AH-1 溫拌劑對SBS 改性瀝青路用性能的影響

趙林飛

[蘇交科（廣州）交通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510000]

0 引言

傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的拌合溫度在140～190℃之間，造成了大量的溫室氣體排放。同時(shí)，不斷上漲的能源價(jià)格、全球變暖和更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)導(dǎo)致人們對溫拌瀝青（WMA）技術(shù)越來越感興趣。溫拌瀝青混合料因?yàn)槠涞团欧帕?、無污染、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)課題。使用WMA 黏合劑可降低混合料的拌合和壓實(shí)溫度，提高施工便利性，從而降低因高溫加熱而產(chǎn)生的燃油消耗和排放。國外在1995—1999 年開始了第一次溫拌瀝青混合料的實(shí)驗(yàn)路鋪筑[1]。傳統(tǒng)的溫拌劑主要包括微晶蠟，在瀝青混合料拌合過程中作為外加劑添加到瀝青中[2-4]。由于微晶蠟的加入，可以降低瀝青混合料拌合溫度的同時(shí)，通過冷卻時(shí)固化成為均勻分布的微顆粒來增加瀝青混合料的剛度。此外，市面上常見的Sasobit 降黏劑也可以使瀝青的黏度下降，提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但是將劣化瀝青混合料的抗水損害能力和低溫抗裂性能[5-6]。另一方面，化學(xué)改性劑Evotherm 也是溫拌改性瀝青的研究熱點(diǎn)?；瘜W(xué)改性劑Evotherm 可以用作乳化劑或者界面結(jié)合劑，與表面活性劑、高分子聚合物改性劑組合可以提高瀝青混合料的界面結(jié)合性能、更高的施工和易性和有效降低拌合溫度。但是OMR 等[7]研究表明，在溫拌瀝青混合料中使用Evocotherm 改性劑將導(dǎo)致瀝青混合料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度下降。

由于現(xiàn)階段的溫拌瀝青技術(shù)還存在一些問題以及造價(jià)方面的原因，推廣受到限制[8-10]。本研究采用自行研發(fā)的AH-1 溫拌劑與Sasobit 進(jìn)行對比，對其路用性能進(jìn)行評價(jià)。研究結(jié)果為道路節(jié)能減排技術(shù)提供了技術(shù)參考，以促進(jìn)有機(jī)降黏劑在道路養(yǎng)護(hù)行業(yè)的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分——溫拌瀝青材料

（1）瀝青。本研究采用中石化東海SBS 改性瀝青。

（2）溫拌改性劑。本公司自行研發(fā)的AH-1 溫拌劑，主要成分為輕質(zhì)油機(jī)三種非離子型表面活性劑復(fù)合而成，是合成長鏈飽和碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，次要成分是脂類物質(zhì)。碳鏈長度位于12-19，HLB 為4-8。

Sasobit 是降黏型溫拌劑，白色或淡黃色固體，具有較細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)。AH-1 與Sasobit 具有類似的溫拌作用效果，通過升溫將改變?yōu)r青內(nèi)部四組分含量，增加瀝青內(nèi)部輕質(zhì)組分比例，從而達(dá)到降溫效果[11]。Sasobit 示意圖和AH-1 溫拌劑示意圖分別如圖1、圖2 所示，對應(yīng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 溫拌劑物理指標(biāo)

圖1 S a s obit 示意圖

圖2 AH-1 溫拌劑

（3）集料與級配組成。集料選用玄武巖，本文熱、溫拌混合料擬采用SMA-13 級配進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。其中，SMA-13 級配組成取規(guī)范中值，最佳油石比為4.5%，級配見表2。級配曲線如圖3 所示。

表2 SMA-13 級配組成

圖3 SMA-13 級配曲線

（4）纖維。選用市面上常見的短切玄武巖纖維，其高模量和較大的表面積成為瀝青增強(qiáng)材料的重要部分，選用摻量為4%。

2 溫拌劑對瀝青性能的影響

2.1 溫拌劑對瀝青常規(guī)性能的影響

將AH-1 分別按3%、4%和5%的摻量加入到SBS 改性瀝青中，Sasobit 按5%的摻量加入，均在160℃左右用高速剪切機(jī)在1 000 r/min 下攪拌20min，保證AH-1 和Sasobit 充分融入到瀝青之中。對SBS 改性瀝青摻量（3%、4%、5%AH-1）、SBS 改性瀝青+5%Sasobit 和未做添加的SBS 改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能測試，測試結(jié)果見表3。

表3 溫拌瀝青常規(guī)性能指標(biāo)

由表3 可知，AH-1 和Sasobit 對SBS 改性瀝青的常規(guī)性能影響較為顯著。隨著AH-1 溫拌劑摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青的針入度從58 mm分別下降為51 mm、45 mm、40 mm，最大下降幅度達(dá)43.1%。表明AH-1 對SBS 改性瀝青的稠度具有一定的影響，AH-1 冷卻后生成的微晶蠟導(dǎo)致針入度的下降。另外，隨著AH-1 摻量的增加，SBS 改性瀝青的軟化點(diǎn)逐步提升，從67.7℃上升至93.7℃，上升幅度達(dá)38.4%。軟化點(diǎn)指標(biāo)一定程度反映了SBS 改性瀝青的高溫性能，即AH-1 的加入顯著提升了SBS改性瀝青的溫度穩(wěn)定性。最后，隨著AH-1 的加入，其延度從33.1 mm 下降至16.2 mm，下降幅度達(dá)51.1%。表明AH-1 SBS 改性瀝青冷卻后，內(nèi)部均勻的微晶蠟將作為外來異物影響瀝青的整體性，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，劣化延度指標(biāo)。與此同時(shí)，相較于同等摻量的Sasobit，AH-1 對SBS 改性瀝青的劣化程度較小。

2.2 溫拌劑對瀝青黏度的影響

有機(jī)降黏劑的主要工作原理是降低瀝青的黏度以滿足降溫效果。

在120℃、135℃、150℃、165℃和180℃等5 種不同溫度下，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[12]要求，對上述摻量的SBS改性瀝青進(jìn)行布什黏度試驗(yàn)，以基質(zhì)原樣瀝青作為對照組，分析溫拌劑對SBS 改性瀝青黏度的影響。為盡可能避免試驗(yàn)誤差，每組摻量試件取3 個(gè)平行試件結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，在相同溫度下，隨著AH-1 溫拌劑摻量的升高，其SBS 改性瀝青黏度在不斷下降，且下降幅度逐漸加快。在150℃下，5%AH-1 SBS 改性瀝青的黏度為0.52 Pa·s，與SBS 改性瀝青0.77 Pa·s相比，下降了0.25 Pa·s，下降幅度達(dá)24.7%。且4%AH-1 的降黏效果與5%Sasobit 降黏劑降黏效果相當(dāng)，說明AH-1 溫拌劑的降黏效果比Sasobit 要好。另外，隨著溫度的升高，兩種溫拌劑的降黏效果在不斷減弱。當(dāng)溫度超過160℃，兩者的黏溫曲線下降速率趨近于0。其原理為，隨著溫度的升高，兩種有機(jī)降黏劑內(nèi)部的極限基團(tuán)，如C=O 基團(tuán)與瀝青中膠質(zhì)的結(jié)合能力下降，輕質(zhì)組分比例變化程度不大，故效果不明顯。我國現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)將0.17Pa·s±0.02 Pa·s時(shí)的溫度作為基質(zhì)瀝青混合料的拌合溫度范圍，將0.28Pa·s±0.03 Pa·s 時(shí)的溫度作為壓實(shí)成型的溫度；對于SBS 改性瀝青混合料的拌合和成型溫度應(yīng)該根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況和當(dāng)?shù)貤l件確定[11]。因此，需要進(jìn)一步采用其他技術(shù)指標(biāo)對比兩款溫拌劑對SBS 改性瀝青的溫拌效果，本文采用體積指標(biāo)法確定最佳成型溫度。

3 溫拌劑對瀝青混合料性能的影響

3.1 溫拌瀝青混合料的降溫效果

對于瀝青混合料而言，在拌合及成型過程中的空隙率指標(biāo)十分重要，將極大影響瀝青混合料的力學(xué)性能和路用性能[13]。將不同摻量和種類的溫拌SBS混合料與熱拌SBS 混合料分別在140℃、150℃、160℃、170℃下，通過馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)成型，利用等體積原則，采用等空隙率作為控制指標(biāo)，比較AH-1 溫拌劑的降溫效果[14]。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 混合料空隙率與成型溫度的關(guān)系

由圖5 可知，隨著成型溫度的升高，無論何種摻量的AH-1 或Sasobit 溫拌劑，空隙率都在逐漸下降。在150℃的溫度下，添加3%、4%、5%AH-1 的SBS 改性瀝青較基質(zhì)SBS 瀝青的空隙率從4.72%下降為4.24%、3.84%、3.75%。添加4%AH-1 溫拌劑在相同溫度下對空隙率的降低效果與5%摻量的Sasobit 相當(dāng)，都明顯低于SBS 改性瀝青。從空隙率角度發(fā)現(xiàn)，AH-1 溫拌劑比Sasobit 具有更好的降溫效果?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)定，要求SMA 混合料馬歇爾試件的空隙率為3%～4%，故以4%的空隙率作為控制指標(biāo)。由此可以看出，在等體積原則下，加入5%Sasobit 的溫拌瀝青混合料可以降溫25℃，加入4%AH-1 與加入5%Sasobit的降溫效果相當(dāng)，加入5%的AH-1 可以降溫30℃，說明AH-1 溫拌劑不僅降溫效果比Sasobit好，且摻量較低、造價(jià)小，具有很好的應(yīng)用潛力。

通過不同摻量溫拌劑AH-1 和Sasobit 對SBS常規(guī)性能（針入度、延度、軟化點(diǎn)）、布什黏度和壓實(shí)特性空隙率等指標(biāo)的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)兩種溫拌劑對SBS 改性瀝青均有較好的降溫效果，且4%AH-1 的降溫效果與5%Sasobit 的降溫效果一樣。

3.2 溫拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)作為我國評價(jià)瀝青混合料高溫性能最普遍的手段被研究者廣泛使用。本文采用車轍試驗(yàn)研究混合料質(zhì)量比不同摻量（3%、4%、5%）AH-1 的SBS 瀝青和5%Sasobit SBS 改性瀝青高溫穩(wěn)定性的影響。其中，車轍試驗(yàn)條件為：輪壓0.7 MPa±0.05 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃±1℃，輪碾速度為42 次/min，記錄加載45 min 和60 min 的車轍深度。

以動(dòng)穩(wěn)定度作為試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算公式如下：

式中：DS 為動(dòng)穩(wěn)定度（次/mm）；t2、t1為試驗(yàn)時(shí)間，t1=45 min，t2=60 min；d1、d2為t1、t2時(shí)間對應(yīng)的車轍深度（mm）；N 為碾壓速率，本文取42 次/min；C1、C2分別為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)和試件系數(shù)，本文均取1。

每組混合料作3 次平行試驗(yàn)，取3 次試驗(yàn)的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖6 可知，AH-1 溫拌劑和Sasobit 均能顯著提高SBS 改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度，增加其高溫穩(wěn)定性。隨著AH-1 摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度從5 867 次/mm 提升至6 013 次/mm、6 579 次/mm、6 752 次/mm，提升幅度達(dá)2.48%、12.13%、15.10%。而5%SasobitSBS 改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為7 236 次/mm，較SBS改性瀝青提升幅度達(dá)23.33%。分析認(rèn)為，在溫度較高時(shí)，兩種溫拌劑均在瀝青中析出微晶蠟三維加固結(jié)構(gòu)，阻止了瀝青混合料界面之間的相對滑移，從而提高了瀝青混合料的抗車轍性能。與此同時(shí)，Sasobit溫拌劑的高溫改性作用比同摻量下的自制AH-1 作用更好，Sasobit 的高溫性能提高效果較AH-1 更為明顯。

3.3 溫拌瀝青混合料的低溫開裂性能

通常采用瀝青混合料彎曲試驗(yàn)測試瀝青混合料的低溫性能。試驗(yàn)溫度為-10℃±0.5℃，加載速率為50 mm/min。記錄荷載-位移曲線并計(jì)算彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變。

計(jì)算公式如下：

式中：RB為試件的抗彎拉強(qiáng)度（MPa）；εB為試件的最大彎拉應(yīng)變（με）；SB為試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量（MPa）；b 為試件的寬度（mm）；h為試件的高度（mm）；L 為試件的跨徑（mm）；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載（N）；d 為試件破壞時(shí)的跨中撓度（mm）。

每組混合料作3 次平行試驗(yàn)，取3 次試驗(yàn)的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

如圖7 所示，AH-1 溫拌劑和Sasobit 的加入都對SBS 改性瀝青的低溫抗裂性能有劣化影響。

隨著AH-1 摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變從3 114 με 下降至3 056 με、2 819 με、2 683 με，下降幅度達(dá)1.86%、9.47%、16.06%。而5%Sasobit SBS 改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)?362 με，較SBS 改性瀝青下降幅度達(dá)24.14%。彎拉應(yīng)變代表瀝青混合料抵抗開裂的能力，其彎拉應(yīng)變越小，瀝青混合料越硬，低溫抗裂性能越差。分析認(rèn)為，有機(jī)降黏劑中含有微晶蠟的成分結(jié)晶將劣化SBS 混合料低溫性能。與此同時(shí)，Sasobit 的降低幅度明顯大于AH-1，且低于規(guī)范值2 500 με，AH-1 雖然對瀝青混合料的低溫性能有不利影響，但仍然滿足規(guī)范要求。

3.4 溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性采用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度進(jìn)行測定。其中一組馬歇爾試件在60℃±1℃條件下保溫30 min，測試其穩(wěn)定度記為MS；另一組置于60℃±1℃條件下保溫48 h，測試試件的馬歇爾穩(wěn)定度記為MS1，根據(jù)式（5）計(jì)算浸水殘留穩(wěn)定度MS0。

式中：MS0為浸水殘留穩(wěn)定度（%）；MS 為水浴30 min的馬歇爾穩(wěn)定度（kN）；MS1為水浴48 h 的馬歇爾穩(wěn)定度（kN）。

每組混合料做3 次平行試驗(yàn)，取3 次試驗(yàn)的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度

如圖8 所示，AH-1 溫拌劑和Sasobit 的加入都對SBS 改性瀝青的抗水損害性能有劣化影響。隨著AH-1 摻量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度從10.25 kN 下降至9.86 kN、9.21 kN、8.04 kN，下降幅度達(dá)3.81%、10.14%、21.56%。而5%Sasobit SBS 改性瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度為7.12 kN，較SBS 改性瀝青下降幅度達(dá)30.53%。另外，AH-1 摻量（3%、4%、5%）和5%Sasobit 的浸水殘留物穩(wěn)定度分別為86.2%、84.4%、83.5%、76.2%，較SBS 改性瀝青混合料的浸水殘留物穩(wěn)定度87.3%分別下降了1.0%、2.8%、3.7%和11.1%。說明加入AH-1 溫拌劑或者Sasobit 會(huì)對瀝青混合料的水穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，尤其是摻加了5%Sasobit 的溫拌瀝青混合料，其浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比低于規(guī)范要求，需要采取一定的抗水損害措施。

4 結(jié)語

（1）AH-1 和Sasobit 對瀝青的常規(guī)性能有很大影響，兩者均對瀝青的高溫性能有改善作用，對瀝青的低溫性能有不利影響，且Sasobit 的影響程度較AH-1 大。

（2）AH-1 和Sasobit 均能大幅度降低瀝青的高溫黏度，4%摻量的AH-1 與5%摻量的Sasobit 降黏效果相當(dāng)，但采用黏溫曲線確定SBS 溫拌瀝青的拌合和成型溫度不可靠。從經(jīng)濟(jì)效益上確定4%AH-1作為最佳溫拌劑種類和摻量。

（3）通過等體積法確定4%AH-1 溫拌瀝青混合料比原樣瀝青混合料的拌合和成型溫度低25℃，與5%Sasobit 的降溫效果相近，但AH-1 溫拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于Sasobit。同時(shí)，AH-1 對低溫抗裂性能的劣化程度相對較小，且滿足規(guī)范使用要求。后續(xù)將對AH-1 SBS 溫拌改性瀝青的低溫性能作相應(yīng)的改善。