溫拌劑的開發(fā)及其瀝青混合料性能的驗證

雷譜春

(陜西省交通建設集團公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

溫拌瀝青混合料具有節(jié)省能源、減少有害氣體和煙塵排放、降低瀝青混合料拌合溫度、突破瀝青路面的施工季節(jié)限制等優(yōu)點，同時擁有與熱拌瀝青混合料相近的路用性能，因此成為一種新型的綠色道路材料。

近年來，國內(nèi)外對溫拌瀝青混合料的研究促進了溫拌技術(shù)的不斷應用，但由于溫拌劑的種類很多、成分復雜，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、作用機理尚未被研究透徹，因此還需要對這項環(huán)保技術(shù)進行大量的研究。目前國內(nèi)研究工作者除了研究溫拌劑對瀝青混合料性能的影響外，還開發(fā)了新的溫拌添加劑，以期在提高混合料路用性能的同時，可以降低造價，簡化制作流程，減少對環(huán)境的污染等。紀小平等的研究表明，Sasobit溫拌劑可降低瀝青的黏度，且黏度隨Sasobit劑量的增加而減小，并在不影響混合料水穩(wěn)定性的情況下提高其抗車轍性能[1]。陳志一等介紹了Aspha-Min、Sasobit、Evotherm三種溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明不同溫拌劑對路用性能的影響程度不同。韓海紅等對溫拌瀝青混合料的壓實特性進行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明集料粒徑的大小、瀝青種類對溫拌瀝青混合料的壓實特性具有較大影響[2]。

本文開發(fā)一種溫拌添加劑并研究其對瀝青高溫性能、低溫性能、溫度敏感性等的影響規(guī)律，并對溫拌瀝青混合料進行路用性能驗證，為溫拌技術(shù)的進一步研究提供一定的參考。

1 溫拌技術(shù)

熱拌瀝青混合料(HMA)作為常用的瀝青路面材料被人們所熟悉，其瀝青、集料加熱溫度以及拌合溫度均超過140 ℃，攤鋪和碾壓溫度不低于110 ℃。HMA的制作使得瀝青和集料的加熱溫度過高，從而造成環(huán)境污染和大量能源消耗。

考慮熱拌瀝青混合料的這些不足，溫拌技術(shù)應運而生。溫拌技術(shù)可降低拌合溫度，即采取一定的技術(shù)措施降低瀝青黏度，拌制溫拌瀝青混合料(WMA)，從而在保證路用性能的前提下降低施工溫度[3-6]。由于國內(nèi)外溫拌技術(shù)發(fā)展水平的差別，施工溫度降低幅度不同，就國內(nèi)技術(shù)水平而言，WMA較HMA可降溫30 ℃左右，但性能仍與HMA相當，可達到溫拌瀝青混合料的設計目的。

國內(nèi)外制作溫拌瀝青混合料的技術(shù)措施主要包括：瀝青-礦物法(Aspha-Min)，即在瀝青混合料拌合過程中加入粉末狀合成沸石，使得瀝青產(chǎn)生發(fā)泡反應，集料在泡沫的作用下更加容易錯動，因此可在較低溫度下進行壓實；泡沫瀝青溫拌法(WAM-Foam)，即先將軟質(zhì)瀝青與石料在110 ℃～120 ℃進行拌合，后將硬質(zhì)泡沫瀝青與預拌的瀝青混合料進行拌合； 有機添加劑法(Sasobit)，即將具有一定熔點范圍的有機添加劑加入瀝青中，從而降低瀝青結(jié)合料的黏度；乳化瀝青類溫拌法(EWMA)，即制備高固含量的乳化瀝青或者直接將皂液濃縮液加入瀝青混合料，可使瀝青混合料拌合溫度降低[7-9]。

本文采用有機添加劑法對瀝青結(jié)合料及溫拌瀝青混合料的性能進行研究，特此開發(fā)出一種溫拌添加劑，記為A1。

2 溫拌添加劑

2.1 溫拌添加劑的開發(fā)

本文開發(fā)的A1溫拌添加劑是一些熔點在105 ℃左右的合成飽和碳氫化合物的混合物，屬于有機溫拌劑，對環(huán)境不會產(chǎn)生污染，在溫度高于120 ℃時以液體形式存在，可很好地溶于120 ℃的瀝青中，從而降低瀝青黏度。當環(huán)境溫度低于添加劑熔點時，A1添加劑在瀝青中可形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)，難以被分解破壞，從而提高瀝青混合料抵抗永久變形的能力。A1添加劑的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 A1添加劑的物理性質(zhì)

2.2 溫拌添加劑對瀝青性質(zhì)的影響

為進一步說明A1溫拌添加劑在120 ℃以上時可更好地溶于瀝青，本文根據(jù)經(jīng)驗將3%(相對于瀝青質(zhì)量)A1溫拌添加劑加入新疆克拉瑪依70#基質(zhì)瀝青中。基質(zhì)瀝青的性質(zhì)如表2所示。

表2 新疆克拉瑪依70#瀝青的性質(zhì)

溫拌基質(zhì)瀝青的制備工藝為：將基質(zhì)瀝青加熱熔融至145 ℃，并保持恒溫，同時加入既定量的溫拌添加劑(外摻法)，攪拌15～20 min。

通過Brookfield II型旋轉(zhuǎn)黏度計測定溫拌基質(zhì)瀝青在120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃及不同剪切速率下的黏度，結(jié)果如表3及圖1所示。

表3 70#瀝青摻入A1后黏度隨剪切速率的變化

圖1 70#瀝青摻入A1后黏度與剪切速率的關(guān)系

由圖1可知，當溫度大于120 ℃時，摻有A1溫拌添加劑的70#基質(zhì)瀝青在各個溫度下的黏度并不隨著剪切速率而變化，即不存在最佳剪切速率使得溫拌添加劑能更好地溶于基質(zhì)瀝青。試驗表明，A1溫拌添加劑通過簡單機械攪拌即可均勻分布在瀝青結(jié)合料中，且不需要專門設計攪拌儀器。摻有溫拌添加劑的瀝青結(jié)合料在較長的后期儲存過程中也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，不產(chǎn)生離析。

2.3 A1添加劑最佳摻量的確定

本文參考國內(nèi)外瀝青黏溫關(guān)系的研究成果[10-15]，采用150～190 cp 和 250～310 cp 黏度對應的等黏溫度作為溫拌瀝青混合料的拌和和壓實溫度；并以此為參考依據(jù)，分別向新疆克拉瑪依70#基質(zhì)瀝青中加入1%、2%、3%、4%、5%的A1溫拌添加劑，測得在80 ℃～150 ℃范圍內(nèi)的瀝青黏度，如表4及圖2所示。

表4 A1添加劑摻量對70#瀝青黏度的影響

圖2 A1添加劑摻量對70#瀝青黏度的影響

由圖2可知，不同A1添加劑摻量的瀝青黏度曲線均在110 ℃處產(chǎn)生了轉(zhuǎn)折，這與A1添加劑本身的物理性質(zhì)有關(guān)。由于A1添加劑的熔點在105 ℃左右，當環(huán)境溫度高于此溫度，A1以液體形式存在于瀝青中，大大降低了瀝青黏度，因此黏度值在熔點溫度附近產(chǎn)生了較大的變化。

根據(jù)圖2曲線，本文推薦A1添加劑最佳摻量為3%～4%。在最佳摻量下，瀝青高溫黏度可降低41%左右。在不影響瀝青各方面性質(zhì)的條件下，摻有3%A1添加劑的溫拌瀝青混合料施工溫度如表5所示。

表5 瀝青混合料的施工溫度

3 A1添加劑對瀝青性能的影響

本文從瀝青的高溫、低溫及感溫性能3個方面對不同A1添加劑摻量進行研究。分別向新疆克拉瑪依70#瀝青加入1%、2%、3%、4%、5%的A1添加劑，測得瀝青性能指標如表6所示。

表6 不同A1添加劑摻量下瀝青的性能指標

由表6可知：瀝青針入度隨著A1添加劑摻量的增加而減??；針入度指數(shù)隨著A1添加劑摻量的增加先增大后減小，在2%～4%之間變化不大，5%時開始下降；軟化點隨著A1添加劑摻量的增加而升高，在2%～4%之間軟化點升高幅度較大；摻入溫拌添加劑A1后的瀝青結(jié)合料比基質(zhì)瀝青針入度小、軟化點高、延度大，表明適量的A1添加劑可以提高瀝青的高溫性能，從而增強溫拌瀝青混合料耐高溫能力；135 ℃黏度隨著添加劑摻量的增加而減小，60 ℃黏度則相反，A1添加劑這一性質(zhì)不僅可以提高瀝青路面在使用溫度范圍內(nèi)的高溫穩(wěn)定性，而且在拌合溫度下可以有效增加瀝青混合料的施工和易性，從而降低施工溫度，減少能源消耗，保護環(huán)境[16-19]。綜合考慮溫拌添加劑對瀝青結(jié)合料高溫性能、低溫性能、溫度敏感性等方面的影響可知，溫拌添加劑存在一個最佳摻量，即3%～4%，與前文推薦的溫拌添加劑最佳摻量相符。

4 摻入A1添加劑的WMA性能研究

4.1 原材料

(1)集料采用玄武巖碎石、0～3 mm機制砂；礦粉采用石灰?guī)r。

(2)瀝青采用新疆克拉瑪依70#基質(zhì)瀝青。

4.2 配合比

本文采用AC-20級配進行溫拌瀝青混合料性能研究，級配設計如表7和圖3所示，確定AC-20的最佳油石比為4.5%。最佳油石比下AC-20瀝青混合料的體積指標如表8所示。

4.3 摻入A1添加劑的溫拌瀝青混合料性能

4.3.1 降溫特性

在155 ℃及最佳油石比下成型瀝青混合料馬歇爾試件，并分別在125 ℃、135 ℃、145 ℃、155 ℃下成型摻入3%A1添加劑的瀝青混合料馬歇爾試件，測得各組試件空隙率指標如表9所示。

由表9可知，在70#基質(zhì)瀝青中摻入3%A1添加劑即可在140 ℃左右獲得與70#基質(zhì)瀝青在155 ℃溫度下相同的空隙率。因此，在保證馬歇爾試件空隙率前提下，添加3%A1添加劑可使成型溫度降低15 ℃左右。

表8 AC-20瀝青混合料體積指標

4.3.2 路用性能

在135 ℃和155 ℃下分別成型摻入3%A1添加劑的溫拌瀝青混合料試件和熱拌瀝青混合料試件，測定其路用性能，結(jié)果如表10所示。

由表10可知，摻入3%A1溫拌添加劑后，AC-20溫拌瀝青混合料的高溫性能較AC-20熱拌瀝青混合料提高超過3倍，但低溫性能與水穩(wěn)定性相差不大，各方面路用性能均滿足規(guī)范要求[20]。

表10 瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果

5 結(jié) 語

本文自行開發(fā)了溫拌添加劑，并研究其對瀝青性質(zhì)的影響，驗證溫拌瀝青混合料的路用性能，得到如下結(jié)論。

(1)溫拌添加劑A1可大大提高瀝青的高溫性能，對瀝青的低溫性能、溫度敏感性等影響不大。

(2)在保證相同的瀝青混合料體積指標和路用性能指標的前提下，添加3%A1溫拌添加劑可使瀝青混合料的施工溫度降低15 ℃左右。

(3)摻加適量溫拌添加劑A1的瀝青混合料較熱拌瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性，而其他性能相當，滿足規(guī)范要求，可在中國高溫地區(qū)推廣使用。

本文通過開發(fā)溫拌劑來對溫拌技術(shù)進行研究，只考慮了添加劑對基質(zhì)瀝青的影響，并沒有考慮改性瀝青等，還存在一定的局限性。因此，在溫拌技術(shù)發(fā)展的道路上，還要通過研究與不斷的嘗試進行技術(shù)創(chuàng)新，對傳統(tǒng)溫拌技術(shù)進行突破，推動中國溫拌技術(shù)的發(fā)展。

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