表面活性劑對(duì)瀝青經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的影響研究

王慧博，王黎明，周 輝

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)具有節(jié)能環(huán)保、改善施工環(huán)境等特點(diǎn)，既避免了熱拌瀝青混合料的污染，又能夠保證路面性能滿(mǎn)足要求，在全球節(jié)能環(huán)保和綠色施工的趨勢(shì)下，成為瀝青路面的重要施工技術(shù)方向之一[1]。隨著溫拌技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出幾種基于不同技術(shù)原理的溫拌技術(shù)：

1)瀝青發(fā)泡降黏溫拌技術(shù)；2)摻入輕質(zhì)油分稀釋降黏技術(shù)；3)摻入高熔點(diǎn)烷烴(石蠟)降黏溫拌技術(shù)；4)基于表面活性劑的溫拌技術(shù)。其中基于表面活性劑原理的溫拌技術(shù)具有以下特點(diǎn)：第一，其溫拌劑摻量非常小，大部分基于表面活性原理的溫拌劑產(chǎn)量比例均在瀝青質(zhì)量的1%以下；第二，其溫拌劑摻加方便，隨瀝青罐車(chē)卸瀝青時(shí)卸至卸油池中，然后泵送至瀝青儲(chǔ)存罐即可；第三，對(duì)瀝青性能影響較小，摻加后瀝青仍能滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[2]中的相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；第四，其溫拌劑摻加成本較低。目前，該技術(shù)已成為溫拌劑市場(chǎng)的主流。但目前我國(guó)所使用的基于表面活性原理的溫拌劑大部分來(lái)自于國(guó)外企業(yè)，國(guó)外企業(yè)對(duì)我國(guó)高價(jià)銷(xiāo)售其產(chǎn)品，增加了我國(guó)溫拌技術(shù)的使用成本。表面活性劑的種類(lèi)繁多，因此，探究表面活性劑在混合料溫拌中的適用性，能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)出有效的表面活性溫拌劑指引方向，具有重要的意義。

本研究選用三種表面活性劑，在驗(yàn)證其溫拌效果的基礎(chǔ)上，探究表面活性劑對(duì)瀝青的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的影響，判斷其是否適用于瀝青混合料溫拌技術(shù)。

1 試驗(yàn)概況

本研究所制備的溫拌瀝青以及瀝青混合料所采用的原材料的相關(guān)指標(biāo)以及瀝青混合料的相關(guān)配合比如下。

1.1 瀝青與礦料

試驗(yàn)選用90號(hào)道路石油瀝青、標(biāo)準(zhǔn)篩孔分檔玄武巖集料、石灰石礦粉，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～表3，均滿(mǎn)足相關(guān)的技術(shù)要求。

表1 90號(hào)道路石油瀝青試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表2 集料試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

表3 填料(石灰石礦粉)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

1.2 表面活性劑

表面活性劑種類(lèi)繁多，按其親水基團(tuán)可分為：陰離子型表面活性劑、陽(yáng)離子型表面活性劑以及非離子型表面活性劑，由于非離子型表面活性劑能很好地溶于烴類(lèi)介質(zhì)中，理論上能夠很好地與瀝青相溶。因此，本研究選擇三種非離子型表面活性劑(分析純)：油酸酰胺(C18H35NO)、芥酸酰胺(C22H43NO)與Span80(C24H44O6)。

1.3 瀝青混合料配合比

試驗(yàn)混合料選用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的AC-13中值級(jí)配，由標(biāo)準(zhǔn)篩孔分檔集料逐級(jí)回配得到，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定混合料最佳瀝青用量為5.0%。

2 溫拌效果驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證三種表面活性劑的溫拌效果，本研究通過(guò)變溫度拌和裹附率來(lái)表征三種表面活性劑在較低溫度下是否易于拌和。向基質(zhì)瀝青中分別摻加0.9%的上述三種表面活性劑，在135 ℃的恒溫條件下用電動(dòng)攪拌器以400 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30 min，以制備溫拌瀝青。在不同溫度下進(jìn)行變溫度拌和裹附率試驗(yàn)。

2.2 變溫度拌和裹附率試驗(yàn)

溫拌效果體現(xiàn)于降低拌合溫度時(shí)，混合料能夠拌和均勻。本節(jié)通過(guò)測(cè)定瀝青混合料的變溫度拌和裹附率來(lái)驗(yàn)證三種表面活性劑的溫拌效果。裹附率試驗(yàn)是由美國(guó)AASHTO提出用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料拌和均勻程度的指標(biāo)。

試驗(yàn)過(guò)程如下：采用125 ℃，135 ℃，145 ℃，155 ℃作為拌合溫度，采用1.3節(jié)中礦料級(jí)配與瀝青用量，以及0.9%的表面活性劑摻量。采用30 s+30 s的兩次拌和方式，以提高裹附率對(duì)溫度的敏感性，拌和完成后趁熱篩出粒徑為9.5 mm以上的集料并整齊且不重疊地排列在白色背景上，計(jì)算裹附率。摻入0.9%三種表面活性劑的瀝青以及基質(zhì)瀝青在不同拌合溫度下的拌合裹附率如圖1所示。

由圖1可知，摻入三種表面活性劑的瀝青混合料在145 ℃溫度拌和時(shí)即可達(dá)到100%裹附率，可降低10 ℃拌合溫度，具有一定溫拌效果。

3 對(duì)瀝青經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的影響

作為溫拌添加劑應(yīng)該兼具提高瀝青混合料的施工工作性與保證瀝青的服役性能仍能滿(mǎn)足要求的能力。前述試驗(yàn)部分說(shuō)明了三種表面活性劑具有一定的溫拌效果，本節(jié)進(jìn)一步對(duì)選用三種表面活性劑制備的瀝青試樣的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證其各指標(biāo)能否達(dá)到規(guī)范要求，并與基質(zhì)瀝青進(jìn)行對(duì)比，探究表面活性劑對(duì)瀝青經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的影響。

3.1 對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

瀝青的軟化點(diǎn)是指瀝青試件受熱軟化而下垂時(shí)的溫度，是瀝青達(dá)到相應(yīng)規(guī)定黏度的一個(gè)溫度[3]。瀝青的軟化點(diǎn)反映了瀝青的高溫性能和感溫性能。

本節(jié)內(nèi)容依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用環(huán)球法對(duì)摻加0.3%，0.5%，0.7%，0.9%三種表面活性劑的瀝青試樣的軟化點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，將其繪制在圖2中。本試驗(yàn)所采用的基質(zhì)瀝青為90號(hào)道路石油瀝青，其軟化點(diǎn)為47.1 ℃?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定90號(hào)道路石油瀝青的軟化點(diǎn)應(yīng)不小于45 ℃，將該規(guī)定繪制于圖2中，如圖2中水平線所示。

表4 瀝青軟化點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

由圖2可以看出，三種表面活性劑都能夠使瀝青的軟化點(diǎn)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，且隨著三種表面活性劑摻量的增加，瀝青試樣的軟化點(diǎn)逐漸降低。其中，同等摻量的芥酸酰胺使瀝青軟化點(diǎn)的降幅最大，當(dāng)摻入0.9%芥酸酰胺時(shí)，軟化點(diǎn)下降2.0 ℃；Span80次之，當(dāng)摻入0.9%Span80時(shí)，軟化點(diǎn)下降1.7 ℃；油酸酰胺使瀝青軟化點(diǎn)的降幅最小，當(dāng)摻入0.9%油酸酰胺時(shí)，軟化點(diǎn)下降1.3 ℃。所測(cè)得瀝青試樣軟化點(diǎn)均在圖中水平線以上。所以，三種表面活性劑均會(huì)使瀝青的軟化點(diǎn)有不同程度的下降，均會(huì)輕度降低瀝青的高溫穩(wěn)定性。

3.2 對(duì)瀝青針入度的影響

瀝青的針入度[4]是表示瀝青軟硬程度、稠度以及抵抗剪切破壞的能力，反映一定條件下瀝青相對(duì)黏度的指標(biāo)。本節(jié)內(nèi)容依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的方法測(cè)定瀝青試樣在25 ℃溫度下的針入度。各瀝青試樣在25 ℃下的針入度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各瀝青試樣在25 ℃溫度下的針入度

將表5測(cè)試結(jié)果繪制于圖3中。

由圖3可得，三種表面活性劑均會(huì)使瀝青的25 ℃針入度變大，且隨著表面活性劑摻量的增加，針入度逐漸增大，說(shuō)明三種表面活性劑都有使瀝青變軟的趨勢(shì)?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》中要求90號(hào)道路石油瀝青的25 ℃針入度范圍為80～100，添加表面活性劑后的瀝青試樣的25 ℃針入度均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

3.3 對(duì)瀝青延度的影響

瀝青的延度表征瀝青的延展性，是評(píng)價(jià)瀝青塑性的重要指標(biāo)，瀝青的延度越大，表明瀝青的塑性越好[5-6]。通過(guò)對(duì)瀝青試樣進(jìn)行15 ℃和10 ℃的延度測(cè)試，所測(cè)得瀝青試樣延度結(jié)果均大于100 cm，均滿(mǎn)足規(guī)范中對(duì)瀝青10 ℃和15 ℃延度的要求，但無(wú)法通過(guò)測(cè)得延度的差異探究對(duì)延度的影響，因此，本節(jié)對(duì)所有瀝青試樣進(jìn)行5 ℃的延度測(cè)試，通過(guò)對(duì)比5 ℃的延度測(cè)試結(jié)果探究對(duì)延度的影響。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各瀝青試樣5 ℃的延度測(cè)試結(jié)果

將表6測(cè)試結(jié)果繪制于圖4中。

由圖4可得，三種表面活性劑均會(huì)使瀝青試樣的5 ℃延度有增加的趨勢(shì)，且隨著三種表面活性劑摻量的增加，瀝青試樣的5 ℃延度也逐漸增加。由此說(shuō)明三種表面活性劑使瀝青的延展性增強(qiáng)，改善了瀝青的低溫性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究在驗(yàn)證三種表面活性劑的溫拌效果的基礎(chǔ)上，探究其對(duì)瀝青的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的影響，得出以下結(jié)論：

1)三種表面活性劑均具有一定的溫拌效果，可降低10 ℃拌合溫度。

2)摻入0%～0.9%的三種具有溫拌效果的表面活性劑使瀝青試樣的軟化點(diǎn)逐漸降低，25 ℃針入度逐漸增大，5 ℃延度逐漸增大，但各經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3)三種非離子型表面活性劑適用于瀝青混合料溫拌技術(shù)。