有機溫拌添加劑對瀝青及混合料性能的影響研究

董延琦 王云進 劉斌 陳軍 高偉

摘要 近年來，溫拌添加劑由于在瀝青混合料生產(chǎn)中具有節(jié)能減排的效果而廣受歡迎。溫拌瀝青（WMA）是采用發(fā)泡技術(shù)或降低黏度的添加劑來提高流變性能而生產(chǎn)的。文章對比分析了兩種有機溫拌添加劑（CHW-A和CHW-B有機溫拌劑）在降低瀝青混合料生產(chǎn)黏度和降低溫度方面的效果。將兩種有機溫拌劑分別以1%、2%和3%的摻量與瀝青混合，在三種不同溫度下，測定了瀝青旋轉(zhuǎn)黏度、針入度、軟化點和瀝青混合料剛度以及復(fù)數(shù)模量等性能指標(biāo)。研究表明，溫拌劑在降低瀝青施工時的旋轉(zhuǎn)黏度方面有積極的影響，預(yù)估可使混合料拌和和壓實溫度降低10 ℃左右。對比瀝青混合料性能，當(dāng)CHW-B摻量達到3%時，混合料動態(tài)模量也高于CHW-A配制的混合料。

關(guān)鍵詞 溫拌瀝青；溫拌瀝青混合料；瀝青物理性能；有機添加劑

中圖分類號 U414文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0054-03

0 引言

溫拌瀝青（Warm-mix asphalt， WMA）是近年來由于環(huán)保需求而引入的。新技術(shù)利用機械手段或添加劑的產(chǎn)品，在施工過程中降低瀝青的黏度和抗剪性，從而降低溫度，而不會對性能產(chǎn)生負面影響。

Hurley和Prowell[1]研究了降低熱拌瀝青（HMA）的拌和和壓實溫度而開發(fā)的工藝的適用性，數(shù)據(jù)表明空隙率總體有所減少，在低至90 ℃的溫度下，壓實度有所提高。潛在車轍隨混合和壓實溫度的降低而增大，這可能與低溫下黏結(jié)劑的老化有關(guān)。與混合料相比，沒有證據(jù)表明含有這三種工藝混合料的強度增加隨時間的變化而不同，這表明在開放交通之前延長固化時間不是問題。在生產(chǎn)溫瀝青時使用的較低壓實溫度可能會增加水損的可能性。

Behnood[2]指出，WMA包括一系列在低于熱拌瀝青生產(chǎn)中通常使用的溫度下（主要是通過降低瀝青的黏度）混合和壓實瀝青混合料的技術(shù)。不同的WMA技術(shù)以不同的方式影響?zhàn)そY(jié)劑和混合料的性能。對于路面工業(yè)中使用的WMA技術(shù)及其對WMA混合料的熱機械性能和瀝青黏結(jié)劑的流變性能的影響已有很多研究。

Lushinga等[3]使用兩種硅基WMA助劑制備了橡膠顆粒改性（CRM）WMA瀝青，測定了在不同溫度和剪切速率下黏度的變化，對制備的樣品進行了軟化點和針入度測試、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）、時間掃描、原子力顯微鏡、頻率掃描和傅里葉變換紅外（FTIR）測試。FTIR測試結(jié)果證實了Tego XP和Addbit的CRM黏合劑中存在聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS是一種常見的疏水性有機和無機聚合物，可以提高瀝青和混合料的抗水損性能。添加WMA和不添加WMA的CRM瀝青的形貌顯示橡膠顆粒在瀝青基體中分布良好。WMA的加入增加了黏結(jié)劑的表面粗糙度，這可能與黏結(jié)劑微觀結(jié)構(gòu)性能的變化有關(guān)。

Wang等[4]研究了含WMA添加劑的CRM瀝青黏結(jié)劑的高、中、低溫性能。采用微觀和力學(xué)方法研究了不同混合溫度和時間組合下瀝青—橡膠的相互作用，得出了最佳混合工藝。采用MSCR、線性頻率掃描和低溫頻率掃描實驗研究了WMA添加劑對黏合劑性能的影響。結(jié)果表明，橡膠瀝青黏結(jié)劑在不同溫度范圍內(nèi)均能顯著改善基礎(chǔ)瀝青的黏結(jié)性能。WMA添加劑對黏結(jié)劑性能的影響隨基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的不同而不同。此外，發(fā)現(xiàn)不可恢復(fù)柔量不適合表征橡膠黏合劑的應(yīng)力敏感性，而不可恢復(fù)柔量對于施加應(yīng)力的增量變化是表征橡膠黏合劑的應(yīng)力敏感性的更準(zhǔn)確的方法。

Yu等[5]研究了回收方法對溫拌膠粉改性瀝青混合料（WCRMAs）整體使用性能的影響。根據(jù)模糊邏輯，采用模糊綜合評價法對瀝青混合料的性能等級進行量化。結(jié)合華南地區(qū)的實際情況，運用層次分析法建立了各屬性的權(quán)重矩陣。實驗結(jié)果表明，回收方式對WCRMAs的使用性能有顯著影響。研究結(jié)果表明，對于氣候濕熱的中國南方地區(qū)，將橡膠屑回收為蠟基WCRMAs的最佳方法是先將瀝青—橡膠（AR）和Sasobit溫拌劑混合，然后將其摻入骨料中。在多雨地區(qū)，由AR、Sasobit溫拌劑和骨料在160 ℃下直接混合而成的瀝青混合料表現(xiàn)出最好的抗?jié)衿茐男阅芎土己玫木C合性能，因此性能可能更好。

近年來，人們對各種溫拌瀝青混合料進行了廣泛的評估，但很少有研究探討有機溫拌添加劑。該研究的主要目的是通過對兩種有機溫拌劑的摻加效果進行對比分析，確定有機添加劑對瀝青性能的影響，確定添加劑類型和含量對瀝青性能的影響。

1 材料

1.1 溫拌劑

該文使用有機添加劑CHW-A和CHW-B，其化學(xué)組分由非甘油酯長鏈羧酸酯、長鏈醇和游離長鏈有機酸組成，是一種石化植物蠟。兩種添加劑分別按重量計以1%、2%和3%摻量摻入瀝青中。添加劑的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，熔融溫度為80～95 ℃。

1.2 溫拌瀝青制備方法

以瀝青重量的1%、2%和3%三種添加量制備溫拌改性瀝青。將添加劑加到瀝青中，采用帶螺旋槳和鋼容器的混合器生產(chǎn)改性瀝青。

將原瀝青在150 ℃下加熱并倒入預(yù)熱過的鋼容器中。盡快將添加劑小心地加到原瀝青中，并在120轉(zhuǎn)/min下混合10 min、20 min和30 min，使全部添加劑溶于瀝青中。然后將改性后的瀝青取出，冷卻至室溫。

2 有機溫拌劑對瀝青性能的影響分析

2.1 有機溫拌劑對瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的影響

黏度決定了瀝青生產(chǎn)、拌和以及壓實過程中的流動性，對瀝青混合料的施工和易性有顯著影響。通過旋轉(zhuǎn)黏度儀測定溫拌瀝青的黏度值，可以用來確定瀝青混合料的拌和和壓實溫度。瀝青的黏度隨添加劑種類和含量的變化而變化，如圖1所示，其中A1表示CHW-A摻量1%的溫拌改性瀝青樣品，O表示未添加溫拌改性劑的原瀝青樣品。未添加溫拌改性劑的原瀝青平均拌和溫度和壓實溫度范圍分別為163.5～164 ℃和152.8～153.4 ℃。在所有測試溫度下，溫拌改性瀝青的黏度都小于原瀝青的黏度。溫拌劑的添加使拌和和壓實溫度降低10 ℃，如表2所示。

2.2 有機溫拌劑摻量對瀝青針入度和軟化點的影響

如圖2所示，圖2（a）中CHW-A和CHW-B在不同濃度下的針入度和軟化點值，其中1%摻量的CHW-B會導(dǎo)致原瀝青的針入度值顯著增加。隨著CHW-B劑量的增加，針入度值逐漸降低，而CHW-A改性劑對瀝青的針入度值幾乎沒有影響。

圖2（b）為溫拌改性瀝青的針入度和軟化點相對于原瀝青針入度和軟化點的百分比。溫拌改性瀝青的高熔點表明瀝青在這樣的高溫下有流動的趨勢。針入度的增加意味著降低施工溫度的可能性。

3 有機溫拌劑對混合料動態(tài)模量的影響分析

對SMA-13和AC-20混合料開展動態(tài)模量試驗，分別測定了10 Hz加載頻率以及0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃8種溫度下，瀝青混合料動態(tài)模量曲線圖，如圖3所示。

由圖3（a）可以看出，隨著CHW-B添加劑摻量的增加，瀝青混合料的動態(tài)模量逐漸升高。CHW-A添加劑摻量對瀝青混合料的動態(tài)模量影響較小，這與前述瀝青膠結(jié)料的試驗結(jié)果規(guī)律基本一致，說明CHW-A添加劑摻量對于瀝青和混合料性能影響較小，可以考慮采用最低摻量來提升經(jīng)濟效益。與未添加溫拌劑的普通瀝青混合料相比，添加CHW-A的溫拌瀝青混合料動態(tài)模量略高，而添加CHW-B的溫拌瀝青混合料動態(tài)模量變化范圍較大，其中3%摻量下動態(tài)模量高于普通瀝青混合料和添加CHW-A的溫拌瀝青混合料。

由圖3（b）可以看出，對于AC-20瀝青混合料類型，其動態(tài)模量的變化趨勢與SMA-13較為相似。其中3%CHW-B摻量下混合料動態(tài)模量與CHW-A混合料動態(tài)模量相近，均高于普通瀝青混合料。

4 結(jié)論

該文對比分析了兩種有機溫拌添加劑對瀝青與混合料性能的影響，形成了如下結(jié)論：

（1）溫拌劑在降低瀝青施工時旋轉(zhuǎn)黏度方面有積極的影響，預(yù)估可使混合料拌和和壓實溫度降低10 ℃左右。

（2）CHW-A和CHW-B均具有提高軟化點和針入度的效果，其中CHW-A對主要影響軟化點，對針入度影響較小。

（3）當(dāng)CHW-B摻量達到3%時，混合料動態(tài)模量高于普通瀝青混合料和CHW-A配制的混合料。

參考文獻

[1] Hurley G C， Prowell B D. Evaluation of potential proce-sses for use in warm mix asphalt （With Discussion）[J]. Journal

of the Association of Asphalt Paving Technologists， 2006（4）：41-90.

[2]Behnood A. A review of the warm mix asphalt （WMA） technologies： Effects on thermo-mechanical and rheological properties[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 259： 120817.

[3]Lushinga N， Cao L， Dong Z， et al. Performance evaluation of crumb rubber asphalt modified with silicone-based warm Mix additives[J]. Advances in Civil Engineering， 2020， 2020： 1-17.

[4]Wang H， Liu X， Zhang H， et al. Asphalt-rubber interaction and performance evaluation of rubberised asphalt binders containing non-foaming warm-mix additives[J]. Road materials and pavement design， 2020（6）： 1612-1633.

[5]Yu H， Chen Y， Wu Q， et al. Decision support for selecting optimal method of recycling waste tire rubber into wax-based warm mix asphalt based on fuzzy comprehensive evaluation[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 265： 121781.