溫拌劑對(duì)瀝青混合料性能的影響研究

■林 斌

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省公路水運(yùn)重點(diǎn)試驗(yàn)室，福州 350001)

溫拌劑對(duì)瀝青混合料性能的影響研究

■林 斌1,2

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所;2.福建省公路水運(yùn)重點(diǎn)試驗(yàn)室，福州 350001)

國家早在《十一五綱要》中就提出了單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右，溫拌瀝青的出現(xiàn)則為交通行業(yè)的節(jié)能減排工作做出了貢獻(xiàn)。本文從對(duì)溫拌瀝青的性能分析入手，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了溫拌瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性等路用性能，并對(duì)國內(nèi)的研究試驗(yàn)方法提出了建議。

溫拌瀝青 溫拌瀝青混合料 路用性能

目前我國大多采用傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料HMA (HotMixtureAsphalt)，這種工藝的瀝青混合料是將瀝青和礦料分別加熱到150℃和160～180℃左右，再在160℃的高溫下進(jìn)行拌和，而攤鋪和碾壓時(shí)的溫度也不得低于120℃，因此不僅要消耗大量的能源，而且在生產(chǎn)和施工的過程中還會(huì)排放大量的廢氣和粉塵，周圍的環(huán)境和施工人員的健康受到嚴(yán)重影響。溫拌技術(shù)是一種新興的綠色技術(shù)，該技術(shù)通過一定的措施，使混合料可以在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌和、攤鋪與壓實(shí)，同時(shí)保持其技術(shù)性能不低于HMA，這樣就節(jié)省了能源的消耗和煙塵的排放。除此之外，溫拌技術(shù)還能延長設(shè)備的使用壽命，提高交通開放的效率等。

1 溫拌劑簡(jiǎn)介

本文采用兩種不同類型的溫拌劑，分別為南非Sasol-Wax公司生產(chǎn)的Sasobit溫拌劑和美國Meadwestvaco公司生產(chǎn)的Evotherm第二代溫拌劑 (DAT)。

溫拌劑Sasobit也被稱作固體石蠟，外觀呈白色或者淡黃色的固體小顆粒，如圖1所示。其化學(xué)成分為合成的長鏈飽和碳?xì)浠衔?，?dú)特的化學(xué)組成使其廣泛用于瀝青混合料中，具有優(yōu)良的性能。其作用機(jī)理是通過降低瀝青膠結(jié)料的高溫粘度，但不降低其低溫粘度，從而降低瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度。

Evotherm第二代產(chǎn)品 (DAT)為一定濃度的暗黃色水溶液，主要成分是表面活性劑，如圖2所示，其分子結(jié)構(gòu)由兩部分組成：長碳鏈的親油基團(tuán) (尾部)和極性的親水基團(tuán) (頭部)，而頭部親水、尾部親油的特性決定了表面活性劑在介質(zhì)中向界面位置富集的特性和特殊的介質(zhì)溶解狀態(tài)。其作用機(jī)理是通過少量的表面活性劑、水與瀝青在拌和中的共同作用，借助強(qiáng)大的分散能力實(shí)現(xiàn)彼此融合，在膠結(jié)料內(nèi)部形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)水膜，水膜潤滑作用不受溫度影響，溫度下降時(shí)，水膜潤滑作用能夠很大程度抵消瀝青粘度增大的影響，顯著增加瀝青混合料在較低溫度時(shí)的拌和工作性，從而實(shí)現(xiàn)溫拌，但其本身不具降粘的效果。

圖1 Sasobit溫拌劑

圖2 DAT溫拌劑

2 溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響

本文選用AH70#基質(zhì)瀝青分別添加Sasobit、DAT兩種溫拌劑制備溫拌瀝青，并測(cè)試AH70#,AH70#+Saso, AH70#+DAT三種瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度，研究?jī)煞N溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 瀝青指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

從表1中分析得出：添加Sasobit的AH70#瀝青指標(biāo)都有明顯變化，針入度明顯降低，表明Sasobit使瀝青變硬、變稠，抗變形能力有所增加；軟化點(diǎn)明顯增大，這是因?yàn)楫?dāng)溫度低于Sasobit熔點(diǎn)時(shí)，Sasobit在瀝青中形成網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青的高溫性能；延度明顯降低，可見Sasobit會(huì)使瀝青變脆，低溫性能降低；粘度明顯降低，符合了Sasobit的作用機(jī)理。而添加DAT的AH70#瀝青指標(biāo)都無明顯變化，這是因?yàn)橹苽銬AT溫拌瀝青時(shí)，DAT中的水溶液己經(jīng)基本揮發(fā)，只殘留少量的表面活性成分，對(duì)瀝青指標(biāo)影響不大。

3 溫拌劑對(duì)瀝青混合料性能的影響

本文通過對(duì)比熱拌混合料及兩種不同類型溫拌混合料的路用性能，分析溫拌劑的降溫效果及對(duì)瀝青混合料性能的影響。

3.1 混合料組成設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用AC-16C瀝青混合料，其合成級(jí)配如表2及圖3所示 (集料級(jí)配以方孔篩作為控制標(biāo)準(zhǔn))，瀝青含量為4.6%。

表2 AC-16C瀝青混合料級(jí)配

圖3 級(jí)配曲線圖

普通基質(zhì)瀝青混合料選取145℃作為壓實(shí)成型溫度，溫拌基質(zhì)瀝青混合料分別選取145℃、130℃ 、115℃和100℃作為壓實(shí)成型溫度，相應(yīng)的拌合溫度比成型溫度高約15℃。通過對(duì)比不同基質(zhì)瀝青混合料在各成型溫度條件下的體積指標(biāo)，探討兩種溫拌劑的降溫效果。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3及圖4所示。

圖4 瀝青混合料成型溫度與孔隙率的關(guān)系

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4 成型溫度與孔隙率的回歸方程

由表3、表4及圖4分析得出，加入溫拌劑以后，瀝青混合料試件孔隙率與成型溫度之間的線性相關(guān)性較好，達(dá)到目標(biāo)孔隙率4.47%時(shí)，添加Sasobit成型溫度約為124℃，下降了21℃，添加DAT成型溫度約為118℃，下降了27℃。這說明在添加了溫拌劑后，成型溫度得到了明顯的降低，而溫拌劑DAT具有更好的降溫效果。

3.2 溫拌瀝青混合料的高溫性能

在我國，大部分地區(qū)夏季最高氣溫都在35℃以上，瀝青路面要求耐受最高溫度要比最高氣溫高25℃，即60℃以上，瀝青路面在車載作用下會(huì)出現(xiàn)車轍等嚴(yán)重影瀝青路面使用性能的危害，所以研究瀝青路面的高溫性能是十分重要的。用于瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)的方法很多，下面將采用車轍試驗(yàn)來進(jìn)行研究。本次車轍試驗(yàn)，使用300mm×300mm×50mm的試件，溫度為60℃，壓強(qiáng)0.7MPa。以得到的成型溫度分別成型混合料試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果如表5及圖5。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖5 動(dòng)穩(wěn)定度

由表5及圖5分析得出：添加Sasobit混合料試件動(dòng)穩(wěn)定明顯提升，這是因?yàn)檐囖H試驗(yàn)溫度低于Sasobit熔點(diǎn)，Sasobit仍以固態(tài)均勻分布在瀝青中形成網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了混合料的勁度，所以提高了瀝青混合料的抗車轍能力。添加DAT混合料試件動(dòng)穩(wěn)定略有提升，這是因?yàn)樵跍囟冗€沒有達(dá)到使溫拌劑DAT內(nèi)部化學(xué)鍵斷裂的時(shí)候，其內(nèi)部親油基團(tuán)吸附了瀝青中流動(dòng)性較大的分子，與瀝青形成一種相對(duì)十分穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，故而提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。通過對(duì)比這兩種溫拌劑的試驗(yàn)結(jié)果，Sasobit對(duì)瀝青混合料的高溫性能影響更大，效果更好。

3.3溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能

瀝青面層的早期破壞多與水損害有關(guān)，水損害是水在汽車動(dòng)載反復(fù)作用下進(jìn)入到瀝青面層空隙里，從而對(duì)瀝青混合料引起沖刷和侵蝕，導(dǎo)致瀝青粘附性下降，瀝青膜從礦料表面脫落，瀝青路面產(chǎn)生坑槽、松散等損壞。由于溫拌瀝青混合料施工時(shí)的溫度降低，集料中的水分并不能完全蒸發(fā)，因此必定會(huì)影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性，這也是目前溫拌技術(shù)中不可避免的缺陷。本文采用瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)來驗(yàn)證溫拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果如表6及圖6。

表6 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖6 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表6及圖6分析得出：三種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比都符合規(guī)范要求。添加Sasobit溫拌劑后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均減小，這說明Sasobit溫拌劑對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性有負(fù)面作用，這是因?yàn)榛旌狭显谳^低的拌和溫度下，集料表面的水分沒有完全蒸發(fā)，導(dǎo)致集料與膠結(jié)料的粘結(jié)能力變?nèi)?，從而降低了瀝青混合料的水穩(wěn)定性；而添加DAT溫拌劑后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均增大，這是因?yàn)镈AT溫拌劑中親油基團(tuán)和親水基團(tuán)的化學(xué)鍵在高溫拌和中斷裂，親水基團(tuán)連接的自由水分子迅速蒸發(fā)，并且?guī)ё呒媳砻娴淖杂伤郑@個(gè)過程起到了降低集料表面含水率的作用，與瀝青抗剝落劑的作用類似，因此溫拌劑DAT提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3.4溫拌瀝青混合料的低溫性能

近年來，無論是冰凍地區(qū)還是非冰凍地區(qū)，均在使用期出現(xiàn)開裂問題，在溫差較大的地區(qū)尤為嚴(yán)重，這是因?yàn)樵诘蜏貤l件下，瀝青混合料所承受的溫度應(yīng)力超過了其所能承受的強(qiáng)度極限。本文采用低溫彎曲破壞試驗(yàn)來驗(yàn)證瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如表7及圖7所示。

表7 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖7 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表7及圖7分析得出：添加Sasobit的瀝青混合料破壞應(yīng)變明顯減小，這說明溫拌劑Sasobit對(duì)瀝青混合料的低溫性能有負(fù)面影響，這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，Sasobit會(huì)與小部分被它吸附又溶解它的瀝青飽和組分一起結(jié)晶析出，瀝青變脆變硬，從而導(dǎo)致混合料低溫性能下降。添加DAT的瀝青混合料破壞應(yīng)變略有降低，但并不明顯，可見溫拌劑DAT對(duì)瀝青混合料的低溫性能影響不大。

4 結(jié)論與展望

本文分別討論了Sasobit與DAT兩種類型溫拌劑對(duì)瀝青及瀝青混合料的影響，得出了如下結(jié)論： (1)添加Sasobit的溫拌瀝青針入度、延度、粘度下降，軟化點(diǎn)增大，而添加DAT的溫拌瀝青影響不大，這是由兩者不同的作用機(jī)理決定的。 (2)通過分析成型溫度與瀝青混合料空隙率的關(guān)系，得出溫拌劑DAT比Sasobit具有更好的降溫效果。 (3)溫拌劑Sasobit可以明顯提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但其對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性和低溫性能的負(fù)面影響也是很明顯的，而溫拌劑DAT在瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和低溫性能方面的影響并不明顯，但其對(duì)于瀝青混合料的水穩(wěn)定性有明顯的提高作用。

本文通過比較熱拌及兩種類型溫拌瀝青混合料的路用性能，得出溫拌技術(shù)相對(duì)于熱拌技術(shù)的優(yōu)劣。由于溫拌技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有比較廣闊的前景，因此完善其技術(shù)上的缺陷，使溫拌技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于實(shí)踐，是今后需要深入研究的方向。

［1］嚴(yán)世祥.溫拌瀝青混合料的應(yīng)用技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007：65.

［2］秦永春，黃頌昌，徐劍，等.溫拌瀝青混合料技術(shù)及最新研究［J］.石油瀝青，2006，20(4)：18-21.

［3］張銳，黃曉明.添加Sasobit的瀝青與瀝青混合料性能分析［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007，7(4)：15-16.