不同降粘劑對(duì)瀝青及其混合料性能的影響

馬 勇，劉 攀

(1 長(zhǎng)江國(guó)際水利水電工程建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430041；2 重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

熱拌瀝青混合料(HMA)的生產(chǎn)拌合及攤鋪、碾壓施工需要在高溫下進(jìn)行，其中拌合溫度高達(dá)160～180 ℃，不僅需要消耗大量能源，并且產(chǎn)生大量有害煙塵和廢氣，嚴(yán)重污染自然環(huán)境和危害現(xiàn)場(chǎng)人員的身體健康[1]。研究表明，降低瀝青混合料的拌合溫度即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，溫拌瀝青混合料(WMA)的使用成為解決這一問題的重要手段之一[2]。

WMA是一種新型環(huán)保技術(shù)，主要包括乳化瀝青、有機(jī)降粘和發(fā)泡降粘等溫拌技術(shù)[3-4]。其中有機(jī)降粘溫拌技術(shù)是通過添加降粘劑來降低瀝青的高溫黏度，在保證混合料工作和易性的同時(shí)，有效降低其拌合溫度(130～160 ℃)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排的目的[5]。目前所使用的降粘劑都屬于蠟類物質(zhì)，當(dāng)溫度高于其熔點(diǎn)(100 ℃左右)時(shí)變成液體，當(dāng)?shù)陀谄淙埸c(diǎn)時(shí)又重新結(jié)晶[3]。正是由于這種特性，降粘劑可以降低瀝青的高溫黏度，并增大瀝青的低溫黏度。在此，本文以5種降粘劑為研究對(duì)象，分析比較其對(duì)瀝青及其混合料相關(guān)性能的影響，以期為溫拌瀝青技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

基質(zhì)瀝青為韓國(guó)SK-70#道路瀝青，降粘劑為M-100改性PE蠟、M-200改性PE蠟、H-105沙索蠟、HB108和BIT。

1.2 溫拌瀝青及混合料的制備

(1)溫拌瀝青制備：將基質(zhì)瀝青加熱至160～170 ℃，分別按比例(1%、2%、3%、4%和5%)加入上述5種降粘劑，攪拌均勻30 min即可制得溫拌瀝青。

(2)溫拌瀝青混合料制備：溫拌瀝青作為膠結(jié)料，取選性能指標(biāo)均滿足要求的玄武巖集料、石灰石礦粉等材料。以油石比5.0%制備瀝青混合料AC-10，并成型相應(yīng)的試件。

1.3 性能評(píng)價(jià)

按照規(guī)范要求測(cè)試瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度、針入度、軟化點(diǎn)和延度以及瀝青混合料AC-10的馬歇爾穩(wěn)定度、60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度、-10 ℃破壞應(yīng)變等，系統(tǒng)評(píng)價(jià)溫拌瀝青及其混合料的綜合性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 降粘劑對(duì)瀝青基本性能的影響

(1)黏度

考察降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青高溫黏度的影響Fig.1 Effect of viscosity reducer type and dosage on viscosity of asphalt

由圖1可知，當(dāng)溫度相同時(shí)，摻入降粘劑后，瀝青的高溫黏度降低，一定范圍內(nèi)摻量越多，黏度下降越明顯。其中，H-105沙索蠟的高溫降黏效果優(yōu)于HB108、M-100改性PE蠟、M-200改性PE蠟或BIT。高溫時(shí)降粘劑的吸附和融解可以加速瀝青融化，或是起到潤(rùn)滑作用，降低瀝青分子間的摩擦[1]。正是由于降粘劑的這種作用，瀝青的高溫黏度才得以降低，混合料的拌合溫度也隨之降低，起到節(jié)能減排的目的。就高溫黏度而言，降粘劑摻量不宜過低，否則無法獲得理想的效果。

(2)針入度

考察降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青針入度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青針入度的影響Fig.2 Effect of viscosity reducer type and dosage on penetration of asphalt

由圖2可知，一定范圍內(nèi)隨著降粘劑摻量的增加，瀝青的針入度逐漸降低，即瀝青逐漸變稠。高溫下降粘劑會(huì)包裹吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，重質(zhì)組分含量相對(duì)增多，表現(xiàn)出針入度下降[1]。其中，BIT、H-105沙索蠟、M-200改性PE蠟、M-100改性PE蠟及HB108對(duì)瀝青針入度的影響依次減小。

(3)軟化點(diǎn)

考察降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響Fig.3 Effect of viscosity reducer type and dosage on softening point of asphalt

由圖3可知，一定范圍內(nèi)瀝青的軟化點(diǎn)隨著降粘劑摻量的增加而增加，表明降粘劑對(duì)瀝青的高溫性能有積極影響。其中，BIT對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的提高程度要高于H-105沙索蠟、M-200改性PE蠟、HB108和M-100改性PE蠟，這與針入度得出的結(jié)論一致。當(dāng)溫度低于降粘劑的熔點(diǎn)(100 ℃左右)時(shí)，其中的蠟基或油基飽和物便會(huì)在瀝青中結(jié)晶析出，增大瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和低溫黏度。

(4)延度

考察降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青延度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 降粘劑種類及摻量對(duì)瀝青延度的影響Fig.4 Effect of viscosity reducer type and dosage on ductility of asphalt

從圖4可以看出，一定范圍內(nèi)瀝青的延度隨著降粘劑摻量的增加而下降，即5種降粘劑均會(huì)降低瀝青的低溫性能。這主要是由于降粘劑中的蠟基或油基飽和物在低溫下析出，使瀝青變脆，延度進(jìn)而降低。其中，M-100改性PE蠟和H-105沙索蠟對(duì)瀝青延度的不利影響要弱于其他三種降粘劑。因此就延度而言，降粘劑摻量不宜太高，否則將顯著降低瀝青的低溫性能。

從上述研究結(jié)果可以看出，5種降粘劑均能有效降低基質(zhì)瀝青的高溫黏度，并提高瀝青的高溫性能，而對(duì)低溫性能有不利影響。綜合考慮瀝青的高溫性能和高低溫性能，初步選擇5種降粘劑的合理?yè)搅繛?%。

2.2 降粘劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

研究降粘劑種類對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，5種降粘劑摻量均為3%。其中基質(zhì)瀝青混合料拌合溫度160 ℃，溫拌瀝青混合料拌合溫度140 ℃。

(1)馬歇爾穩(wěn)定度

通過馬歇爾實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的物理性能和力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 混合料馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Marshall test results of asphalt mixture

由表1可知，在指定拌合及成型溫度下，5種溫拌瀝青混合料AC-10的馬歇爾穩(wěn)定度、流值和空隙率均滿足規(guī)范要求。其馬歇爾穩(wěn)定度高于未摻加降粘劑的瀝青混合料，流值有所減小，說明溫拌瀝青混合料具有比熱拌瀝青混合料更好的力學(xué)性能?？障堵实臏p小是因?yàn)榻嫡硠┨岣吡藶r青混合料的施工和易性，且形成了更多的結(jié)構(gòu)瀝青膜[6]。

(2)高溫穩(wěn)定性

通過車轍實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)溫度60 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 混合料車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Rutting test results of asphalt mixture

由表2可知，溫拌瀝青混合料相比熱拌瀝青混合料具有更大的動(dòng)穩(wěn)定度和較小的車轍深度，即降粘劑對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有積極影響。由前面研究可知，降粘劑能有效提高瀝青的軟化點(diǎn)，混合料的高溫穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)。

(3)低溫抗裂性

采用三點(diǎn)彎曲小梁實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性，實(shí)驗(yàn)溫度-10 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 混合料三點(diǎn)彎曲小梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Three-point bending test results of asphalt mixture

表3結(jié)果表明，溫拌瀝青混合料的抗彎應(yīng)變要低于相對(duì)應(yīng)的熱拌瀝青混合料，而勁度模量則要高于熱拌瀝青混合料，這表明降粘劑對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性有消極影響，這與降粘劑對(duì)瀝青延度的影響規(guī)律一致。整體而言，M-200改性PE蠟、BIT、HB108、M-100改性PE蠟和H-105沙索蠟對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響依次減弱。

3 結(jié) 論

本文研究了5種不同降粘劑對(duì)基質(zhì)瀝青及其混合料AC-10的路用性能，主要取得如下結(jié)論。

(1)5種降粘劑均能降低瀝青的高溫黏度、針入度和延度，提高其軟化點(diǎn)。且一定范圍內(nèi)隨著降粘劑摻量的增加，這種效果更為明顯。在摻量及溫度均相同的情況下，H-105沙索蠟和HB108的高溫降黏效果優(yōu)于其他3種降粘劑。

(2)降粘劑能有效提高瀝青的施工和易性、感溫性能和高溫性能，但對(duì)低溫延性有不利影響，考慮到瀝青的綜合性能，確定5種降粘劑的合理?yè)搅繛?%。

(3)5種降粘劑均對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有利，對(duì)其低溫抗裂性不利?？傮w而言，降粘劑不僅能有效降低瀝青混合料拌合溫度，起到節(jié)能減排的作用，同時(shí)一定程度上提高了混合料的路用性能，尤其是高溫穩(wěn)定性。