Honeywell溫拌劑在SMA瀝青混合料中的添加方法及性能研究*

宋小金，樊亮，林江濤，李永振

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙,410082； 2.湖南中大建設(shè)工程檢測設(shè)計有限公司，湖南 長沙，410205；3.山東省交通科學研究院，山東 濟南，250031)

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Honeywell溫拌劑在SMA瀝青混合料中的添加方法及性能研究*

宋小金1,2，樊亮3?，林江濤3，李永振3

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙,410082； 2.湖南中大建設(shè)工程檢測設(shè)計有限公司，湖南 長沙，410205；3.山東省交通科學研究院，山東 濟南，250031)

基于SMA-13瀝青混合料，對Honeywell溫拌劑進行了干法、濕法工藝的路用性能評價，并與SBS改性瀝青混合料進行了對比.結(jié)果表明，該溫拌劑在濕法使用時，可以賦予基質(zhì)瀝青較高的模量和高溫粘度，并在30～65 ℃溫度區(qū)間保持穩(wěn)定粘彈性結(jié)構(gòu)，降低瀝青的溫度敏感性.在干法使用時，該溫拌劑可以在玄武巖顆粒表面形成裹附膜，有效提高瀝青與玄武巖集料的粘附性等級；在采用基質(zhì)70號瀝青相同的生產(chǎn)溫度下，干法添加0.3%的溫拌劑生產(chǎn)的SMA混合料較好地滿足了改性瀝青混合料的相關(guān)要求，其路用性能與SBS改性瀝青混合料相差不大，實現(xiàn)了一定的溫拌效果.

溫拌劑；瀝青混合料；溫拌效果；瀝青-粘度；路用性能

近幾年，瀝青改性劑或添加劑技術(shù)層出不窮，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，溫拌劑即是其一.2010年，美國霍尼韋爾(Honeywell)公司宣布了一種用于瀝青改性的新型聚合物溫拌劑，其分子量在5 000～15 000之間，常溫時為固體，在滴點溫度115 ℃以上時發(fā)生液化，使用量為合成礦料質(zhì)量的2‰～3‰之間，可適合用于瀝青改性也適用于瀝青混合料干法生產(chǎn)中，具有降低施工溫度、節(jié)能減排、性價比相對SBS改性劑高的優(yōu)點[1-2].國外研究表明，該類型溫拌劑可以提升基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性，并達到與SBS改性瀝青一致的高溫性能等級，且低溫性能(低溫蠕變勁度和蠕變速率)要優(yōu)于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青；相對于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料，SO2排放量可減少82%，NOx排放量減少43%，揮發(fā)性有機物VOCs減少19%，CO2減少18%[3].綜合來看，這種改性劑具有一定的性能優(yōu)勢，國外的應用已具成效，我國還未對此進行太多關(guān)注.

Honeywell公司這種類型的溫拌劑具有較低的滴點軟化溫度范圍，且低于礦料的加熱溫度，所以這種溫拌劑既適合拌合鍋直投(干法)也適用于瀝青的改性過程(濕法).根據(jù)這個特點，本文基于SMA-13型瀝青混合料和70號道路瀝青，對這種改性劑進行干法、濕法瀝青混合料的生產(chǎn)和性能評價，結(jié)合常用的I-D型SBS改性瀝青混合料進行綜合性能對比，以探討該改性劑的使用優(yōu)勢.

1 原材料

1.1 瀝青與溫拌劑

為了對比試驗的需要，膠結(jié)料選用工地正常使用的、滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[4]中I-D型的SBS改性瀝青及A級道路石油瀝青70號.Honeywell改性劑為7686型(簡稱H)，為淡黃色粉末，粒度為5目，基本物理性質(zhì)如表1所示，加熱試驗表明改性劑在160 ℃以上可完全液化，易流淌.

表1 Honeywell 7687溫拌劑基本物理特性Tab.1 Basic physical properties of Honeywell 7687 type additives

1.2 集料、礦粉與纖維

SMA-13型混合料采用玄武巖質(zhì)集料，其規(guī)格分別為10～15 mm,5～10 mm及0～3 mm，填充料為石灰?guī)r礦粉，材料產(chǎn)地為內(nèi)蒙古大青山玄武巖料場，其物理性能指標滿足JTG F40-2004規(guī)范中的相關(guān)技術(shù)要求.礦粉選擇濟南長青石灰?guī)r質(zhì)礦粉，潔凈干燥，可以自由流淌.纖維為木質(zhì)素纖維，其技術(shù)規(guī)格滿足JTG F40-2004規(guī)范之規(guī)定.

2 試驗安排

2.1 混合料合成與制備

按照三檔集料的篩分結(jié)果，及《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范 》(JTG F40-2004)所規(guī)定SMA-13級配范圍進行礦料組成設(shè)計，礦料配合比及合成級配通過率如表2和表3所示.

表2 SMA-13型瀝青混合料礦料配合比Tab.2 Mineral aggregates composition of SMA-13 type asphalt mixture

表3 SMA-13型礦料合成級配Tab.3 Synthetic gradation of SMA-13 type mixture

表4 SMA-13型混合料生產(chǎn)參數(shù)Tab.4 Appling parameters of SMA-13 type mixtures

注：①H溫拌劑摻量為合成礦料的質(zhì)量分數(shù)，在濕法生產(chǎn)過程中，換算成瀝青質(zhì)量的4.92%進行改性瀝青制備，而后進行瀝青混合料的拌制.

②添加H溫拌劑混合料的油石比，均是70號瀝青與H溫拌劑的質(zhì)量總和與礦料質(zhì)量的比值.

試驗分別以SBS改性瀝青、70+H濕法(簡稱:70HW)、70+H干法(簡稱:70HD)為膠結(jié)料，輔以0.3%的木質(zhì)素纖維進行瀝青混合料的拌制.參考SBS改性瀝青在SMA-13混合料中的應用經(jīng)驗值，并為了利于三種瀝青混合料的性能對比，采用馬歇爾試驗方法確定三種混合料的最佳油石比均為6.1%.

三種瀝青混合料的拌合壓實按照表4參數(shù)進行，其中添加Honeywell溫拌劑的混合料按照70號瀝青粘溫曲線得到施工溫度進行混合料拌制，SBS改性瀝青按照廠家提供的參考溫度進行.

2.2 性能評價試驗

瀝青試驗主要對三種瀝青(70號、SBS改性瀝青、以及添加H溫拌劑的瀝青70HW)的軟化點、復數(shù)模量、相位角、高溫粘度進行評價.其中復數(shù)模量和相位角的獲取在動態(tài)剪切流變儀上進行，在剪切頻率10 rad/s，應力水平100 Pa條件下進行30～65 ℃范圍內(nèi)的溫度掃描試驗[5].軟化點和高溫粘度按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[6]中的T0606，T0625進行.

瀝青混合料性能試驗主要包括高溫車轍試驗(T0719)、凍融劈裂試驗(T0729)及低溫彎曲試驗(T0715)等.并基于粘附性等級試驗(水浸法T0616)對添加H溫拌劑的礦料粘附性進行了評價.

3 討論與分析

3.1 H溫拌劑對瀝青性能的影響

利用濕法改性瀝青的檢測結(jié)果表明，70號瀝青、70HW瀝青、SBS改性瀝青的軟化點分別為46.5 ℃，53.5 ℃，76 ℃，依次升高，從這種常規(guī)指標中僅能看出SBS改性瀝青具有較高的軟化點.而在動態(tài)剪切溫度掃描試驗中，三種瀝青性質(zhì)的細微差別即可表現(xiàn)出來.圖1和圖2分別為三種瀝青的復數(shù)模量、相位角隨溫度的變化情況，從中可以看出：

圖1 復數(shù)模量隨著溫度的變化Fig.1 Compound modulus and temperature

圖2 相位角隨著溫度的變化Fig.2 Phase angles and temperature

圖3 車轍因子隨著溫度的變化Fig.3 Rutting factors and temperature

圖4 粘度隨著溫度的變化Fig.4 Viscosity and temperature

1)所有瀝青的復數(shù)模量均隨著溫度的升高而逐漸降低，并呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系.在同溫度下基質(zhì)70號瀝青的G*值最小，添加4.92% H溫拌劑的70HW改性瀝青和SBS改性瀝青具有較高的G*值；但是70HW和SBS改性瀝青在50 ℃左右發(fā)生模量大小的轉(zhuǎn)變，高于50 ℃時SBS改性瀝青的模量，低于50 ℃時，70HW瀝青的模量稍大.

2)盡管三種瀝青的模量-溫度變化規(guī)律相同，但在粘彈性組成(相位角)上存在較大的差異.在30～65 ℃范圍內(nèi)，70號瀝青的相位角分布在76～90°之間，且隨著溫度升高相位角趨近于90°，逐漸呈現(xiàn)粘流態(tài)；70HW改性瀝青相位角分布在74～76°之間，隨著溫度升高而變化幅度很小，其粘彈性結(jié)構(gòu)保持相對穩(wěn)定；而SBS改性瀝青相位角分布在62～65°之間，隨著溫度升高呈現(xiàn)非單調(diào)性的變化.

3)結(jié)合模量和相位角計算出瀝青的車轍因子G*/sinδ變化圖(見圖3)，發(fā)現(xiàn)70號瀝青車轍因子最?。欢诟哂?5 ℃后，SBS改性瀝青車轍因子偏大，在低于45 ℃時，70HW的車轍因子則略高于SBS改性瀝青.同時，利用旋轉(zhuǎn)粘度計測試的高溫粘度表明(見圖4)，120～180 ℃高溫區(qū)間，添加H溫拌劑要比基質(zhì)瀝青的粘度高很多，說明這種溫拌劑降低施工溫度達到溫拌的效果并不是靠瀝青粘度的降低來實現(xiàn)的.

由此綜合來看：在30～65 ℃范圍內(nèi)，4.92%的H溫拌劑可以賦予70號基質(zhì)瀝青較高的模量值，粘彈性結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，彈性分量相對較高；相對于高分子量的SBS劑，H溫拌劑并不能使瀝青達到更低的相位角，對基質(zhì)瀝青的彈性分量的貢獻不如SBS改性劑.在瀝青高溫穩(wěn)定性上，SBS改性瀝青表現(xiàn)會更好，但在45 ℃以下溫度，70HW瀝青較高的模量應該不利于疲勞性能和低溫性能的改善.而且粘度數(shù)據(jù)表明這種溫拌劑的溫拌行為不是瀝青粘度降低的結(jié)果.

3.2 H溫拌劑對集料粘附性能的影響

在利用0.3%H溫拌劑進行干法生產(chǎn)瀝青混合料時，需要先將H溫拌劑與熱集料進行預拌，而后加入70號瀝青進行混合料的制備.試驗發(fā)現(xiàn)，H溫拌劑熔化后會在玄武巖集料表面裹附一層膜(圖5(b))，可以有效地提高瀝青與玄武巖質(zhì)集料顆粒的粘附等級.為確定這一現(xiàn)象，本文對兩份玄武巖集料(9.5～13.2 mm)進行水浸法(T0616)的粘附性等級驗證和對比.

正如已有研究一樣[7]，70號瀝青與玄武巖顆粒的粘附性等級常在3左右，圖5(c)中的未經(jīng)過H溫拌劑處理的粘附等級即是如此，但是對集料經(jīng)過0.3%H溫拌劑預處理后，同樣70號瀝青與此集料的裹附行為大為改善，粘附性等級達到5級(圖5(d)).由此說明，干法生產(chǎn)中H溫拌劑與礦料拌合時，會在集料的表面形成一層膜，這種有機膜既能提高瀝青與集料的粘附性，也可能會降低集料顆粒間的摩擦力，增加拌合過程中的潤滑性，達到文獻中提到的溫拌效果.

3.3 H溫拌劑對瀝青混合料的影響

按照表2和表4設(shè)置的合成礦料及控制參數(shù)，對70HW,SBS改性瀝青以及基于70號瀝青的70HD干法工藝進行瀝青混合料試件的制備，并分別進行高溫車轍、凍融劈裂和低溫彎曲小梁試驗，最終各評價項目的平均結(jié)果列于表5.分析認為：

1)對于同一種SMA瀝青混合料，采用干法、濕法添加H溫拌劑時，可以達到與SBS改性瀝青接近的動穩(wěn)定度，但在整體抗變形能力上均不如SBS改性瀝青；這與瀝青混合料中膠結(jié)料形式有關(guān).

表5中的動穩(wěn)定度數(shù)據(jù)和圖6中車轍變形曲線表明，三種瀝青混合料的動穩(wěn)定度均能達到相應的技術(shù)要求，而且三者的動穩(wěn)定度相差不大，但在圖6中的變形曲線中，70HD干法形成的瀝青混合料變形量最大，70HW次之，而SBS改性瀝青混合料變形量最小.這種動穩(wěn)定度相近和整體變形量差別大的原因在于：一方面，現(xiàn)行規(guī)范采用壓實過程末期的45～60 min的壓實曲線計算動穩(wěn)定度，且這段區(qū)

圖5 H溫拌劑對瀝青粘附性的改善Fig.5 Improvement of adhesion effect for asphalt-aggregate by H type additive

間已經(jīng)處于相對穩(wěn)定的變形區(qū)間，圖6中三種瀝青混合料的變形曲線在該時間范圍內(nèi)，彼此近似平行，則其穩(wěn)定度的計算結(jié)果也會相近.這是一些文獻中得到的共識，即現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的動穩(wěn)定度試驗并不能充分地表征不同混合料之間的差別，而壓實過程的整體變形量有一定的表征意義[8-9].所以圖6中混合料整體變形量的差別可以反映不同膠結(jié)料形式的不同性能，如干法混合料依靠70號基質(zhì)瀝青作為膠結(jié)料，而濕法混合料以70HW,SBS改性瀝青為膠結(jié)料，三種膠結(jié)料的軟化點和高溫車轍因子已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的差別(見圖3)，因此按照庫倫摩爾強度理論，同樣的礦料結(jié)構(gòu)下，瀝青粘度越高則能帶來更好的高溫穩(wěn)定性[10-11]，所以SBS,70HW,70HD的高溫穩(wěn)定性有依次降低的現(xiàn)象.

表5 三種瀝青混合料的性能評價與對比Tab.5 Performance evaluation and comparison of three asphalt mixtures

圖6 三種瀝青混合料的車轍變形曲線Fig.6 Rutting depth curves for three asphalt mixtures

2)水穩(wěn)定性上，三種瀝青混合料均能滿足1～3氣候分區(qū)中的瀝青混合料技術(shù)要求，濕法工藝添加H溫拌劑可以達到與SBS改性瀝青接近的水穩(wěn)定性，但是干法使用H溫拌劑時混合料水穩(wěn)定性相對較弱.表5中凍融劈裂強度比數(shù)據(jù)表明，SBS改性瀝青混合料的TSR%值最高，70HW瀝青混合料的TSR%次之，但相對SBS差別不大，70HD瀝青混合料的TSR%最小，說明干法添加H溫拌劑的混合料盡管滿足水穩(wěn)定性要求，但是還有改善的空間，畢竟它能夠提高70號瀝青在玄武巖集料表面的裹附效果，此處應對商家提供的0.3%添加量進行優(yōu)化.

3)低溫性能上，SBS改性瀝青混合料的性能最好，70HW瀝青混合料最差，尚不滿足相關(guān)技術(shù)要求.個中原因仍與瀝青膠結(jié)料的形式有關(guān).按前文論述，70HW瀝青膠結(jié)料在50 ℃以下的模量已經(jīng)超過SBS改性瀝青，極易造成中低溫條件下的模量過大；而70號瀝青和SBS改性瀝青的模量相對較低，所以帶來了較好的低溫性能.

綜合瀝青混合料生產(chǎn)參數(shù)(表4)和上述分析，認為干法添加0.3%H溫拌劑生產(chǎn)的SMA混合料可以較好地滿足改性瀝青混合料的相關(guān)要求，路用性能與SBS改性瀝青混合料相差不大；但相對于SBS改性瀝青混合料的生產(chǎn)，添加H溫拌劑可以使混合料在較低的溫度下生產(chǎn)，實現(xiàn)一定的溫拌效果.在以H溫拌劑進行濕法改性而生產(chǎn)瀝青混合料時，容易存在低溫性能不良的缺點，未來希望在溫拌劑摻量優(yōu)化上進行其路用性能的改善.

4 結(jié)論與建議

通過試驗結(jié)果分析，可以得到如下結(jié)論：

1)Honeywell溫拌劑在濕法使用時，可以提高基質(zhì)瀝青較高的模量和高溫粘度，并在30～65 ℃溫度區(qū)間，賦予基質(zhì)瀝青較為穩(wěn)定的粘彈性結(jié)構(gòu)，降低瀝青的溫度敏感性.但高溫粘度數(shù)據(jù)表明其溫拌效果并不是依靠粘度降低產(chǎn)生的.

2)Honeywell溫拌劑在干法使用時，可以在玄武巖顆粒表面形成膜裹附效果，可有效提高瀝青與玄武巖集料的粘附性等級.混合料性能表明，在采用基質(zhì)瀝青相同的生產(chǎn)溫度下，干法添加0.3%的Honeywell溫拌劑生產(chǎn)的SMA混合料較好地滿足了改性瀝青混合料的相關(guān)要求，其路用性能與SBS改性瀝青混合料相差不大，并實現(xiàn)了一定的溫拌效果.

3)建議對這種新型溫拌劑的使用，不能單純依靠商家提供的摻加量，應對其在濕法改性中的加入量進行優(yōu)化，避免低溫性能不良的缺點；并加強對其物質(zhì)組成和溫拌行為機制的研究，以利于此類溫拌劑的應用.

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Applying Method and Performance Comparison of Honeywell Warm-mixed Additive in SMA Asphalt Mixture

SONG Xiaojin1,2，F(xiàn)AN Liang3?，LIN Jiangtao3，LI Yongzhen3

(1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China； 2.Hunan Zhongda Construction EngineeringTesting Co Ltd,Changsha 410205,China; 3. Shandong Transportation Institute，Ji’nan 250031,China)

Based on SMA-13 asphalt mixture,the pavement performance of a kind of organic warm-mixed additive in dry and wet process was evaluated,and compared with that of SBS asphalt mixture. The experimental results show that the warm-mixed additive can be used as a modifier to give larger modulus and higher temperature viscosity,keep the stability of visco-elasticity structure in 30～65 ℃ranges,and reduce the temperature sensitivity of neat asphalt. In dry-method application,after the surface pretreatment of basalt particles,this warm-mixed additive can effectively improve the cohesive grade between neat asphalt and aggregate. By using the same production temperature of neat asphalt,the SMA mixture with 0.3% warm-mixed additive production in dry process can meet the requirement of the modified asphalt mixture,get the pavement performance close to that of SBS asphalt mixture,and achieve a warm-mixing effect.

warm-mixed additive; asphalt mixture; warm-mixing effect; asphalt cohesive grade; pavement performance

1674-2974(2017)06-0075-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.06.013

2016-05-12

山東省交通科技項目(2012Y01),Science and Technology Project of Transportation of Shandong Province(2012Y01)

宋小金(1980—)，男，山東榮成人，博士研究生，高級工程師?通訊聯(lián)系人，E-mail:fanliang218@sina.com

U416.217

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