降黏型溫拌劑最佳摻量及降溫幅度快速確定方法研究

徐志勇,陳剛,戚智勇,鐘佑明,王思堯

摘 要：降黏型溫拌瀝青混合料目前在工程中常以“廠家推薦摻量+混合料體積指標(biāo)驗證”的方式來確定其溫拌劑摻量與降溫幅度，對于不同的改性瀝青類型缺乏區(qū)分度，驗證過程繁瑣。為了更好的指導(dǎo)降黏型溫拌劑的應(yīng)用，使溫拌混合料發(fā)揮其最佳效果，文章通過試驗研究，提出了一種以粘韌性指標(biāo)確定溫拌劑最大摻量閾值，以多點黏溫曲線確定降溫幅度的方法。在實際應(yīng)用過程中，溫拌劑最佳摻量按降溫幅度需求在摻量閾值范圍內(nèi)確定。該方法操作簡單，對于不同的改性瀝青更有針對性，具有良好的經(jīng)濟性與工程實用性。

關(guān)鍵詞：溫拌瀝青混合料;降黏型溫拌劑;最佳摻量;降溫幅度

0 引言

溫拌瀝青混合料（WMA）拌合、壓實溫度低，施工能耗小、煙氣排放量低、環(huán)境污染小，有著減少材料溫度離析，降低瀝青膠結(jié)料的老化，延長施工時間，改善和易性等潛在的效益，同時又具有與熱拌瀝青混合料相當(dāng)?shù)穆酚眯阅?，越來越受到人們的歡迎[1-2]。根據(jù)降溫機理的不同，現(xiàn)有溫拌技術(shù)基本可歸納為三類：瀝青發(fā)泡類、有機降黏類和表面活性類。目前，我國有機降黏類溫拌劑的應(yīng)用較多，其降溫機理是在瀝青或混合料中添加低熔點的有機類改性劑，改變?yōu)r青的粘溫曲線，使得瀝青的高溫粘度下降，降低生產(chǎn)溫度[3]。在工程應(yīng)用中常以“廠家推薦摻量+混合料體積指標(biāo)驗證”的方式來確定其溫拌劑摻量與降溫幅度，對于不同的瀝青類型缺乏區(qū)分度，驗證過程費時費力[4]。為了更好的指導(dǎo)有機降黏型溫拌劑的應(yīng)用，文章開展了降黏型溫拌劑最佳摻量及施工溫度快速確定方法進行研究，提出了一種以粘韌性指標(biāo)確定溫拌劑最大摻量閾值，以多點黏溫曲線確定降溫幅度的方法，該方法操作步驟簡單，且對不同的改性瀝青更具針對性。

1 溫拌劑及改性瀝青的選擇

為研究有機降黏型溫拌劑對改性瀝青關(guān)鍵指標(biāo)的影響，選取市面上常見的某路用有機降黏型路用溫拌劑及道路工程中常用的A、B兩種不同油源SBS改性瀝青作為試驗原材料，所用溫拌劑滿足《溫拌瀝青混凝土規(guī)范》（GB/T30596-2014）相關(guān)技術(shù)要求，SBS改性瀝青各項技術(shù)性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）相關(guān)技術(shù)要求，分別如表1和表2所示。

2 溫拌劑摻量的確定

為研究不同溫拌劑摻量對瀝青的關(guān)鍵指標(biāo)的影響，將溫拌劑分別以瀝青質(zhì)量的1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%等5個摻量梯度分別加入兩種SBS改性瀝青中，制作不同摻量的溫拌瀝青樣品，并測試溫拌瀝青的針入度、軟化點、延度（5℃）、粘韌性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，試驗結(jié)果如表3所示。為了更直觀的研究溫拌劑對改性瀝青的影響程度，計算不同溫拌劑摻量條件下溫拌瀝青A和B各關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的變化率，繪于圖1之中。其中，溫拌瀝青制作過程如下：將SBS改性瀝青加熱至165℃～175℃，使其具有較好的流動狀態(tài)，（具體溫度根據(jù)實際瀝青流動狀態(tài)確定），然后加入溫拌劑，恒溫狀態(tài)下以4 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，使溫拌劑熔化并均勻分布于瀝青中。

綜合表3和圖1可知，對于兩種改性瀝青而言，其各技術(shù)指標(biāo)隨溫拌劑摻量的增加，均出現(xiàn)不同程度的減小。其中，粘韌性技術(shù)指標(biāo)降低的幅度最大，延度指標(biāo)次之，這說明溫拌劑對瀝青粘韌性指標(biāo)的影響最為顯著，對延度指標(biāo)的影響次之，對針入度和軟化點指標(biāo)影響相對較小。

將表3所列的不同溫拌劑摻量條件下溫拌瀝青粘韌性試驗檢測結(jié)果繪于圖2，從圖2可以看出，隨著溫拌劑摻量的增加，粘韌性指標(biāo)值不斷減小，二者具有良好的負相關(guān)關(guān)系。

黏韌性是表征改性瀝青改性效果的重要指標(biāo)，與改性瀝青性能息息相關(guān)。因此，對于改性瀝青需要保證他的粘韌性指標(biāo)，根據(jù)國外相關(guān)研究與應(yīng)用經(jīng)驗，對于提高粘附性的改性瀝青，粘韌性指標(biāo)要求不小于16 N·m[7]?；诖?，文章提出以粘韌性為主控制指標(biāo)，以針入度、軟化點、延度（5℃）為輔助驗證指標(biāo)，進行溫拌劑摻量確定。

在實際應(yīng)用時，在廠家推薦摻量范圍的基礎(chǔ)上選擇，4～6個摻量進行粘韌性測試，擬合粘韌性與摻量的相關(guān)關(guān)系式，以粘韌性技術(shù)指標(biāo)等于16 N·m為閾值，通過擬合公式計算得到對應(yīng)的溫拌劑的最大摻量，考慮到降溫效果隨著溫拌劑摻量的增大而提高，因此在經(jīng)濟條件允許的情況下，可采用針入度、軟化點、延度（5℃）滿足相關(guān)要求的最大摻量作為最佳摻量。

對于改性瀝青A，粘韌性與溫拌劑摻量相關(guān)關(guān)系為：y=-337x+31.915（R2= 0.991 5）。當(dāng)y=16時，計算得到x=

4.72%，根據(jù)表3所列試驗結(jié)果，當(dāng)溫拌劑摻量為4.72%時，該溫拌瀝青的針入度、軟化點、延度（5℃）均滿足相關(guān)要求，即該溫拌劑對于改性瀝青A的最大摻量為4.72%。

對于改性瀝青B，粘韌性與溫拌劑摻量相關(guān)關(guān)系為：y=-397x+33.495（R2=0.975 4）。當(dāng)y=16時，計算得到x=4.40%，根據(jù)表3所列試驗結(jié)果，當(dāng)溫拌劑摻量為4.40%時，該溫拌瀝青的針入度可能不滿足要求，因此在實際應(yīng)用時可考慮采用4.0%為最大摻量進行針入度等指標(biāo)的驗證。

3 降溫幅度確定

大量研究表明黏度的對數(shù)值與溫度具有較好的線性關(guān)系[8]，文章分別檢測了兩種改性瀝青原樣及其3.5%溫拌劑摻量下的溫拌瀝青在115℃、135℃、155℃、175℃條件下的旋轉(zhuǎn)黏度，并對黏度對數(shù)值隨溫度變化情況進行曲線擬合，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)已有研究與工程經(jīng)驗，對于SBS改性瀝青，可采用0.35±0.05 Pa·s與1.15±0.05 Pa·s黏度處對應(yīng)的溫度作為其混合料的拌和與壓實溫度[9-10]，降溫幅度即原樣瀝青與溫拌瀝青壓實溫度之差。根據(jù)圖3中黏-溫曲線計算，得到在溫拌劑摻量為瀝青質(zhì)量的3.5%條件下：對于改性瀝青A，其降溫幅度為23.4℃;對于改性瀝青B，其降溫幅度為20.5℃。

在計算溫拌劑對瀝青最大降溫幅度時，將以粘韌性為主控制指標(biāo)（不小于16 N·m），以針入度、軟化點、延度（5℃）為輔助驗證指標(biāo)，確定的最大溫拌劑摻量，制作溫拌瀝青，按照上述辦法進行最大降溫幅度測算。

4 溫拌瀝青混合料性能對比驗證

4.1 溫拌劑摻量及拌合溫度

為了驗證文章提出的溫拌劑摻量與降溫幅度確定方法的適用性，以前文所述溫拌劑和瀝青A，進行SMA-13溫拌混合料設(shè)計。比較相同級配條件下溫拌與熱拌瀝青混合料的路用性能指標(biāo)。

在配合比設(shè)計前，首先進行溫拌劑摻量和最大降溫幅度確定，根據(jù)前文研究結(jié)果改性瀝青A最大溫拌劑摻量為瀝青質(zhì)量的4.72%，因此以溫拌劑摻量4.7%在室內(nèi)制作溫拌瀝青，按照第3節(jié)所述的降溫幅度確定方法，計算得到最大降溫幅度為34.8℃，室內(nèi)制件時以降溫幅度35℃進行控制。對于SBS改性瀝青SMA-13熱拌混合料，根據(jù)規(guī)范推薦結(jié)合實際應(yīng)用經(jīng)驗確定拌合壓實溫度，相應(yīng)的溫拌混合料在此基礎(chǔ)上降低35℃，具體拌合、壓實溫度控制范圍如表4所示。

4.2 試驗材料

4.2.1 集料與礦粉

所用集料按粒徑不同劃分為四個檔次：1#（10 mm～15 mm）、2#（5 mm～10 mm）、3#（3 mm～5 mm）、細集料（0 mm～3 mm），均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。其中，1#、2#集料為玄武巖，3#、細集料和礦粉為石灰?guī)r，其密度試驗結(jié)果如表5所示。

4.2.2 纖維

纖維采用木質(zhì)素纖維，其技術(shù)指標(biāo)如表6所示，滿足公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求。

4.3 溫拌混合料配合比

設(shè)計的SMA-13混合料級配曲線如圖4所示，設(shè)計油石比為6.0%，馬歇爾試驗結(jié)果如表7所示，相關(guān)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

4.4 混合料性能對比分析

采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗以及低溫小梁彎曲試驗，分別對設(shè)計的溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能、高/低溫穩(wěn)定性能進行了驗證，并與相同原材料的熱拌瀝青混合料路用性能進行比較，試驗結(jié)果匯總于表8所示。

由表8可知，從路用性能試驗結(jié)果來看，相同原材料設(shè)計的SMA-13溫拌瀝青混合料，相比于熱拌瀝青混合料，其抗水損害和高溫穩(wěn)定性有一定程度的增強，而低溫性能略有衰減，兩者各技術(shù)指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

文章提出了一種降黏型溫拌劑最佳摻量及降溫幅度的快速確定方法，并通過混合料試驗進行了驗證，文章研究結(jié)論如下：

（1）通過溫拌劑對瀝青關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的影響研究，提出了以粘韌性為主控制指標(biāo)（不小于16 N·m），以針入度、軟化點、延度（5℃）為輔助驗證指標(biāo)的最大溫拌劑摻量確定方法;

（2）提出了在最大溫拌劑摻量條件下，通過溫拌瀝青四點黏溫曲線確定最大降溫幅度的方法;

（3）通過溫拌SMA-13配合比設(shè)計及性能驗證，進行了最大溫拌劑摻量及降溫幅度確定方法的適用性驗證，結(jié)果表明，在確定的最大溫拌劑摻量及降溫幅度條件下，溫拌瀝青混合料各技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)要求，與相同原材料的熱拌瀝青混合料性能相當(dāng)。

參考文獻：

[1]王福滿.不同溫拌劑對瀝青性能及混合料降溫效果影響研究[D].長安大學(xué)，2016.

[2]左鋒，葉奮.國外溫拌瀝青混合料技術(shù)與性能評價[J].中外公路，2007（6）：164-168.

[3]陳志一.不同添加劑對溫拌瀝青混合料路用性能的研究[J].中外公路，2017，27（6）：168-170.

[4]吳超凡.添加Sasobit溫拌瀝青混合料的拌合與壓實溫度確定[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，37（8）：1-5.

[5]GBT30596-2014，溫拌瀝青混凝土[S].

[6]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[7]日本道路協(xié)會.鋪裝設(shè)計施工指針[M].丸善出版，2006.

[8]王麗君.溫拌劑對瀝青性能影響研究[D].中國石油大學(xué)（華東），2017.

[9]張爭奇，李寧利，陳華鑫.改性瀝青混合料拌和與壓實溫度確定方法[J].交通運輸工程學(xué)報，2007（2）：36-40.

[10]National Cooperative Highway Research Program Report459，Characterization of Modified Asphalt Binders in Superpave Mix Design[M].2001：3-10.

[11]陳華鑫，盧軍，彭廷，等.改性瀝青的粘度特性和施工溫度控制[J].石油瀝青，2003（4）：43-46.