不同類型溫拌劑對瀝青混合料性能影響研究

李渠源 梁乃興 楊卓林 楊清華 趙 江

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院1) 重慶 400074) (西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司2) 昆明 650000)

0 引 言

溫拌瀝青混合料在保證路面性能滿足要求的同時，也解決了傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料存在的污染嚴(yán)重的問題.采用溫拌技術(shù)，可以使瀝青混合料的生產(chǎn)拌和溫度較熱拌降低30 ℃以上，CO2、氮氧化合物、廢氣和粉塵的排放量將大大降低，還可以提高隧道路面抗水損壞能力，減少瀝青的氧化、揮發(fā)和老化，提高瀝青路面壽命.即使由于層間水分蒸發(fā)，混合料溫度下降，溫拌瀝青混合料仍然能夠?qū)崿F(xiàn)有效的壓實，不會留下界面隱患.

目前，國內(nèi)外各種溫拌技術(shù)大都是降低瀝青黏度，使混合料能在較低溫度下拌和均勻，包括有機(jī)降黏劑、表面活性劑及瀝青發(fā)泡法三種.其中有機(jī)降黏劑可以減小瀝青的高溫黏度，有效地降低了生產(chǎn)溫度，且路用性能較熱拌沒有減弱.表面活性劑可以在集料表面形成能抵消瀝青黏結(jié)作用的結(jié)構(gòu)性水膜，從而降低拌和壓實溫度.瀝青發(fā)泡技術(shù)是向熱瀝青中加入少量水，兩者劇烈反應(yīng)形成泡沫瀝青，降低了瀝青的黏度，同時泡沫瀝青的體積較大，可以更好地裹附集料，改善混合料在低溫狀態(tài)下的和易性.于江等[1]通過對比摻益路(Evotherm)溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的體積指標(biāo)，認(rèn)為Evotherm可以改善混合料的可壓實特性；黃剛等[2]通過對摻Sasobit和摻Evotherm的溫拌瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)試驗，證實兩種溫拌劑均可改善混合料的某些路用性能.

目前針對各種溫拌瀝青混合料性能的研究，所采用的試驗手段、參照標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)存在較大差異，對不同類型的溫拌瀝青混合料缺乏全面的對比.文中研究了有機(jī)降黏劑Sasobit、表面活性劑DWMA-1與合成沸石Aspha-min三種類型溫拌劑對瀝青混合料壓實特性及路用性能的影響，為溫拌技術(shù)的應(yīng)用提供參考.

1 材料組成設(shè)計與施工工藝參數(shù)

1.1 原材料性能

采用AH70#瀝青，礦料為重慶地產(chǎn)石灰?guī)r，礦粉經(jīng)石灰?guī)r磨細(xì)后獲得.選擇Sasobit、Aspha-min和DWMA-1為試驗所用溫拌劑，其技術(shù)指標(biāo)見表1～3.

表1 Sasobit基本技術(shù)指標(biāo)

表2 Aspha-min基本技術(shù)指標(biāo)

表3 DWMA-1基本技術(shù)指標(biāo)

1.2 級配組成

礦料組成采用AC-20C級配中值，具體數(shù)據(jù)見表4.

表4 AC-20C級配

1.3 最佳油石比

按照馬歇爾擊實試驗規(guī)定步驟，確定AC-20C瀝青混合料的最佳油石比為4.4%.

1.4 施工工藝參數(shù)

Sasobit的熔點(diǎn)較低，將適量的Sasobit顆粒加入到加熱好的基質(zhì)瀝青中，機(jī)械攪拌30 min后即可制得Sasobit溫拌改性瀝青，完全溶解的Sasobit與瀝青一起形成穩(wěn)定的分散體系[3].DWMA-1的添加方式與Sasobit類似，將其加入到熱瀝青中并簡單攪拌10 min即可.Aspha-min為直投式溫拌劑，將適量Aspha-min加入到拌和設(shè)備后，立即加入熱瀝青進(jìn)行拌和[4].Sasobit的摻量范圍為瀝青質(zhì)量的2%～4%、Aspha-min的摻量范圍為混合料質(zhì)量的0.2%～0.4%、DWMA-1的摻量范圍為瀝青質(zhì)量的0.3%～0.6%，施工工藝參數(shù)見表5.

表5 施工工藝參數(shù)

2 不同類型溫拌劑對瀝青混合料降溫效果及壓實特性影響

2.1 不同類型溫拌劑對瀝青混合料降溫效果分析

不同類型溫拌劑對瀝青混合料的降黏方式不同，效果也存在差異.其中表面活性劑及沸石溫拌劑均不是單純通過對瀝青改性來實現(xiàn)降黏.因此，用黏-溫曲線來確定成型溫度的方法并不適用于每種溫拌瀝青混合料.本文采用4%空隙率法確定不同類型溫拌瀝青混合料的成型溫度[5].分別添加三種不同的溫拌劑，在不同成型溫度、不同溫拌劑摻量條件下制備馬歇爾試件，用表干法測量試件的毛體積相對密度，用真空法測量混合料的理論最大相對密度，計算其空隙率，分析不同類型溫拌劑對瀝青混合料的降溫效果，試驗結(jié)果見圖1.

圖1 溫拌瀝青混合料空隙率與溫度關(guān)系

由圖1可知：

1) 摻3%Sasobit和0.3%Aspha-min的溫拌瀝青混合料空隙率～溫度曲線最低，密實性最佳，說明此種溫拌劑摻量下的混合料擁有最佳的壓實效果.DWMA-1溫拌瀝青混合料的空隙率在0.6%摻量下最低，證明在0.3%～0.6%的摻量范圍內(nèi)，摻盡可能多的DWMA-1會使混合料達(dá)到最佳密實狀態(tài).

2) 不論是否添加溫拌劑，瀝青混合料的空隙率都會隨成型溫度的升高而減小，所以選擇合適的成型溫度是保證混合料具有良好路用性能的前提.用4%空隙率法確定混合料的成型溫度，3%Sasobit溫拌瀝青混合料的成型溫度約為125 ℃，0.3%Aspha-min溫拌瀝青混合料的成型溫度約為130 ℃，0.6%DWMA-1溫拌瀝青混合料的成型溫度約為135 ℃.三種溫拌劑對瀝青混合料降溫效果的排序為：Sasobit>Aspha-min>DWMA-1.溫拌技術(shù)下的混合料具有較低的黏度，溫拌瀝青膜與集料均勻裹附，降低了集料的內(nèi)摩擦角[6]，在馬歇爾擊實儀反復(fù)擊實功的作用下，集料顆粒嵌擠更加充分，形成高密實度的試件.

2.2 馬歇爾法分析溫拌瀝青混合料壓實特性

在施工碾壓階段，混合料的體積指標(biāo)在機(jī)械荷載的作用下不斷改變.混合料達(dá)到目標(biāo)空隙率的難易程度反映了混合料的可壓實特性[7].分別在最佳溫拌劑摻量下(3%Sasobit、0.3%Aspha-min、0.6%DWMA-1)成型不同溫拌類型的馬歇爾試件，測定其空隙率，分析空隙率隨擊實次數(shù)的變化規(guī)律.控制熱拌瀝青混合料成型溫度為150 ℃，三種溫拌瀝青混合料的成型溫度為130 ℃.試驗結(jié)果見圖2.

圖2 溫拌瀝青混合料空隙率與擊實次數(shù)關(guān)系

由圖2可知，在成型溫度降低20 ℃的情況下，Sasobit和Aspha-min溫拌劑可以較大程度地降低瀝青混合料的空隙率，DWMA-1溫拌瀝青混合料也與熱拌瀝青混合料的壓實效果相差不多.要使瀝青混合料達(dá)到4%空隙率，傳統(tǒng)熱拌工藝下的混合料需80次擊實，摻3%Sasobit的混合料需66次擊實，摻0.3%Aspha-min的混合料需72次擊實，摻0.6%DWMA-1的混合料需84次擊實.溫拌化的瀝青混合料減少了擊實次數(shù)，節(jié)約了擊實功，不僅節(jié)能環(huán)保，還具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會價值.

2.3 旋轉(zhuǎn)壓實法分析溫拌瀝青混合料壓實特性

瀝青混合料的壓實是通過施加一定的壓實功，使混合料的骨料之間達(dá)到一定的密實程度.由于馬歇爾成型試驗無法得到混合料壓實過程中的壓實功參數(shù)，為了更好地研究不同類型溫拌劑對混合料壓實性能的影響，用旋轉(zhuǎn)壓實法進(jìn)一步評價溫拌瀝青混合料的可壓實特性.

分別拌制熱拌和不同類型的溫拌瀝青混合料，采用600 kPa的豎直壓力、1.25°旋轉(zhuǎn)壓實角和30 r/min的旋轉(zhuǎn)速率，模擬車輛荷載對路面的壓實作用.根據(jù)交通量等級，取初始壓實次數(shù)Nini為8次，設(shè)計壓實次數(shù)Ndes為100次，最大壓實次數(shù)Nmax為160次，要求Nini、Ndes、Nmax對應(yīng)的密實度比分別小于89%、96%、98%.根據(jù)不同旋轉(zhuǎn)圈數(shù)下對應(yīng)的試件高度及壓實結(jié)束后試件的壓實度，計算并繪制相對于最大理論密度的密實度比曲線[8]，密實曲線可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，為

γ=ANb

(1)

對式(1)進(jìn)行求導(dǎo)，即可求得密實曲線上任意一點(diǎn)的斜率，反映了該點(diǎn)處的壓實速率.

Nini、Ndes、Nmax將密實曲線分為見圖3～4兩部分，分別對應(yīng)混合料施工階段的壓實和開放交通后車輛荷載作用下的壓實.Nini-Ndes間的密實曲線在半對數(shù)坐標(biāo)下呈一條直線，平均斜率的計算見式(2).該值反映了混合料從初始到設(shè)計壓實次數(shù)范圍內(nèi)的可壓實性，該值越大，表明壓實速率越大，混合料施工和易性越好.

(2)

Ndes-Nmax間的密實曲線表示混合料從4%設(shè)計空隙率壓密到2%極限空隙率的過程，在普通區(qū)間內(nèi)接近直線，對密實曲線進(jìn)行線性回歸，計算斜率K2.K2反映瀝青路面在使用過程中的抗壓密能力，該值越大，則表明在同樣的交通量下，其抗變形能力越差.

圖3 半對數(shù)坐標(biāo)下的Nini-Ndes混合料密實曲線

圖4 普通坐標(biāo)下的Ndes-Nmax混合料密實曲線

密實能量指數(shù)是瀝青混合料在施工過程中，壓實到92%壓實度時攤鋪與壓實設(shè)備所做的功，92%為規(guī)范要求的可接受的壓實度值.將Nini-N92圍成的區(qū)域進(jìn)行積分即得到密實能量指數(shù)CEI，該值越低，混合料的施工和易性越好.交通密實指數(shù)反映在交通荷載反復(fù)作用下混合料被壓實到極限密實狀態(tài)所做的功.在施工后至路面早期運(yùn)行階段，混合料從92%壓密至96%密實度所做的功，即密實曲線上該兩點(diǎn)間面積，稱為交通密實指數(shù)TDI96.混合料從96%密實度進(jìn)一步壓密至98%極限密實狀態(tài)時所做的功，稱為交通密實指數(shù)TDI98，此時混合料處于塑性破壞區(qū).交通密實指數(shù)越大，則表明路面的抗壓密能力越好，在運(yùn)行階段更穩(wěn)定.對不同類型溫拌瀝青混合料的密實曲線進(jìn)行擬合，按上述方法計算K1、K2、CEI、TDI96、TDI98，結(jié)果見表6.

表6 旋轉(zhuǎn)壓實曲線評價指標(biāo)

由表6可知，溫拌瀝青混合料的K1值大于熱拌瀝青混合料，N92值更小，證明其更容易達(dá)到規(guī)范要求的92%壓實度，同時溫拌瀝青混合料的CEI值均小于普通熱拌瀝青混合料，減少了施工過程中攤鋪機(jī)和壓路機(jī)所做的功，具有更好的施工和易性.溫拌瀝青混合料K2值小于熱拌瀝青混合料，TDI98值整體大于熱拌瀝青混合料，證明溫拌瀝青混合料具有更好的抗壓密和抗車轍變形能力，路面在后續(xù)的使用階段更穩(wěn)定.綜上所述，三種溫拌劑均可以改善瀝青混合料的可壓實特性，有機(jī)降黏劑Sasobit的改善效果最佳.

3 不同類型溫拌劑對瀝青混合料路用性能影響

3.1 高溫穩(wěn)定性

為了防止瀝青路面在夏季或氣候炎熱地區(qū)因車輛荷載的作用發(fā)生破壞，要求混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性.相比于馬歇爾穩(wěn)定度試驗，車轍試驗更能模擬路面的真實受力情況.用輪碾法成型試件并進(jìn)行車轍試驗，以動穩(wěn)定度和車轍變形量為評價指標(biāo)，對比不同類型混合料的高溫性能.試驗結(jié)果見表7.

表7 車轍試驗結(jié)果

由表7可知，摻Sasobit和Aspha-min的溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度較高，變形量較小.在60 ℃的試驗環(huán)境下，Sasobit在瀝青膠結(jié)料中呈現(xiàn)出晶格結(jié)構(gòu)，提高了混合料抵抗變形的能力.在拌和過程中，Aspha-min內(nèi)部結(jié)晶水持續(xù)釋放，有效地降低了瀝青的瞬時黏度，可以使混合料的工作性維持較長時間，一定程度上提升了混合料的內(nèi)聚力.DWMA-1溫拌劑對混合料高溫性能影響較小.

3.2 水穩(wěn)定性

瀝青路面在長期使用過程中，大氣中的水分和降雨會通過空隙進(jìn)入到路面結(jié)構(gòu)中，并且在車輛荷載和熱脹冷縮作用下產(chǎn)生動水壓力，水分滲入到瀝青與集料界面，降低兩者間黏結(jié)力，并隨之出現(xiàn)剝落現(xiàn)象.由于溫拌瀝青混合料的拌和溫度較低，集料表面可能存在被瀝青封閉的殘留水分，這些水分的存在會加重瀝青混合料的水損壞.所以，更需要對溫拌瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性能進(jìn)行測試.浸水馬歇爾試驗主要反映集料顆粒間的內(nèi)摩阻力大小，因此采用更能反映混合料中瀝青黏結(jié)力作用的多循環(huán)凍融劈裂試驗.按規(guī)程要求：先將試件在98.3～98.7 kPa真空條件下放置15 min，恢復(fù)常壓后飽水30 min，然后置于-18 ℃環(huán)境下16 h，最后60 ℃水浴24 h完成一個凍融循環(huán)，用馬歇爾試驗儀測定不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的劈裂強(qiáng)度，計算凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR，試驗結(jié)果見表8.

表8 循環(huán)凍融試驗結(jié)果 單位:%

由表8可知，經(jīng)1次凍融循環(huán)后，Sasobit溫拌瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比下降了約6.6%，摻其他兩類溫拌劑的混合料劈裂強(qiáng)度比并沒有明顯變化，說明1次循環(huán)并不能準(zhǔn)確地反映出混合料的抗水損害能力.經(jīng)過2、3次凍融循環(huán)后，Aspha-min溫拌瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比最低，說明Aspha-min會導(dǎo)致混合料抵抗水損害能力的嚴(yán)重下降，Sasobit也在一定程度上導(dǎo)致瀝青混合料長期水穩(wěn)定性劣化.相反，DWMA-1對混合料的長期水穩(wěn)定性有改善作用.研究表明[9-12]，DWMA-1中存在大量具有抗剝落增強(qiáng)功能的胺類物質(zhì)，增大了瀝青與礦料的黏附力，從而實現(xiàn)瀝青混合料長期水穩(wěn)定性的提高.

3.3 低溫穩(wěn)定性

瀝青路面在冬季溫度較低時容易呈現(xiàn)出脆性特質(zhì)，當(dāng)溫度收縮應(yīng)力超過混合料的抗拉強(qiáng)度極值時，路面會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象.對混合料進(jìn)行-10 ℃低溫小梁彎曲試驗，以極限彎拉應(yīng)變值作為混合料低溫性能評價指標(biāo)，試驗結(jié)果見表9.

表9 低溫彎曲試驗結(jié)果

由表9可知，Sasobit和Aspha-min劣化了混合料的低溫性能，其彎拉應(yīng)變值低于規(guī)范要求.這是因為Sasobit中過量的蠟分子會與部分瀝青飽和組分在-10 ℃環(huán)境下結(jié)晶析出，使瀝青呈現(xiàn)出脆性特質(zhì)，更容易在低溫下破壞.Aspha-min溫拌瀝青混合料中的溫拌劑殘留可能影響到了瀝青膜的厚度，從而劣化了混合料的低溫變形能力.DWMA-1溫拌瀝青混合料的低溫性能有所改善，這是因為溫拌工藝下瀝青的老化程度較熱拌減輕，進(jìn)而引起混合料低溫抗裂能力的提高.

4 結(jié) 論

1) 三種類型溫拌劑均可以降低瀝青混合料的成型溫度，3%Sasobit、0.3%Aspha-min的降溫效果較好，可以降低混合料生產(chǎn)過程中的能源消耗和環(huán)境污染.三種溫拌添加劑對混合料降溫效果的排序為：Sasobit>Aspha-min>DWMA-1.

2) 要使馬歇爾試件達(dá)到4%空隙率，溫拌化的瀝青混合料需要更少的擊實次數(shù)，節(jié)約了擊實功，不僅節(jié)能環(huán)保，還具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益.

3) 由旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線可知，在相同壓實功下，溫拌工藝下的混合料密實度更好.溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料更容易達(dá)到規(guī)范要求的92%壓實度，且密實能量指數(shù)CEI值更小，具有更好的施工和易性.溫拌瀝青混合料Ndes-Nmax密實曲線較熱拌瀝青混合料平緩，交通密實指數(shù)TDI98值整體大于熱拌瀝青混合料，具有更好的抗壓密和抗車轍變形能力，路面在后續(xù)使用階段更穩(wěn)定.

4) Sasobit和Aspha-min溫拌瀝青混合料較熱拌瀝青混合料有更好的高溫性能，這與旋轉(zhuǎn)壓實密實曲線顯示的結(jié)果一致，但長期水穩(wěn)定性和低溫性能有不同程度地降低.DWMA-1溫拌瀝青混合料的各項性能較為均衡，高溫性能較熱拌瀝青混合料略有下降，長期水穩(wěn)定性、低溫性能有小幅度提升.