溫拌劑對泡沫溫拌瀝青性能的影響及微觀表征研究

黃中文　胡隆

摘要：為研究液態溫拌劑對瀝青發泡過程的影響，文章采用發泡技術并加入溫拌劑制備了泡沫溫拌瀝青，在123 ℃～163 ℃的溫度范圍內對其進行短期老化處理，研究施工過程中溫度的降低對瀝青的性能影響；采用發泡試驗、黏度試驗、多重應力與蠕變恢復（MSCR）試驗以及紅外光譜（FTIR）試驗評價溫拌瀝青的性能表征與微觀機理。試驗結果表明：發泡技術使得瀝青的高溫穩定性下降，而溫拌劑可改善其老化溫度敏感性；發泡技術和溫拌劑的綜合使用不會對瀝青高溫性能產生負面影響，還能降低其黏度來改善混合料的施工和易性。同時，FTIR試驗表明，未發現發泡工藝對瀝青的化學結構有明顯影響。

關鍵詞：道路工程；泡沫溫拌瀝青；流變性能；短期老化；紅外光譜

0引言

基于綠色、耐久的瀝青路面建設背景下，溫拌瀝青（WMA）技術在瀝青路面施工的應用已成為研究熱點［1］。一般來說，WMA技術的原理是降低瀝青的黏度，從而降低瀝青混合料的拌和與壓實溫度，施工溫度的降低也有助于減少建設過程中的能源消耗和廢氣排放［2］。在此過程中，應確保WMA技術的應用不會損害瀝青混合料的路用性能，且保證瀝青與集料的粘附性良好。

發泡工藝是一種較為成熟的WMA技術，通過發泡機在一定溫度范圍內制備溫拌瀝青，但通常需要使用抗剝落劑來保證瀝青與集料的粘附性［3-4］。因此，可以考慮使用發泡工藝并結合其他技術改善泡沫溫拌瀝青的性能缺陷，即通過將水添加到瀝青中形成多相泡沫體系，在此過程中瀝青的體積增加，并采用抗剝落劑增強瀝青與集料的粘附性，同時由于泡沫中的瀝青膜厚度減少，促進了瀝青基體的剪切稀化機理，使瀝青的黏度下降從而提高施工和易性［5］。近年來的研究結果表明，發泡工藝對瀝青性能的影響往往相互矛盾，特別是在老化過程后的結果存在差異性［6］。同時，目前的研究很少從短期老化和高溫性能的角度研究泡沫溫拌瀝青的性能，而這對促進WMA瀝青混合料技術發展是至關重要的。

綜上所述，基于發泡工藝和液態溫拌劑的綜合使用，應研究二者的協同作用對泡沫溫拌瀝青的性能影響。溫拌劑的添加可以起到抗剝離劑的作用，進一步改善泡沫溫拌瀝青的性能。本文通過降低短期老化溫度來模擬WMA混合料的施工過程，并對泡沫溫拌瀝青的高溫性能和老化特性進行了一系列試驗，研究了含液態溫拌劑的泡沫溫拌瀝青的性能表征。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

選用70#A級道路石油瀝青作為基質瀝青，其主要技術指標見表1。液態溫拌劑選擇湖南某公司生產胺類溫拌劑，添加量為瀝青重量的0.5%。如表2所示為溫拌劑的基本特性指標。

1.2 泡沫溫拌瀝青的制備

將流動態的基質瀝青倒入到預熱的WLB-10S發泡機中，發泡機的參數設置：水壓為500 kPa；氣壓為400 kPa；瀝青溫度為155 ℃；用水量為瀝青重量的1.5%～3.5%［7］。將溫拌劑與瀝青共同混合在發泡機中，當瀝青達到發泡溫度（155 ℃）后開始進行發泡過程，約15 min后停止，并倒入玻璃容器中在室溫下冷卻。為方便描述不同類型的瀝青試樣，將本次試驗制備的瀝青試樣加以區分，結果如表3所示。

1.3 瀝青性能試驗

采用旋轉薄膜烘箱試驗對瀝青試樣進行短期老化，并將老化溫度分別設置為123 ℃、133 ℃、143 ℃、153 ℃和163 ℃。瀝青試樣的質量為35g±0.5 g，總加熱時間為85 min。采用瀝青膨脹率和半衰期作為指標來研究瀝青的發泡效果；采用針入度、軟化點、布氏黏度作為指標來研究瀝青的物理性能。同時，基于64 ℃的多重應力與恢復試驗，將不可恢復蠕變柔量作為性能指標，由于泡沫溫拌瀝青缺乏彈性性質，未對恢復率進行計算。采用紅外光譜（FTIR）試驗研究了短期老化對泡沫溫拌瀝青的性能影響，通過計算老化特征官能團（亞砜基和羰基）來評價瀝青的化學特性，量化分析了瀝青發泡工藝與溫拌劑對瀝青老化性能的影響。

2 結果與討論

2.1 發泡特性

基于瀝青的膨脹率和半衰期的計算，評價了溫拌劑對基質瀝青發泡特性的影響，得到了瀝青的膨脹率和半衰期隨用水量的變化曲線，并采用線性擬合建立發泡特性與用水量之間的關系模型，見圖1。

由圖1可知，溫拌劑對基質瀝青的膨脹率影響不大，而對瀝青的半衰期有較大的影響。70A與70A-W的發泡特性差異主要表現在后者的半衰期較低，在其用水量范圍內為8～15 s。溫拌劑的添加導致瀝青發泡穩定性提高，而瀝青發泡屬于復雜的熱力學過程，在所有發泡用水量范圍內的瀝青半衰期均明顯降低。基于這些結果和獲得的發泡特性，選擇2.5%的發泡用水量用于后續試驗的泡沫溫拌瀝青制備，無論是否使用溫拌劑，該發泡水用水量可使瀝青具有相近的發泡特性。

2.2 常規性能試驗

對發泡前后的未老化瀝青進行針入度、軟化點和黏度試驗，試驗結果如表4所示。由表4可知，溫拌劑的引入和發泡工藝均對瀝青的針入度、軟化點和黏度有所影響。發泡處理后瀝青的針入度增加、軟化點降低，而加入溫拌劑后可以在一定程度上彌補其高溫性能的衰減。

瀝青的布氏黏度是衡量其流動阻力的指標，可用于評價瀝青混合料的施工和易性。由表4可知，發泡工藝或使用溫拌劑均會降低瀝青的黏度，且同時采用兩種方法能將其降黏效應最大化。黏度試驗結果表明，由于泡沫溫拌瀝青的自發泡過程和試驗旋轉過程中的體積膨脹，發泡工藝和溫拌劑的綜合使用可以在拌和與壓實溫度下顯著降低瀝青黏度。然而，應該重視的是70A-W黏度的降低可能僅是因溫拌劑化學作用的影響，這種溫拌劑的長期使用性能仍需要進一步的研究。

2.3 高溫性能試驗

如圖2所示為瀝青試樣的不可恢復蠕變柔量（Jnr）隨短期老化溫度的變化規律曲線。由圖2可知，發泡工藝使瀝青的Jnr與老化溫度擬合曲線的斜率降低，當老化溫度較高時，70A-P的Jnr值與70A相比更低，即發泡后瀝青的老化溫度敏感性提高。這種老化溫度敏感性可能與瀝青類型有關，其影響程度還有待后續研究。由圖2還可以發現，將老化溫度從123 ℃增加到163 ℃時，瀝青試樣的Jnr減少近50%，即老化溫度的增加使瀝青Jnr值降低，瀝青的抗車轍性能提高，而這也意味著老化后的硬化瀝青不利于其施工和易性。綜上所述，發泡處理對瀝青的高溫性能具有不利的影響，而通過添加溫拌劑可以降低發泡后瀝青的溫度敏感性。

2.4 FTIR試驗

羰基指數和亞砜基指數能表征有機物的老化程度，研究二者對于揭示瀝青試樣在微觀水平上的化學組成至關重要，計算方式如表5所示。根據瀝青試樣的FTIR試驗結果，確定了羰基指數和亞砜基指數的定量分析結果，如圖3所示為本次試驗的163 ℃短期老化前后瀝青的羰基指數與亞砜基指數。

由圖3可知，瀝青的特征官能團指標（羰基和亞砜基）變化的主要原因是短期老化。短期老化使瀝青的羰基指數顯著提高約550%～650%，而瀝青的亞砜基指數變化較小，約為老化前的35%～95%。換言之，FTIR試驗中羰基官能團的變化主要受老化的影響，瀝青羰基指數的顯著變化是由于該指數在老化前的瀝青試樣中數值很低，而發泡工藝和溫拌劑對于瀝青的亞砜基官能團影響不大。結果表明，未老化瀝青的羰基指數和亞砜基指數經發泡處理增加，表明在瀝青中形成了更強的粘附結構網絡。同時，短期老化后基質瀝青和泡沫溫拌瀝青的官能團老化指標相近，這意味著經過短期老化，70A-P中存在的水分和揮發物的影響有所降低，70A-P的分子結構與70A-WP相似。FTIR試驗中的老化指數與MSCR研究結果一致，即瀝青試樣在短期老化后比未老化瀝青更硬。瀝青的氧化和硬化是瀝青降解的關鍵因素，會導致瀝青發生疲勞和低溫開裂等病害，因此也需要更多的試驗來全面研究老化影響泡沫溫拌瀝青的性能表征。

3 結語

（1）瀝青經發泡工藝處理后黏度降低，而在拌和與壓實溫度范圍內，瀝青經過發泡工藝和溫拌劑的綜合作用也會使瀝青黏度顯著降低。

（2）MSCR試驗結果表明，發泡工藝降低了瀝青的高溫穩定性，而溫拌劑改善了瀝青的老化溫度敏感性。

（3）在短期老化后，泡沫溫拌瀝青的亞砜基指數增長幅值不大，且溫拌劑的加入進一步抑制了與氧化老化產物形成相關的亞砜基指數增加，而其對羰基指數的影響較小。

（4）后續應研究發泡工藝和液態溫拌劑對長期老化和紫外老化后瀝青的性能影響，還應驗證黏度降低對含液態溫拌劑的泡沫溫拌瀝青施工和易性的影響。

參考文獻：

［1］鄭炳鋒，吉增暉，黃 毅，等.泡沫溫拌橡膠瀝青混合料施工能耗與碳排放測算［J］.公路，2022，67（2）：16-23.

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［3］劉圣潔，謝政專，彭愛紅.泡沫溫拌瀝青的玻璃態轉變溫度及低溫性能［J］.深圳大學學報（理工版），2021，38（2）：163-169.

［4］馬在宏，吉增暉，黃 毅，等.泡沫溫拌-橡膠瀝青混合料壓實溫度試驗研究［J］.公路，2020，65（10）：279-285..

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［6］李 瑞.老化對泡沫溫拌瀝青混合料性能的影響［J］.材料科學與工程學報，2019，37（1）：149-154.

［7］溫彥凱，郭乃勝，王 淋，等.泡沫溫拌瀝青膠漿的流變特性及微觀機制分析［J］.材料導報，2020，34（10）：10 052-10 060.

作者簡介：黃中文（1981—），高級工程師，主要從事公路建設監督管理工作。