溫拌劑對(duì)系列SMA瀝青混合料高低溫性能研究

張 濤，吳金榮,2，王 崢

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

近年來(lái)隨著瀝青路面的發(fā)展及“節(jié)能環(huán)保綠色發(fā)展”理念的貫徹實(shí)施，道路建設(shè)者們愈發(fā)注重能源消耗、污染排放和綠色生產(chǎn)相關(guān)研究，為彌補(bǔ)熱拌瀝青混合料在生產(chǎn)和攤鋪過(guò)程中施工溫度高、污染大、致癌及瀝青老化等缺陷，溫拌劑應(yīng)運(yùn)而生。溫拌劑分為有機(jī)降黏型Sasobit和表面活性劑型Evotherm兩種。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)市面上的各種溫拌劑進(jìn)行了研究，Ali Behnood等[1]發(fā)現(xiàn)在諸多改性瀝青中加入Sasobit增加了抗車轍性，Evotherm M1的加入并不能顯著影響瀝青的高溫性能。何永泰等[2]發(fā)現(xiàn)自行研發(fā)的表面活性溫拌劑對(duì)瀝青基本性能影響較小，有機(jī)降黏型溫拌劑大幅降低瀝青針入度、黏度、提高其軟化點(diǎn)；表面活性溫拌劑瀝青抗老化、瀝青-集料黏結(jié)性能優(yōu)于有機(jī)降黏溫拌劑。宋云連等[3]發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)有機(jī)降黏RH溫拌劑和表面活性Evotherm溫拌劑對(duì)不同瀝青的高溫性能影響不同，對(duì)低溫性能均有改善效果?？琢钤频萚4]發(fā)現(xiàn)Sasobit溫拌劑是通過(guò)改變?yōu)r青表面自由能、極性分量、色散分量達(dá)到影響瀝青混合料路用性能的。

JY-W1溫拌劑是一種基于有機(jī)溶劑技術(shù)的棕褐色液體溫拌劑，濕拌法摻加到瀝青中，會(huì)與瀝青發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成較為穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青不容易變形，使其軟化點(diǎn)提高、針入度降低，會(huì)使瀝青變硬變稠，高溫性能得到改善[5-6]。

瀝青中溫拌劑的加入與各組分相互作用形成的結(jié)構(gòu)決定著瀝青的黏度[7]。JY-W1溫拌劑加入熱瀝青中，其有效分子會(huì)進(jìn)入膠質(zhì)-瀝青質(zhì)片狀分子之間，形成新的聚集體，降低了瀝青分子結(jié)構(gòu)自由能，釋放出膠團(tuán)結(jié)構(gòu)中裹覆的飽和成分，膠團(tuán)體系的分散度增加，瀝青的黏度降低。紅外光譜發(fā)現(xiàn)瀝青中含有大量長(zhǎng)鏈烷烴、不飽和烴、芳環(huán)、苯環(huán)芳香烴等[8]，溫拌劑中相關(guān)基團(tuán)與瀝青質(zhì)、膠質(zhì)芳香側(cè)邊基團(tuán)形成H鍵，借助H鍵的能力在芳香環(huán)側(cè)鏈形成烷基長(zhǎng)鏈基團(tuán)，使瀝青質(zhì)聚集體外圍形成一個(gè)非極性的環(huán)境，阻礙了瀝青質(zhì)或膠質(zhì)與飽和分、芳香分的重新聚集，起到屏蔽作用。溫拌劑的作用使得膠質(zhì)、瀝青質(zhì)之間的作用不再規(guī)則，結(jié)構(gòu)松散，自由度增加，聚集體數(shù)量增加，分散相體積減小，連續(xù)相體積增大，有利于降黏[9]。JY-W1溫拌劑內(nèi)含合成蠟，其熔點(diǎn)較低，高溫時(shí)，合成蠟融化，使得加入溫拌劑的瀝青黏度較原樣瀝青低，溫度敏感性增大，適當(dāng)降溫時(shí)，瀝青中飽和分與溫拌劑中相似成分析出，形成空間晶格，這種晶格結(jié)構(gòu)大大降低了瀝青的高溫流變性能，瀝青混合料抗變形能力增強(qiáng)，JY-W1溫拌劑降低瀝青混合料拌和攤鋪溫度，延長(zhǎng)施工季節(jié)，減少能源消耗及CO、SO2、NOx等有害氣體排放[10]。

在SMA-10、SMA-13、SMA-16級(jí)配瀝青混合料添加JY-W1溫拌劑，通過(guò)針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)檢測(cè)溫拌瀝青性能，采用50次、75次擊實(shí)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)研究拌和溫度對(duì)SMA瀝青混合料高溫性能的影響，采用小梁彎曲試驗(yàn)研究溫拌劑對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響。

1 試驗(yàn)及原材料

試驗(yàn)采用AH-70#重交道路瀝青，溫拌劑為江蘇金陽(yáng)新材料科技有限公司提供的JY-W1溫拌劑，其密度為0.9～0.96 g/cm3，黏度為520 MPa·s，為有機(jī)降黏型棕褐色液體溫拌劑。試驗(yàn)采用濕拌法將瀝青加熱熔化，以瀝青用量的0.5%(質(zhì)量百分比)加入溫拌劑，充分?jǐn)嚢鑲溆茫湫阅苤笜?biāo)見(jiàn)表1。粗、細(xì)集料為淮南本地產(chǎn)石灰?guī)r和機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r礦粉，級(jí)配為SMA-10、SMA-13、SMA-16，集料級(jí)配見(jiàn)表2，纖維采用玄武巖纖維，摻量為混合料的0.4%[11]。

表1 溫拌劑改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 集料級(jí)配(質(zhì)量百分比) %

采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)研究瀝青混合料的高低溫性能，混合料熱拌溫度為165 ℃(對(duì)照組)，摻加溫拌劑混合料拌和溫度為155 ℃、145 ℃、135 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫性能

試驗(yàn)選用50次、75次擊實(shí)的SMA-10、SMA-13、SMA-16馬歇爾試件，分別測(cè)得其干燥質(zhì)量、表干質(zhì)量、水中質(zhì)量等，計(jì)算試件的孔隙率、相對(duì)密度等，將試件放入恒溫水浴箱保溫40 min，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。

引入馬歇爾模數(shù)T(kN/mm)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：T為試件馬歇爾模數(shù)(kN/mm)，MS為試件穩(wěn)定度(kN)，F(xiàn)L為試件流值(mm)

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制各SMA試件馬歇爾模數(shù)與拌和溫度關(guān)系，如圖1所示。

(a)SMA-10 (b)SMA-13 (c)SMA-16

2.1.1 擊實(shí)次數(shù)對(duì)馬歇爾模數(shù)的影響

由圖1可知：SMA瀝青混合料，165 ℃熱拌，隨著擊實(shí)次數(shù)增加，SMA-10瀝青混合料馬歇爾模數(shù)下降，SMA-13瀝青混合料上升，SMA-16瀝青混合料基本不變，提高擊實(shí)次數(shù)可以改善SMA-13熱拌瀝青混合料的高溫性能；摻加溫拌劑155 ℃溫拌時(shí)，隨著擊實(shí)次數(shù)增加，SMA-10瀝青混合料馬歇爾模數(shù)下降，SMA-13略有下降，SMA-16瀝青混合料馬歇爾模數(shù)大幅上升；145 ℃溫拌時(shí)隨著擊實(shí)次數(shù)增加，SMA-10、SMA-13瀝青混合料馬歇爾模數(shù)不同程度增加，SMA-16瀝青混合料馬歇爾模數(shù)變化不明顯；135 ℃溫拌時(shí)隨著擊實(shí)次數(shù)增加，SMA-10瀝青混合料馬歇爾模數(shù)大幅增加，SMA-13、SMA-16瀝青混合料馬歇爾模數(shù)下降。說(shuō)明不摻加溫拌劑時(shí)增加擊實(shí)次數(shù)，破壞了SMA-10混合料試件中集料完整性[12]，高溫穩(wěn)定性減弱，而摻入溫拌劑，適當(dāng)?shù)陌韬蜏囟认?，通過(guò)增加擊實(shí)次數(shù)提高了SMA瀝青混合料集料嵌擠程度，混合料密實(shí)度提高，抗變形能力增強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性提高。

2.1.2 拌和溫度對(duì)馬歇爾模數(shù)的影響

由圖1可知：50次擊實(shí)摻入溫拌劑SMA-10瀝青混合料155 ℃溫拌時(shí)，馬歇爾模數(shù)增加為3.46 kN/mm，較熱拌提高70.4%；SMA-13瀝青混合料135 ℃溫拌時(shí)馬歇爾模數(shù)增加為3.99 kN/mm，較熱拌提高262.7%；SMA-16瀝青混合料135 ℃溫拌時(shí)，馬歇爾模數(shù)增加為2.98 kN/mm，較熱拌提高16.9%；75次擊實(shí)摻入溫拌劑SMA-10瀝青混合料135 ℃溫拌時(shí)，馬歇爾模數(shù)增加為3.17 kN/mm，較熱拌提高126.4%；SMA-13瀝青混合料145 ℃溫拌時(shí)，馬歇爾模數(shù)下降為3.53 kN/mm，較熱拌降低16.7%；SMA-16瀝青混合料155 ℃溫拌時(shí)，馬歇爾模數(shù)增加為3.63 kN/mm，較熱拌提高41.8%。綜上所述，155 ℃拌和溫度適合50次擊實(shí)的SMA-10和75次擊實(shí)的SMA-16瀝青混合料，145 ℃拌和溫度適合75次擊實(shí)的SMA-10瀝青混合料,135 ℃拌和溫度適合50次擊實(shí)的SMA-13瀝青混合料。

2.1.3 級(jí)配類型對(duì)馬歇爾模數(shù)的影響

50次擊實(shí)，不摻溫拌劑，165 ℃熱拌時(shí)，SMA-16馬歇爾模數(shù)較高為2.55 kN/mm，該級(jí)配高溫性能較優(yōu)。摻入溫拌劑155 ℃溫拌時(shí)，SMA-10、SMA-13瀝青混合料馬歇爾模數(shù)增加，SMA-16馬歇爾模數(shù)下降。145 ℃溫拌時(shí)，SMA-13瀝青混合料馬歇爾模數(shù)增加，SMA-10、SMA-16瀝青混合料馬歇爾模數(shù)下降。135 ℃溫拌時(shí)，SMA-10瀝青混合料馬歇爾模數(shù)基本不變，SMA-13、SMA-16馬歇爾模數(shù)不同程度增加。75次擊實(shí)，不摻溫拌劑165 ℃熱拌時(shí)，SMA-13馬歇爾模數(shù)較大為4.24 kN/mm，該級(jí)配高溫性能較優(yōu)。摻入溫拌劑155 ℃溫拌時(shí)，SMA-10、SMA-16瀝青混合料馬歇爾模數(shù)不同程度提高，SMA-13瀝青混合料馬歇爾模數(shù)下降，該級(jí)配不太適合摻加溫拌劑。145 ℃溫拌時(shí)，SMA-10瀝青混合料馬歇爾模數(shù)增加，SMA-13、SMA-16馬歇爾模數(shù)下降。135 ℃溫拌時(shí)，SMA-10瀝青混合料馬歇爾模數(shù)較大幅度增加，SMA-13馬歇爾模數(shù)下降，SMA-16基本不變。綜上所述，摻加溫拌劑后50次擊實(shí)，SMA-13瀝青混合料較為適合摻加溫拌劑；75次擊實(shí)，SMA-10瀝青混合料較為適合摻加溫拌劑，高溫性能較優(yōu)。

綜上所述，摻入溫拌劑，除了擊實(shí)次數(shù)75次的SMA-13瀝青混合料馬歇爾模數(shù)下降外，其他級(jí)配、擊實(shí)次數(shù)基本都有提高，其中SMA-13，50次擊實(shí)馬歇爾模數(shù)提高最多。SMA-10建議擊實(shí)次數(shù)選擇50次，拌和溫度建議選擇155 ℃。SMA-13建議擊實(shí)次數(shù)選擇50次，拌和溫度選擇135 ℃。SMA-16建議擊實(shí)次數(shù)選擇75次，拌和溫度選擇155 ℃。說(shuō)明摻入溫拌劑顯著降低混合料拌和溫度且改善混合料高溫性能。

2.2 低溫性能

采用與馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)相同的級(jí)配制作車轍板，再切割為250 mm×30 mm×50 mm的小梁試件，將試件放入-10 ℃低溫箱中冷凍6 h，將試件取出放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以50 mm/min速率加載直至試件破快，試驗(yàn)應(yīng)盡快完成，減小溫度散失對(duì)試驗(yàn)的影響。

采用試件破壞彎拉強(qiáng)度RB(MPa)和破壞時(shí)的彎曲勁度模量SB(MPa)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度越大，彎曲勁度模量越小，瀝青混合料開(kāi)裂破壞時(shí)需要能量就越多，瀝青混合料的低溫抗裂性能就越好，其計(jì)算公式為：

RB=(3×L×PB)/(2×b×h2)

(2)

SB=RB/εB

(3)

式中：RB為試件破壞時(shí)抗彎拉強(qiáng)度(MPa)，PB為試件破壞時(shí)最大荷載(N),εB為試件破壞時(shí)最大彎拉應(yīng)變(με)，SB為試件破壞時(shí)彎曲勁度模量(MPa)，L為試件的跨徑(mm)，b為跨中斷面試件寬度(mm)，h為跨中斷面試件高度(mm)。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制各SMA試件彎拉強(qiáng)度、勁度模量與拌和溫度關(guān)系如圖2、圖3所示。由圖2可知：165 ℃熱拌時(shí)，SMA-10、SMA-16試件抗彎拉強(qiáng)度較高，瀝青混合料具有良好的抗彎拉性能，SMA-13試件抗彎拉強(qiáng)度較低；摻加溫拌劑時(shí)，155 ℃溫拌，SMA-10試件抗彎拉強(qiáng)度下降，隨著拌和溫度降低，其抗彎拉強(qiáng)度先增大后減小且始終小于165 ℃熱拌；SMA-13試件在155 ℃溫拌時(shí)抗彎拉強(qiáng)度略有上升，145 ℃時(shí)抗彎拉強(qiáng)度最大，135 ℃其抗彎拉強(qiáng)度迅速下降且低于熱拌瀝青混合料；SMA-16試件在155 ℃溫拌時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大，隨著拌和溫度下降，其抗彎拉強(qiáng)度先減小后增大且低于熱拌瀝青混合料。從抗彎拉強(qiáng)度分析，溫拌劑對(duì)SMA-10瀝青混合料低溫性能有負(fù)面影響，SMA-13瀝青混合料145 ℃溫拌時(shí)，其低溫性能最好，SMA-16瀝青混合料155 ℃溫拌時(shí)具有良好的低溫性能。

圖2 抗彎拉強(qiáng)度與拌和溫度關(guān)系

圖3 彎曲勁度模量與拌和溫度關(guān)系

由圖3可知：165 ℃熱拌時(shí)，SMA-10、SMA-13試件具有較低的彎曲勁度模量，SMA-16彎曲勁度模量較高；摻加溫拌劑時(shí)，SMA-10級(jí)配155 ℃溫拌時(shí)，試件的彎曲勁度模量增大，隨著拌和溫度降低，其彎曲勁度模量略有上升；SMA-13級(jí)配155 ℃溫拌時(shí)，其彎曲勁度模量達(dá)到最大，隨著拌和溫度下降，彎曲勁度模量先下降后上升，145 ℃溫拌時(shí)，與熱拌模量相當(dāng)；SMA-16級(jí)配155 ℃溫拌時(shí)，試件彎曲勁度模量大幅下降，隨著拌和溫度下降彎曲勁度模量以較慢速率先減小后增大，145 ℃時(shí)彎曲勁度模量達(dá)到最小。從彎曲勁度模量分析，JY-W1溫拌劑對(duì)SMA-10瀝青混合料低溫性能有負(fù)面影響。SMA-13瀝青混合料低溫性能在145 ℃溫拌時(shí)能達(dá)到熱拌相當(dāng)。SMA-16瀝青混合料加入溫拌劑后其低溫性能得到較大改善，且在145 ℃時(shí)低溫性能較好。

相關(guān)研究表明瀝青混合料低溫性能主要由瀝青自身性質(zhì)決定，瀝青低溫性能主要和瀝青中的極性分子或支鏈環(huán)狀基團(tuán)分子的類型、自由度有關(guān)[13]，JY-W1溫拌劑的有效成分不能和上述極性分子結(jié)合，也無(wú)法改變這些成分在瀝青中的含量、分布及運(yùn)動(dòng)自由度，因此有機(jī)降黏JY-W1溫拌劑對(duì)瀝青的低溫性能影響甚微。

3 結(jié)論

(1) JY-W1溫拌劑能夠提高瀝青的軟化點(diǎn)，降低針入度、黏度，抗變形能力增強(qiáng)，改善SMA瀝青混合料的高溫性能，摻入溫拌劑可以通過(guò)增加擊實(shí)次數(shù)提高SMA瀝青混合料集料嵌擠程度，改善其高溫穩(wěn)定性，擊實(shí)次數(shù)對(duì)SMA-16瀝青混合料高溫性能影響較小；溫拌劑對(duì)SMA瀝青混合料低溫性能因級(jí)配不同而有所差異。

(2) 拌和溫度對(duì)SMA瀝青混合料的高低溫性能影響比較顯著。SMA-10級(jí)配瀝青混合料不適合添加JY-W1溫拌劑；對(duì)于SMA-13級(jí)配瀝青混合料，建議選擇145 ℃拌和溫度；對(duì)于SMA-16級(jí)配瀝青混合料，建議選擇155 ℃拌和溫度。

(3) JY-W1溫拌劑能夠改善系列SMA瀝青混合料施工和易性，降低拌和攤鋪溫度20 ℃左右。JY-W1溫拌劑是通過(guò)改變?yōu)r青質(zhì)-膠質(zhì)片狀分子的空間結(jié)構(gòu)，達(dá)到增加膠團(tuán)體系分散度，并生成瀝青質(zhì)-膠質(zhì)片狀分子非極性阻隔層，從而達(dá)到降黏的目的。