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(tài)溫拌劑對瀝青發(fā)泡過程的影響，文章采用發(fā)泡技術(shù)并加入溫拌劑制備了泡沫溫拌瀝青，在123 ℃～163 ℃的溫度范圍內(nèi)對其進(jìn)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(fā)泡試驗(yàn)、黏度試驗(yàn)、多重應(yīng)力與蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)以及紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)評價溫拌瀝青的性能表征與微觀機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)泡技術(shù)使得瀝青的高溫穩(wěn)定性下降，而溫拌劑可改善其老化溫度敏感性；發(fā)泡技術(shù)和溫拌劑的綜合使用不會對瀝青高溫性能產(chǎn)生負(fù)面影響，還能降低其黏度來改善混合料的施工和易性。同時，F(xiàn)TIR試驗(yàn)表明，未發(fā)現(xiàn)發(fā)泡工藝對瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)有明顯影響。

關(guān)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(shè)背景下，溫拌瀝青（WMA）技術(shù)在瀝青路面施工的應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)［1］。一般來說，WMA技術(shù)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(shí)溫度，施工溫度的降低也有助于減少建設(shè)過程中的能源消耗和廢氣排放［2］。在此過程中，應(yīng)確保WMA技術(shù)的應(yīng)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(fā)泡工藝是一種較為成熟的WMA技術(shù)，通過發(fā)泡機(jī)在一定溫度范圍內(nèi)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(fā)泡工藝并結(jié)合其他技術(shù)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(qiáng)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(jìn)了瀝青基體的剪切稀化機(jī)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(jié)果表明，發(fā)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(jié)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(jìn)WMA瀝青混合料技術(shù)發(fā)展是至關(guān)重要的。

綜上所述，基于發(fā)泡工藝和液態(tài)溫拌劑的綜合使用，應(yīng)研究二者的協(xié)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(jìn)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(jìn)行了一系列試驗(yàn)，研究了含液態(tài)溫拌劑的泡沫溫拌瀝青的性能表征。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選用70#A級道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。液態(tài)溫拌劑選擇湖南某公司生產(chǎn)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(biāo)。

1.2 泡沫溫拌瀝青的制備

將流動態(tài)的基質(zhì)瀝青倒入到預(yù)熱的WLB-10S發(fā)泡機(jī)中，發(fā)泡機(jī)的參數(shù)設(shè)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(fā)泡機(jī)中，當(dāng)瀝青達(dá)到發(fā)泡溫度（155 ℃）后開始進(jìn)行發(fā)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(yàn)制備的瀝青試樣加以區(qū)分，結(jié)果如表3所示。

1.3 瀝青性能試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)對瀝青試樣進(jìn)行短期老化，并將老化溫度分別設(shè)置為123 ℃、133 ℃、143 ℃、153 ℃和163 ℃。瀝青試樣的質(zhì)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(biāo)來研究瀝青的發(fā)泡效果；采用針入度、軟化點(diǎn)、布氏黏度作為指標(biāo)來研究瀝青的物理性能。同時，基于64 ℃的多重應(yīng)力與恢復(fù)試驗(yàn)，將不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃孔鳛樾阅苤笜?biāo)，由于泡沫溫拌瀝青缺乏彈性性質(zhì)，未對恢復(fù)率進(jìn)行計算。采用紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)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(tuán)（亞砜基和羰基）來評價瀝青的化學(xué)特性，量化分析了瀝青發(fā)泡工藝與溫拌劑對瀝青老化性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)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(zhì)瀝青發(fā)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(fā)泡特性與用水量之間的關(guān)系模型，見圖1。

由圖1可知，溫拌劑對基質(zhì)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(fā)泡特性差異主要表現(xiàn)在后者的半衰期較低，在其用水量范圍內(nèi)為8～15 s。溫拌劑的添加導(dǎo)致瀝青發(fā)泡穩(wěn)定性提高，而瀝青發(fā)泡屬于復(fù)雜的熱力學(xué)過程，在所有發(fā)泡用水量范圍內(nèi)的瀝青半衰期均明顯降低。基于這些結(jié)果和獲得的發(fā)泡特性，選擇2.5%的發(fā)泡用水量用于后續(xù)試驗(yàn)的泡沫溫拌瀝青制備，無論是否使用溫拌劑，該發(fā)泡水用水量可使瀝青具有相近的發(fā)泡特性。

2.2 常規(guī)性能試驗(yàn)

對發(fā)泡前后的未老化瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，溫拌劑的引入和發(fā)泡工藝均對瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和黏度有所影響。發(fā)泡處理后瀝青的針入度增加、軟化點(diǎn)降低，而加入溫拌劑后可以在一定程度上彌補(bǔ)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(biāo)，可用于評價瀝青混合料的施工和易性。由表4可知，發(fā)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(yīng)最大化。黏度試驗(yàn)結(jié)果表明，由于泡沫溫拌瀝青的自發(fā)泡過程和試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)過程中的體積膨脹，發(fā)泡工藝和溫拌劑的綜合使用可以在拌和與壓實(shí)溫度下顯著降低瀝青黏度。然而，應(yīng)該重視的是70A-W黏度的降低可能僅是因溫拌劑化學(xué)作用的影響，這種溫拌劑的長期使用性能仍需要進(jìn)一步的研究。

2.3 高溫性能試驗(yàn)

如圖2所示為瀝青試樣的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）隨短期老化溫度的變化規(guī)律曲線。由圖2可知，發(fā)泡工藝使瀝青的Jnr與老化溫度擬合曲線的斜率降低，當(dāng)老化溫度較高時，70A-P的Jnr值與70A相比更低，即發(fā)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(guān)，其影響程度還有待后續(xù)研究。由圖2還可以發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(fā)泡后瀝青的溫度敏感性。

2.4 FTIR試驗(yàn)

羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)能表征有機(jī)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(xué)組成至關(guān)重要，計算方式如表5所示。根據(jù)瀝青試樣的FTIR試驗(yàn)結(jié)果，確定了羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)的定量分析結(jié)果，如圖3所示為本次試驗(yàn)的163 ℃短期老化前后瀝青的羰基指數(shù)與亞砜基指數(shù)。

由圖3可知，瀝青的特征官能團(tuán)指標(biāo)（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(shù)顯著提高約550%～650%，而瀝青的亞砜基指數(shù)變化較小，約為老化前的35%～95%。換言之，F(xiàn)TIR試驗(yàn)中羰基官能團(tuán)的變化主要受老化的影響，瀝青羰基指數(shù)的顯著變化是由于該指數(shù)在老化前的瀝青試樣中數(shù)值很低，而發(fā)泡工藝和溫拌劑對于瀝青的亞砜基官能團(tuán)影響不大。結(jié)果表明，未老化瀝青的羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)經(jīng)發(fā)泡處理增加，表明在瀝青中形成了更強(qiáng)的粘附結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。同時，短期老化后基質(zhì)瀝青和泡沫溫拌瀝青的官能團(tuán)老化指標(biāo)相近，這意味著經(jīng)過短期老化，70A-P中存在的水分和揮發(fā)物的影響有所降低，70A-P的分子結(jié)構(gòu)與70A-WP相似。FTIR試驗(yàn)中的老化指數(shù)與MSCR研究結(jié)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(guān)鍵因素，會導(dǎo)致瀝青發(fā)生疲勞和低溫開裂等病害，因此也需要更多的試驗(yàn)來全面研究老化影響泡沫溫拌瀝青的性能表征。

3 結(jié)語

（1）瀝青經(jīng)發(fā)泡工藝處理后黏度降低，而在拌和與壓實(shí)溫度范圍內(nèi)，瀝青經(jīng)過發(fā)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(yàn)結(jié)果表明，發(fā)泡工藝降低了瀝青的高溫穩(wěn)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(shù)增長幅值不大，且溫拌劑的加入進(jìn)一步抑制了與氧化老化產(chǎn)物形成相關(guān)的亞砜基指數(shù)增加，而其對羰基指數(shù)的影響較小。

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

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作者簡介：黃中文（1981—），高級工程師，主要從事公路建設(shè)監(jiān)督管理工作。