雙效溫拌劑對瀝青混合料的拌合及路用性能影響研究

鄒 泰，董光彬，郝曉君，穆明浩，王 崢，孫并臻，張 哲，鄭 君，李明杰，李朝旭

(1. 山東省高速路橋養(yǎng)護有限公司，濟南 250032； 2. 山東高速集團有限公司創(chuàng)新研究院，濟南 250098；3. 中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101；4. 青島科凱達橡塑有限公司，山東 青島 266109)

普通的瀝青路面施工方式為高溫熱拌瀝青混合，在高溫拌合、高溫運輸和熱施工過程中因較高的拌合溫度會釋放出大量有害氣體，同時會產(chǎn)生大量的能耗，并釋放氮氧化物、有害廢氣、二氧化碳等溫室氣體[1，2]。因此為了減少污染氣體排放和降低能源消耗，各國開始研制生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保的新型溫拌瀝青混合料。溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt)[3]是一種通過降低瀝青混合料的拌合粘度來改善瀝青混合料的施工和易性，能夠使普通瀝青混合料的拌合溫度降低30-40 ℃[4]，相比常規(guī)SBS改性瀝青混合料180 ℃的拌合溫度，溫拌瀝青混合料可以達到150 ℃左右。降溫效果是判斷溫拌劑的種類選擇、摻量優(yōu)化、溫度拌合控制的重要指標[5]，早期溫拌劑是使瀝青混合料可以在相對較低的溫度下進行拌合和施工，同時配合改性劑保持瀝青混合料路用性能的技術(shù)[6，7]。溫拌混合施工最早是在90年代歐洲開始應用，之后溫拌技術(shù)流行于眾多國家，隨著溫拌技術(shù)的推廣使用，對溫拌技術(shù)的路用性能又進行了大量研究和應用，目前在國際瀝青混合料路面已得到重點推廣和應用[8,9]。國內(nèi)的溫拌瀝青技術(shù)的起步較國外更晚，在2005年初，國內(nèi)鋪筑了首條利用溫拌技術(shù)方案的路面[10]。

目前在道路工程應用中，傳統(tǒng)的溫拌劑用于基質(zhì)瀝青混合料生產(chǎn)時，只可以實現(xiàn)溫拌功能，但是無法實現(xiàn)瀝青混合料的路用性能提升，且會對路用性能帶來一定的負面影響；另外溫拌劑在用于改性瀝青混合料生產(chǎn)時，則需要預先購置成品改性瀝青，既增加了生產(chǎn)成本又存在改性瀝青存儲時的性能衰變，影響路面質(zhì)量的隱患。因此瀝青混合料的改性與溫拌技術(shù)雖已發(fā)展較為成熟，但是針對瀝青混合料的集溫拌合改性雙效功能一體化的成熟技術(shù)仍需完善[11，12]。

目前溫拌劑按機理類型主要分為礦物法、有機降黏劑、表面活性劑以及瀝青發(fā)泡法四種[13-15]。其中表面活性劑類型機理是在集料表面形成一層能夠抵消瀝青與集料粘結(jié)作用的結(jié)構(gòu)性潤滑膜，提高拌合易性，降低了拌合壓實所需的溫度[16]，鑒于表面活性劑能夠明顯改善拌合溫度及壓實溫度，本文采用自制表面活性劑(賴氨酸鹽酸鹽[17]、聚醚二醇單甲醚)改性MAH-g-POE(馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體，接枝率0.8%-1.2%)為主體(106T型，以甲苯為溶劑，將賴氨酸鹽酸鹽與聚醚二醇單甲醚加熱攪拌發(fā)生酯化反應，反應回流至無水生成，再加入碳酸氫鈉固體繼續(xù)攪拌反應至無氣體放出后過濾、洗滌、干燥得到聚醚二醇單甲醚賴氨酸酯，再與MAH-g-POE高速攪拌后進行雙螺桿擠出機共混擠出、粉碎、篩分得到30-60目自制雙效溫拌劑基體。主要制備過程及成分見圖1)，并復配其他改性助劑的方法制備出溫拌改性雙效劑。此類溫拌改性雙效劑既能降低瀝青拌合壓實溫度，又能改善瀝青路用性能。

圖1 106T主要制備過程

本文自制雙效溫拌劑可以使基質(zhì)瀝青只需添加一種助劑，無需再額外添加改性劑或加工助劑，在改善溫拌效果的同時提升了路用性能。本文主要研究評價自制雙效溫拌劑對瀝青混合料的溫拌效果及路用性能；先采用AC-20混合料級配方式，以70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)為參照對比，選取106T摻加量分別為混合料的(0.35%、0.45%、0.55%、0.65%)四組試驗來比較雙效溫拌劑的降溫效果；再從空隙率/%、穩(wěn)定度/kN、流值/mm、高溫動穩(wěn)定度/(次·mm-1)、低溫最大彎拉應變(με)、水穩(wěn)定性TSR/%來評價其混合料體積指標和路用性能。

1 AC-20級配試驗材料及方法

1.1 瀝青原料

分別選用齊魯70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)。主要技術(shù)指標見表1。

1.2 礦料級配

礦料選用石灰?guī)r，分檔篩分，以《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE20-2011)要求進行常規(guī)指標試驗，各項技術(shù)指標均滿足要求。礦質(zhì)混合料級配選用AC-20，用篩好的各檔料回配，見表2和圖2所示。

圖2 礦料篩分分布曲線

表2 試驗段不同篩孔抽提篩分結(jié)果

1.2.1 溫拌瀝青黏溫曲線。通過布氏黏度計法分別測定120、135、150、165、180 ℃5個試驗溫度下的瀝青黏度，繪制成如圖3所示瀝青黏溫曲線。從圖3中可以看出，相同溫度條件下，添加溫拌劑的瀝青黏度比改性瀝青、基質(zhì)瀝青的黏度都低；在120-180 ℃區(qū)間內(nèi)，黏度降低速度隨溫度的升高逐漸變緩，最后趨于接近的黏度；相同溫度條件下，隨著雙效溫拌劑用量的增加，瀝青黏度呈現(xiàn)降低的趨勢。這是由于在低溫區(qū)域，表面活性劑起到了一定的降黏作用，而表面活性溫拌劑主要通過改善集料與瀝青的界面潤滑性，因而其對瀝青的黏度影響較小，從表中可以看出與基質(zhì)瀝青黏度相差不大；隨雙效溫拌劑用量的增加而降黏效果有所增強，達到一定黏度后，已經(jīng)接近瀝青黏度的最低值，繼續(xù)下降的幅度有限，差別不明顯，對0.45%摻量的黏溫曲線進行擬合分析，建立多項式擬合方程，得到y(tǒng)=0.1164x2-1.0416x+ 2.522，R2=0.9998，R2趨近于1，說明黏溫曲線可靠性較高，黏度隨溫度升高先快速下降，再趨于平緩。

圖3 瀝青黏溫曲線

1.2.2 溫拌瀝青混合料體積指標曲線?？障堵适菫r青混合料的固有特征，反映了瀝青混合料在壓實成型過程中的密實程度，直接影響到路面路用性能和長期使用性能，也從空隙率方面反映了溫拌劑降溫效果對成型的影響，試驗采用馬歇爾擊實成型方法(75次)，分別測定120、135、150、165、180 ℃5個試驗溫度下的混合料空隙率，繪制不同拌合溫度下溫拌劑用量對混合料空隙率的影響曲線圖4。

圖4 混合料體積指標曲線

實驗以瀝青混合料擊實空隙率(4%)作為指標來確定瀝青混合料的最佳拌合溫度，從圖4中可以看出添加雙效溫拌劑后，瀝青混合料空隙率隨溫度的升高而快速降低至4%左右，較基質(zhì)瀝青和改性瀝青相比，拌合溫度有明顯降低；在低溫區(qū)域，空隙率隨雙效溫拌劑添加量的增加而變小，達到一定溫度后，空隙率相差不大，這是由于表面活性劑將集料表面裹覆潤滑后來降低拌合做功，來提高瀝青混合料的施工和易性，從曲線中說明少量雙效溫拌改性劑就能降低拌合溫度，達到混合料適合的空隙率。

1.3 溫拌瀝青混合料路用性能

作為雙效溫拌改性劑，需要將基質(zhì)瀝青混合料的路用性能提升到使用要求，以70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)為參照對比，從空隙率/%、穩(wěn)定度/kN、流值/mm、高溫動穩(wěn)定度/(次·mm-1)、低溫最大彎拉應變(με)、水穩(wěn)定性TSR/%來評價其混合料體積指標和路用性能，拌合流程及拌合參數(shù)如表3。

表3 拌合流程及拌合參數(shù)

混合料路用性能試驗結(jié)果如表4所示，從表4可以看出，在相近的空隙率條件下，相比改性瀝青混合料，添加雙效溫拌劑的混合料拌合溫度降溫幅度為30 ℃，分析原因可能是賴氨酸鹽酸鹽改性聚醚鏈段具有非離子表面活性和潤滑作用，可以降低瀝青與集料石子間的表界面張力，從而提高瀝青混合料的流動性，使瀝青混合料遠低于熱拌溫度下與礦料混拌均勻，實現(xiàn)溫拌效果；不同雙效溫拌劑摻量的混合料，馬氏穩(wěn)定度、流值相差程度不大，均在規(guī)范要求內(nèi)；隨著溫拌劑摻量增加，高溫動穩(wěn)定度逐漸增大、變化趨勢明顯，且均遠遠高于對照組和規(guī)范要求，隨著溫拌劑摻量增加，低溫最大彎拉應變逐漸增大，分析原因是其中的POE鏈具有強韌性，可以有效改善瀝青混合料的高溫抗剪切能力和抗沖擊阻滯能力，從而提高瀝青改性料的高溫抗車轍能力和低溫耐屈撓能力，但摻量為0.35%時低于規(guī)范要求。隨著溫拌劑摻量增加，水穩(wěn)定性TSR值有所增加，瀝青混合料的水穩(wěn)定性越來越好，分析原因是由于雙效溫拌劑中側(cè)鏈接枝的馬來酸酰胺基團跟集料的極性相近，結(jié)合更緊密，使得瀝青與集料的融合更好。

表4 混合料路用性能

同時，在試驗中觀察了集料與固態(tài)溫拌劑干拌效果、拌合后瀝青混合料效果及馬氏試件冷卻后效果，如圖5-圖6所示。在礦料與雙效溫拌劑干拌時，利用雙效溫拌劑的低熔點溫度優(yōu)勢，實現(xiàn)其與石料預拌時的充分融化及潤滑石料表面的效果，從圖5(a)中可看已看出，部分10-20 mm的粗集料由于比表面積小，干拌后石料表面裹覆溫拌劑十分明顯。從圖5(b)中可看已看出，拌合后未出現(xiàn)瀝青混合料發(fā)干、發(fā)暗現(xiàn)象。從圖6中可以看出雙效溫拌劑為干粉狀態(tài)圖6(a)，而在加熱干拌時熱熔的溫拌劑將集料粗糙表面圖6(b)包裹，呈現(xiàn)圖6(c)的較平滑狀態(tài)，說明溫拌劑對集料表面包裹效果較好。

圖5 (a) 礦料與雙效溫拌劑干拌后效果圖；(b) 礦料、70#瀝青與雙效溫拌劑濕拌后效果圖

圖6 (a) 干粉雙效溫拌劑掃描電鏡；(b)干拌前集料表面掃描電鏡；(c)干拌后集料表面掃描電鏡

從圖7中可以看出，對比觀察礦料+70#基質(zhì)瀝青+雙效溫拌劑(a)與礦料+SBS改性瀝青(b)成型試件，兩者外觀相差不大，圖7(c)和(d)為圖7(a)的微觀組分圖，可以看出集料與瀝青的結(jié)合緊密，相容性好。

圖7 馬氏試件冷卻后效果圖 (a) 礦料+70#基質(zhì)瀝青+雙效溫拌劑；(b) 礦料+SBS改性瀝青；(c) 壓實混合料切面圖；(d) 切面微觀組分圖

1.4 雙效溫拌劑對瀝青玻璃化溫度影響研究

瀝青玻璃化溫度是動力學轉(zhuǎn)變溫度，為主要鏈段開始運動或被凍結(jié)的溫度，影響瀝青的粘彈性、變形溫度等，通過差示掃描量熱儀(DSC)來分析雙效溫拌劑對瀝青玻璃化溫度影響，結(jié)果見圖8.

圖8 添加溫拌劑前后瀝青玻璃化溫度的變化

瀝青玻璃化溫度較寬泛，通過軟件處理做切線得出，從圖8中可以看出添加溫拌劑后，瀝青玻璃化溫度略有下降，分析原因是溫拌劑中的POE及油脂降低了瀝青的玻璃化溫度，Tg降低有利于低溫延度及低溫最大彎拉應變，在提高瀝青混合料高溫動穩(wěn)定度的同時(表4)，保證了瀝青混合料的低溫性能。

2 SMA-8型級配試驗評價

前期研究中采用的AC-20級配為連續(xù)型級配，其特點是礦料為石灰?guī)r，不加入纖維；接下來采用SMA-8型級配進行進一步研究，其為間斷級配，特點是礦料為玄武巖，加入纖維，抗疲勞效果較好。以106T為基體，改性得到自制GL-16-7雙效溫拌劑，其中GL-16-7雙效溫拌劑含有與瀝青能發(fā)生化學反應的聚環(huán)烯烴，其側(cè)鏈為梳型咪唑類活性溫拌改性劑。選取國外Sasobit溫拌劑做對比[18]，Sasobit是一款應用普遍的溫拌劑，能夠顯著降低瀝青在135 ℃以上時的粘度,其公司開發(fā)出具有溫拌性能同時能夠提高瀝青路用性能的溫拌劑，以此為對比組評價自制雙效溫拌劑106T、GL-16-7，將Sasobit雙效溫拌劑、106T雙效溫拌劑、GL-16-7雙效溫拌劑分別與70#基質(zhì)瀝青摻加進行降溫評價，Sasobit雙效溫拌劑最佳用量為瀝青用量的3%，綜合成本考慮，106T雙效溫拌劑、GL-16-7雙效溫拌劑的用量分別為礦料用量的0.45%、0.5%。

2.1 溫拌瀝青黏溫曲線

通過布氏黏度計法分別測定120、135、150、165、180 ℃5個試驗溫度下的瀝青黏度，繪制成如圖9所示瀝青黏溫曲線?？梢钥闯鱿嗤瑴囟认?，添加Sasobit溫拌劑的瀝青黏度較低，可能由于其有機蠟質(zhì)對瀝青的潤滑降黏作用，而表面活性劑類的溫拌劑以降低集料與瀝青界面拌合做功為主，但相比基質(zhì)瀝青及改性瀝青仍有降黏效果，對106T、GL-16-7黏溫曲線進行擬合分析，建立多項式擬合方程，分別得到y(tǒng)=0.0879x2- 0.7161x+ 1.61，R2=0.9877；y=0.0979x2- 0.8081x+ 1.798，R2=0.9912，兩者R2趨近于1，說明黏溫曲線可靠性較高，曲線符合實際趨勢。

圖9 瀝青黏溫曲線

2.2 溫拌瀝青混合料體積指標曲線

試驗采用馬歇爾擊實成型方法(75次)，分別測定120、135、150、165、180 ℃5個試驗溫度下的混合料空隙率，繪制不同溫拌劑的拌合溫度對空隙率的影響曲線圖10。從圖10中可以看出，摻加溫拌劑后混合料的空隙率較未添加之前均快速下降到4%左右，均在150 ℃拌合溫度下達到適合的空隙率。相比改性瀝青180 ℃拌合溫度，添加三種溫拌劑的混合料降溫幅度明顯，效果相差不大。

圖10 混合料體積指標曲線

2.3 溫拌瀝青混合料路用性能

以70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)為參照對比，從空隙率/%、穩(wěn)定度/kN、流值/mm、高溫動穩(wěn)定度/(次·mm-1)、低溫最大彎拉應變(με)、水穩(wěn)定性TSR/%來評價其混合料體積指標和路用性能，拌合流程及拌合參數(shù)如表5，試驗結(jié)果如表6。

表5 拌合流程及拌合參數(shù)

表6 混合料路用性能

從表6中可以看出混合料空隙率在4%左右時，添加溫拌劑之后混合料的穩(wěn)定度和流值在規(guī)范要求范圍內(nèi)，添加GL-16-7和Sasobit的混合料高溫動穩(wěn)定度大幅提升，而添加106T后高溫動穩(wěn)定度反而下降嚴重，分析原因可能是玄武巖堿性程度弱于石灰?guī)r、或是纖維吸附了部分溫拌劑，導致106T溫拌劑無法有效融化裹覆在石料表面，而溫拌劑GL-16-7中的咪唑類側(cè)基與集料熔融分散較好，環(huán)烯烴與瀝青發(fā)生化學反應使得混合料的高低溫性能表現(xiàn)優(yōu)異，低溫性能優(yōu)于Sasobit的混合料，綜合性能在SMA-8型級配中最佳。

3 結(jié)語

(1) 自制的雙效溫拌劑主要機理并不是降低瀝青高溫黏度，而是通過表面活性劑裹覆集料表面，降低集料與瀝青的拌合做功來達到降低拌合溫度，相比改性瀝青拌合溫度能夠降溫30 ℃；通過混合料的空隙率指標來確定拌合溫度更為準確。

(2) 106T雙效溫拌劑在AC-20級配中能夠滿足路用性能，達到改性瀝青的路用性能，而GL-16-7雙效溫拌劑在SMA-8型級配中的高低溫性能均佳，綜合性能好于Sasobit混合料，說明雙效溫拌劑在降溫幅度30 ℃時能夠兼顧降溫效果和路用性能。

(3) 由于溫拌劑添加量較小，提升溫拌劑與集料干拌時的分散效果可以進一步優(yōu)化溫拌劑使用效果。