(shí)驗(yàn)需要選擇合適的應(yīng)力比，將疲勞壽命控制在幾千到幾十萬次之間，通過多次嘗試確定半圓彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力比，見表9。

表8 各溫拌瀝青混合料破壞荷載

表9 各溫拌瀝青混合料荷載水平與應(yīng)力比

通過確定的荷載水平，對(duì)試件加載，從而得到疲勞壽命，見表10。

表10 在不同應(yīng)力比下各溫拌瀝青混合料疲勞壽命

結(jié)合之前的研究，應(yīng)力比與疲勞壽命可用式(1)表示：

(1)

其中，Nf為疲勞壽命，次；t為應(yīng)力比；k，n均為待擬合的系數(shù)。

為了使數(shù)據(jù)更加的直觀，將式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，得到式(2)：

lnNf=lnk-nlnt

(2)

對(duì)表9，表10的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到各溫拌瀝青混合料疲勞系數(shù),見表11。

表11 各溫拌瀝青混合料疲勞系數(shù)

lnk為曲線的截距，lnk值越大，表明該半圓試件抗疲勞性能越好；n為曲線的斜率，反映半圓試件的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力比的敏感程度，n值越大，則表示疲勞壽命對(duì)應(yīng)力比變化越敏感，疲勞性能越差，因此本研究用lnk/n值來評(píng)價(jià)各種溫拌瀝青混合料的抗疲勞性能[12-13]。

由表11可見，將各溫拌瀝青混合料lnk/n值由大到小排列，SBS-Saso>SBS-1102C>SBS-M1>SBS。且SBS-Saso的lnk/n值為SBS的1.75倍，SBS-1102C的lnk/n值為SBS的1.25倍，SBS-M1的lnk/n值為SBS的1.20倍，可見溫拌劑Saso能夠較大幅度的提升混合料的疲勞性能，溫拌劑1102C以及M1對(duì)混合料的疲勞性能影響較小[14-15]。

4 結(jié)語

1)添加溫拌劑Saso后，瀝青軟化點(diǎn)上升，針入度、延度、135 ℃黏度下降。而溫拌劑1102C及M1對(duì)瀝青影響較小。且RTFOT老化后，添加三種溫拌劑瀝青各指標(biāo)變化比例減少，可見三種溫拌劑可以提高瀝青的抗老化性能，且三種溫拌劑中1102C與M1的表現(xiàn)更好。

2)以4.0%作為目標(biāo)空隙率，SBS-M1降溫效果最好，可以達(dá)到28 ℃的降溫幅度。且通過各路用性能試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)溫度大幅降低并沒有降低溫拌瀝青混合料性能。

3)不同溫拌劑種類對(duì)混合料性能影響也不盡相同，其中，溫拌劑Saso可以大幅度地提升瀝青混合料的高溫性能與抗疲勞性能，對(duì)水穩(wěn)定性影響較小，而對(duì)低溫性能有一定負(fù)面影響。溫拌劑1102C與M1能大幅度的提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性，對(duì)混合料的高溫性能、抗疲勞性能、低溫性能的影響很小。