降黏型與表面改性型溫拌劑對瀝青混合料性能的影響*

黃維蓉， 楊玉柱， 楊東來， 韓春利

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院， 重慶 400074; 2.保利長大工程有限公司， 廣東 廣州 510620)

熱拌瀝青混合料存在許多缺點，如老化嚴重、能源消耗大、環(huán)境污染嚴重等。為解決這些問題，提出采用冷拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料替代熱拌瀝青混合料。冷拌瀝青混合料可在一定程度上降低能源消耗，但實際應用中發(fā)現(xiàn)其路用性能不穩(wěn)定，只能用于路面養(yǎng)護或低等級公路下面層。溫拌瀝青混合料通過溫拌劑降低瀝青路面施工溫度，可降溫10～30 ℃，同時具有與熱拌瀝青混合料相同的路用性能和施工性能，是路面施工應用的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)階段對溫拌瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、耐久性、力學性能等進行了較多研究，形成了較成熟的理論，但有些理論還未完善，存在一些問題，導致其施工應用還不廣泛。該文分別將降粘型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm摻入瀝青混合料中，通過擬合不同溫度下空隙率找出4%目標空隙率下的施工溫度區(qū)間，在該溫度區(qū)間下進行高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性與低溫抗裂性研究，分析SAS與Retherm溫拌劑對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性與低溫抗裂性的影響，為溫拌瀝青混合料的工程應用提供參考。

1 原材料與配合比

1.1 瀝青

采用70#基質瀝青，其性能指標見表1。

表1 基質瀝青的性能指標

1.2 溫拌劑

選擇降黏型溫拌劑SAS和表面改性型溫拌劑Retherm作為溫拌添加劑。SAS是固態(tài)白色粉狀飽和性碳氫化合物類混合物，是一種長鏈脂肪烴；Retherm是一種具有乳化、抗剝離等多種性能的液態(tài)淡黃色表面活性劑，由長碳鏈的親油基團(尾部)和親水的極性基團(頭部)組成。兩種溫拌劑的摻量均為瀝青質量的3.5%。溫拌劑利用BME200L高速剪切機以4 500 r/min的轉速在瀝青中高速剪切30 min進行分散，其間采用油浴鍋將瀝青溫度控制在135～145 ℃，保證瀝青在流動、稠度較低的狀態(tài)，避免溫度過高產(chǎn)生明顯老化現(xiàn)象。

1.3 礦料

礦料采用滿足JTG F40-2004要求的12～18 mm石灰?guī)r碎石、7～12 mm石灰?guī)r碎石、4～7 mm石灰?guī)r碎石、0～4 mm石灰?guī)r機制砂、石灰?guī)r礦粉。

1.4 配合比

按中粒式瀝青砼GAC-16C進行混合料級配組成設計。對所選集料水篩后，按JTG F40-2004推薦的方法進行配合比設計，得到合成級配(見表2、圖1)，各礦料摻配比例為12～18 mm石灰?guī)r碎石∶7～12 mm石灰?guī)r碎石∶4～7 mm石灰?guī)r碎石：0～4 mm機制砂∶礦粉=36%∶20%∶18%∶23%∶3%。在該配合比下，溫拌劑摻量較少，對瀝青混合料油石比的影響可忽略不計。通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.3%。

表2 GAC-16C型混合料目標配合比設計

圖1 GAC-16C型混合料配合比設計

2 試驗結果與分析

2.1 混合料壓實溫度區(qū)間的確定

分別將摻量為瀝青質量3.5%的降黏型溫拌劑SAS和表面活性型溫拌劑Retherm加入瀝青中，按表2中的配合比制備溫拌瀝青混合料，在120、130、140和150 ℃下通過旋轉壓實成型4組試件，測試不同溫度下試件的空隙率，并擬合溫拌壓實溫度-空隙率的關系，以混合料空隙率4%為控制目標，得到對應成型溫度。不同溫度下瀝青混合料的空隙率見圖2。

由圖2可知：旋轉壓實試件的空隙率隨著壓實溫度的提高而降低，相同壓實溫度下，摻入降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都會明顯降低試件的空隙率，進而提高其壓實度。這是因為SAS與Retherm能降低瀝青黏度。

圖2 不同溫度下不同類型瀝青混合料的空隙率

根據(jù)混合料空隙率與溫度的試驗結果建立的溫拌瀝青混合料壓實溫度-空隙率回歸方程見表3。

表3 壓實溫度-空隙率回歸方程

以4%為目標空隙率，按照表3的擬合方程，得到對應的成型溫度(見圖3)。

由圖3可知：降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都能明顯降低瀝青混合料的壓實溫度，4%空隙率條件下，壓實溫度分別降低16.8、20.4 ℃，Retherm的降溫效果優(yōu)于SAS?；|瀝青混合料的壓實溫度為150～155 ℃，降黏型溫拌瀝青混合料的壓實溫度為132～137 ℃，表面活性型溫拌瀝青混合料的壓實溫度區(qū)間為130～135 ℃。

圖3 不同類型瀝青混合料在4%空隙率下的壓實溫度

2.2 溫拌劑對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

為保證混合料空隙率大致相當且符合規(guī)范要求，參考溫度-混合料空隙率試驗，分別在空隙率達到4%所對應溫度區(qū)間按照規(guī)范成型3組試件，測試各試件的動穩(wěn)定度，結果見圖4。

圖4 不同類型瀝青混合料的動穩(wěn)定度

由圖4可知：溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都能顯著提高混合料的動穩(wěn)定度，相對于基質瀝青混合料，SAS、Retherm溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提高29.2%、15.6%。說明兩種溫拌劑都能提高混合料的高溫穩(wěn)定性，降黏型溫拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于表面活性型溫拌瀝青混合料。這是因為在混合料成型后，SAS以網(wǎng)狀晶格結構分布在瀝青中，瀝青混合料的勁度提高，動穩(wěn)定度增強，高溫穩(wěn)定性提高；Retherm在成型后向集料與瀝青之間的界面位置富集，化學黏結力提高，瀝青的老化減輕，從而提升混合料的高溫穩(wěn)定性。

2.3 溫拌劑對混合料水穩(wěn)定性的影響

采用更能反映混合料長期水穩(wěn)定性的凍融循環(huán)劈裂試驗評價溫拌劑對瀝青混合料的影響。以98.3～98.7 kPa真空條件下飽水15 min、-18 ℃下冷凍16 h、60 ℃水中保溫24 h作為一次凍融循環(huán)條件，未凍融試件的抗拉強度記為RT，1～3次凍融試件的抗拉強度分別記為RT1、RT2、RT3，凍融劈裂抗拉強度比分別記為TSR1、TSR2、TSR3。按照規(guī)范要求對瀝青混合料雙面各擊實50次成型馬歇爾試件，凍融和非凍融各成型一組試件，每組4個試件。試驗結果見圖5、圖6。

圖5 不同類型瀝青混合料的凍融劈裂強度

圖6 不同類型瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比

由圖5可知：無論在凍融前還是凍融后，SAS溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度都低于基質瀝青混合料；而Retherm溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度與基質瀝青相當。

由圖6可知：降黏型溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比分別比基質瀝青混合料的降低2.5%、6.4%、6.1%，而表面活性溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比比基質瀝青混合料的有小幅提升。說明降黏型溫拌劑會降低混合料的水穩(wěn)定性，表面活性型溫拌劑會小幅提高混合料的水穩(wěn)定性。這是因為SAS溫拌劑的蠟分在低溫下易析出成為晶體，在高溫融化的重復作用下瀝青分子之間的緊密聯(lián)系減小，水穩(wěn)定性降低；而Retherm溫拌劑不會改變?yōu)r青的性質，只是改變?yōu)r青的接觸條件，故能保持混合料的水穩(wěn)定性。在施工中需控制降黏型溫拌劑的摻量，以盡可能減少高分子蠟對混合料水穩(wěn)定性的影響。

2.4 溫拌劑對瀝青混合料低溫性能的影響

采用低溫彎曲試驗評價溫拌瀝青混合料的低溫性能，試驗結果見圖7。

圖7 不同類型瀝青混合料的低溫性能

由圖7可知：降黏型溫拌劑SAS的加入會減小瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，而表面活性型溫拌劑Retherm會略微提高混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，對混合料的低溫抗裂性能有小幅提升作用。這是因為SAS的本質是高分子蠟，高蠟含量.會對瀝青的低溫性能產(chǎn)生負面影響，降低混合料的低溫抗裂性能；而Retherm能改善瀝青界面張力，且未對瀝青自身的性質產(chǎn)生影響，因而混合料低溫性能小幅提高。

3 結論

(1) 相同空隙率(4%)條件下，降黏型溫拌劑SAS可降低16.8 ℃壓實溫度，表面活性型溫拌劑Retherm可降低20.4 ℃壓實溫度。

(2) 降黏型溫拌劑SAS與表面活性型溫拌劑Retherm都能顯著提高混合料的動穩(wěn)定度，相對于基質瀝青混合料，SAS溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高46.9%，Retherm溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高40.2%。

(3) 降黏型溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比分別比基質瀝青混合料的降低2.5%、6.4%、6.1%；而表面活性溫拌瀝青混合料的1～3次凍融劈裂抗拉強度比比基質瀝青混合料的有小幅提升。

(4) 降黏型溫拌劑SAS的加入會減小瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，降低其低溫性能；而表面活性型溫拌劑Retherm會略微提高混合料的抗彎拉強度和最大彎曲應變，小幅提高混合料的低溫性能。