不同類型溫拌劑對瀝青和混合料性能的影響分析

作者簡介：唐新國（1987—），碩士，工程師，主要從事路橋建設(shè)工程設(shè)計及路面材料研究工作。

摘要：文章結(jié)合市面上兩種溫拌技術(shù)共四款溫拌劑，通過瀝青三大指標(biāo)、DSR（動態(tài)剪切流變試驗）、路用性能試驗研究不同類型溫拌劑對瀝青及混合料性能影響，對比分析兩種技術(shù)的優(yōu)缺點，以確定其應(yīng)用場景。結(jié)果表明：摻加有機降黏類溫拌劑Sasobit、DW后，使瀝青針入度減小、軟化點增大、延度降低、復(fù)數(shù)模量增大，相位角減小；摻加表面活性類溫拌劑APTL、LKW后，瀝青針入度增大、軟化點降低、復(fù)數(shù)模量數(shù)值減小，相位角增大；四種溫拌劑的加入均導(dǎo)致瀝青黏度降低，降低幅度順序為：DWgt;Sasobitgt;APTLgt;LKW。同時，通過路用性能試驗發(fā)現(xiàn)，有機降黏類溫拌劑使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性大幅度提升，低溫穩(wěn)定性降低，而表面活性類溫拌劑則會提升混合料低溫穩(wěn)定性，降低高溫穩(wěn)定性，兩類溫拌劑對水穩(wěn)定性均無不利影響。各地在使用溫拌劑時應(yīng)根據(jù)氣候條件進行選擇，北方地區(qū)宜采用表面活性類溫拌劑，南方地區(qū)宜采用有機降黏類溫拌劑。

關(guān)鍵詞：瀝青；瀝青混合料；溫拌技術(shù)；降黏機理

中圖分類號：U416.03A070223

0 引言

為實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標(biāo)，各行業(yè)已將節(jié)能減排作為約束性指標(biāo)納入行業(yè)發(fā)展的長期規(guī)劃，溫拌技術(shù)是交通行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要技術(shù)之一。我國90%以上高等級路面都是瀝青混合料路面，傳統(tǒng)的熱拌瀝青（HMA）需要在150 ℃～190 ℃的溫度下拌和壓實，拌和溫度過高會造成燃料能源的消耗和瀝青中有毒有害氣體的排放。研究表明，每生產(chǎn)1 t瀝青混合料會有40 kg左右的碳排放，顯然熱拌瀝青混合料已不符合我國低碳環(huán)保理念^［1-3］。在這種背景下，溫拌瀝青混合料（Warm Mix Asphalt，WMA）技術(shù)被廣泛關(guān)注，WMA是通過一系列技術(shù)手段使瀝青混合料拌和溫度降低30 ℃～50 ℃，且混合料路用性能達到規(guī)范要求的技術(shù)，具有節(jié)約能耗、減少排放、減緩瀝青老化、延長施工時間等優(yōu)點。目前市場上溫拌劑種類繁多，大致分為兩類：（1）通過降低瀝青高溫粘度來實現(xiàn)溫拌的有機類溫拌劑；（2）通過改變?yōu)r青與石料間的界面特性，從而提高混合料和易性和可壓實性，以實現(xiàn)溫拌的表面活性技術(shù)^［4-5］。不同類型的溫拌劑對瀝青性能的影響不同，因此，本文搜集了市面上兩種技術(shù)共四款溫拌劑，通過對瀝青三大指標(biāo)和DSR研究溫拌劑對瀝青常規(guī)及流變特性的影響，通過高溫車轍試驗、低溫彎曲和水穩(wěn)定性試驗研究溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響。對比分析兩種技術(shù)的優(yōu)缺點，為溫拌技術(shù)的應(yīng)用及在不同地區(qū)的適用性提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

瀝青為重交70^#基質(zhì)瀝青，溫拌劑共四種，分別為有機降黏類的Sasobit、DW，以及表面活性類的APTL、LKW。

1.2 試驗過程

溫拌瀝青的制備：（1）將基質(zhì)瀝青放置在150 ℃中保溫3 h；（2）根據(jù)廠家提供的資料，四種溫拌劑Sasobit、DW、APTL、LKW的最佳摻量分別為3%、3%、0.5%、0.3%（占瀝青質(zhì)量分數(shù)），將稱量好的溫拌劑分別加入基質(zhì)瀝青中；用玻璃棒攪拌均勻，再用攪拌機以1 500 r/min的剪切速率持續(xù)剪切10 min得到不同類型的溫拌瀝青。

溫拌瀝青性能：通過25 ℃針入度、軟化點、15 ℃延度、布氏黏度試驗，研究不同類型溫拌瀝青的常規(guī)物理性能；通過DSR研究溫拌瀝青的流變特性。

溫拌瀝青混合料性能：通過車轍試驗、低溫彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗研究不同溫拌瀝青混合料之間的性能差異，混合料級配采用AC-13，油石比采用4.6%，混合料級配如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫拌瀝青常規(guī)性能

不同類型溫拌瀝青常規(guī)物理指標(biāo)如圖1所示。

由圖1可知，溫拌劑的加入改變了瀝青的物理性能。摻加有機降黏類溫拌劑Sasobit和DW后，瀝青的針入度分別減小了8.1%和6.1%，軟化點分別增大了11.8%、14.7%，延度分別降低了32%、34.6%。Sasobit、DW的加入降低了瀝青的低溫性能，但提高了高溫性能，這是因為有機降黏類溫拌劑的熔點較高，能在瀝青內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使瀝青結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，宏觀表現(xiàn)為瀝青變硬、模量變大，從而使針入度和延度降低、軟化點增大。

摻加表面活性類溫拌劑APTL和LKW后，相比基質(zhì)瀝青，溫拌瀝青的針入度分別增大了8.8%和6.5%，軟化點分別降低了10.8%和9.0%，而延度幾乎無變化。原因是：（1）表面活性劑改變了瀝青與試驗?zāi)＞咧g的界面特性，使其表面能降低，對針入度和軟化點實驗造成影響；（2）表面活性成分對瀝青有增塑作用，最終導(dǎo)致瀝青三大指標(biāo)變化。

從黏溫曲線來看，四種溫拌劑的加入均降低了瀝青的黏度，降低幅度順序為：DW＞Sasobit＞APTL＞LKW。有機降黏類溫拌劑的降黏機理，是在高溫下溫拌劑熔化并以液體形式存在瀝青中，增加瀝青各組分的分散程度，從而達到瀝青降黏作用。而表面活性類溫拌劑降黏的原因主要是表面活性劑分子降低了瀝青分子間的表面能，使分子間的摩擦力減小，流動性得到改善，從而使黏度降低。

從三大指標(biāo)和黏度來看，有機降黏類溫拌劑可以提升瀝青的高溫性能和降低瀝青的高溫黏度，但對低溫性能有不利影響。表面活性類溫拌劑可以提升瀝青的低溫性能，但對高溫性能有不利影響，兩種溫拌劑對瀝青性能的影響各有優(yōu)劣。

2.2 溫拌瀝青流變特性

下頁圖2為不同溫拌瀝青流變指標(biāo)曲線。由圖2可知，不同類型的溫拌瀝青的復(fù)數(shù)模量隨溫度升高而降低，相位角則相反。相同溫度下，添加Sasobit和DW溫拌劑后瀝青的復(fù)數(shù)模量數(shù)值增大，相位角減小，以46 ℃為例，Sasobit和DW溫拌瀝青的復(fù)數(shù)模量分別比基質(zhì)瀝青增加了26.2 kPa、46.3 kPa，相位角分別減小了5°、7°。這是因為有機降黏類溫拌劑能夠在瀝青內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加瀝青的模量，并且改變?yōu)r青中粘彈性成分的比例導(dǎo)致相位角減小。摻加表面活性類溫拌劑APTL和LKW后瀝青復(fù)數(shù)模量數(shù)值減小，相位角增大，但變化幅度并不明顯，說明表面活性劑改善了瀝青分子之間的界面特性，提高了瀝青的流變性。有機降黏類溫拌劑可以提高瀝青的力學(xué)性能和高溫抗變形能力，在南方夏季溫度較高地區(qū)推薦使用。

2.3 溫拌瀝青混合料路用性能

熱拌瀝青混合料的拌和溫度為160 ℃、擊實溫度為150 ℃。溫拌劑的加入降低了30 ℃拌和及擊實溫度，使拌和溫度為130 ℃、擊實溫度為120 ℃。在各自溫度下拌和成型試件，進行路用性能實驗。表2～4為溫拌瀝青混合料的路用性能試驗數(shù)據(jù)，其中溫拌劑標(biāo)號代表不同的溫拌瀝青混合料。

根據(jù)表2～4可知，添加有機降黏類溫拌劑后，瀝青混合料的高溫性能大幅度提升，低溫性能降低。相比熱拌瀝青混合料，Sasobit、DW溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提升了96.2%、112.9%，低溫最大彎拉應(yīng)變分別降低了17%、

20%。而表面活性類溫拌劑APTL、LKW加入瀝青后，抗車轍性能略有降低，但提升了其低溫性能。相比熱拌瀝青混合料，APTL、LKW溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別降低了15.7%、10.6%，最大彎拉應(yīng)變分別增加了8.4%、4.2%。這是因為車轍試驗的溫度是60 ℃，有機類溫拌劑在60 ℃下尚未達到其熔點，在瀝青內(nèi)部與瀝青結(jié)合形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使瀝青結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，抗車轍能力增強，但同時也使瀝青變脆，低溫性能劣化。而表面活性成分對瀝青有增塑作用，使瀝青變軟，柔韌性增加，抗車轍能力下降，但提升了其低溫性能。水穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)變化規(guī)律不明顯，兩類溫拌劑對水穩(wěn)定性無不利影響，均符合規(guī)范要求。

3 結(jié)語

本文通過三大指標(biāo)、黏度、DSR以及路用性能試驗研究了不同類型溫拌劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）摻加有機降黏類溫拌劑Sasobit、DW后，瀝青針入度減小、軟化點增大、延度降低、復(fù)數(shù)模量數(shù)值增大、相位角減小；摻加表面活性類溫拌劑APTL、LKW后，瀝青針入度增大、軟化點降低、復(fù)數(shù)模量數(shù)值減小、相位角增大。從黏溫曲線看，四種溫拌劑的加入均導(dǎo)致瀝青黏度降低，降低幅度順序為：DW＞Sasobit＞APTL＞LKW。有機降黏類溫拌劑熔點較高，在瀝青內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為瀝青變硬、抗變形能力增強，而表面活性劑對瀝青有增塑作用，使瀝青變軟、柔韌性增強。

（2）溫拌劑可降低瀝青混合料拌和溫度30 ℃，有機降黏類溫拌劑使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性大幅度提升，但低溫穩(wěn)定性降低；表面活性類溫拌劑提升混合料的低溫穩(wěn)定性，但降低其高溫穩(wěn)定性。兩類溫拌劑對水穩(wěn)定性無不利影響。

（3）我國南北氣候差異大，應(yīng)根據(jù)不同氣候條件選擇相應(yīng)溫拌劑。有機降黏類溫拌劑可以大幅度提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，隨著全球變暖，我國南方夏季平均氣溫逐年提升，對路面抗高溫性能提出更高的要求，宜采用有機降黏類溫拌劑。北方冬季寒冷，對混合料低溫抗裂性能提出更高的要求，此時宜采用可以提升瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的表面活性類溫拌劑。

參考文獻

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