溫拌瀝青混合料水分特性影響因素的研究進(jìn)展

張偉強(qiáng)

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)及交通事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)交通量、行車(chē)荷載、速度以及路面性能等提出了更高的要求[1]。瀝青路面以其特有的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于道路工程建設(shè)中，熱拌瀝青混合料(hot mix asphalt，HMA)的拌和壓實(shí)溫度高(150～170 ℃)，導(dǎo)致煙塵和廢氣的排放量增加，同時(shí)也加劇了能源消耗，造成了嚴(yán)重的能源與環(huán)境負(fù)荷[2]。因此,溫拌瀝青混合料(warm mix asphalt，WMA)應(yīng)運(yùn)而生，引起了科學(xué)界和工程界的廣泛關(guān)注。溫拌瀝青通過(guò)一定的技術(shù)措施，使瀝青能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌和及施工，同時(shí)保持其不低于HMA的使用性能。WMA的主要優(yōu)點(diǎn)包括：1)使用較低的溫度，減少了能源消耗；2)溫拌瀝青的溫度保持時(shí)間較長(zhǎng)，增加了運(yùn)輸距離；3)加熱瀝青混合料產(chǎn)生的氣味、煙霧和排放水平較低，改善了工作條件；4)更重要的是提高了壓實(shí)度，能夠以較少的碾壓次數(shù)達(dá)到所需密度和壓實(shí)度。尤其對(duì)于北方和其他寒冷地區(qū)來(lái)說(shuō)，潛在優(yōu)勢(shì)是可以減少對(duì)氣溫的依賴(lài)，延長(zhǎng)施工時(shí)間[2]。

20世紀(jì)90年代歐洲部分國(guó)家率先使用溫拌技術(shù)，1995年首個(gè)工程項(xiàng)目竣工[3,4]。而對(duì)于溫拌瀝青的概念則是在2000年的國(guó)際瀝青路面會(huì)議中正式提出。許多學(xué)者相繼研發(fā)泡沫型和有機(jī)降粘型兩類(lèi)溫拌技術(shù)，并成功開(kāi)始應(yīng)用。此后，歐美、日本和南非等國(guó)家廣泛使用溫拌技術(shù)，并進(jìn)一步對(duì)溫拌技術(shù)的路用性能進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用[5]。美國(guó)于2004年在加利福尼亞州和北卡羅萊納州首次完成了溫拌瀝青現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。之后，美國(guó)瀝青路面技術(shù)研究中心對(duì)歐洲溫拌瀝青技術(shù)進(jìn)行全面調(diào)研，進(jìn)行了一系列的相關(guān)試驗(yàn)研究。而國(guó)內(nèi)對(duì)于溫拌瀝青的研究較國(guó)外起步晚，在2005年采用了乳化瀝青分散技術(shù)成功在北京鋪筑了第一條溫拌瀝青混合料路面；2006年11月，在零下4℃環(huán)境條件下，采用有機(jī)降黏溫拌技術(shù)對(duì)西藏林周地區(qū)試驗(yàn)路段進(jìn)行了鋪設(shè)，其混合料的拌和碾壓溫度降低20～40 ℃。2007年，采用 Evotherm 技術(shù)和 SAK 降粘劑在340 省道進(jìn)行了溫拌瀝青試鋪，施工效果良好。

WMA作為一種綠色環(huán)保技術(shù)已經(jīng)在世界各國(guó)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[6]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)WMA已經(jīng)開(kāi)展了全方位多角度的研究，開(kāi)發(fā)出了各式各樣的溫拌產(chǎn)品和技術(shù)，極大地促進(jìn)了WMA的快速發(fā)展。由于所需溫度比熱拌瀝青混合料低，而且受一些溫拌技術(shù)的影響，水損害被認(rèn)為是WMA混合料所面臨的主要問(wèn)題之一，甚至可能比HWA更復(fù)雜更嚴(yán)重。水分加劇了骨料與膠結(jié)料之間的粘結(jié)力或膠結(jié)料內(nèi)部凝聚力失效，導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度、勁度和耐久性等性能快速惡化，從而嚴(yán)重?fù)p害了瀝青路面的使用性能，降低了服役壽命，增加了維護(hù)成本[7,8]。眾多研究表明：影響WMA混合料水敏感性的三個(gè)主要因素分別是WMA添加劑、骨料狀態(tài)和發(fā)泡水或發(fā)泡劑。

該研究主要從瀝青、骨料及添加劑等原材料和溫拌技術(shù)等方面探討其對(duì)WMA混合料水分特性的影響，以期為WMA混合料的研究和工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料及其影響

溫拌瀝青混合料主要由瀝青、骨料和其他一些添加劑組成。這些原材料都會(huì)對(duì)WMA混合料的性能產(chǎn)生重要影響，應(yīng)該引起足夠的重視[9]。

1.1 骨料

骨料是瀝青混合料的重要組成部分，所占比例約為混合料重量的95%。因此，骨料在決定混合料的性能特點(diǎn)方面扮演著重要角色。

1.1.1 骨料類(lèi)型

目前，各種類(lèi)型的骨料被廣泛應(yīng)用于路面施工中。由于不同骨料之間化學(xué)成分的差異，導(dǎo)致了瀝青混合料物理化學(xué)性質(zhì)上的差異[10]。

花崗巖和玄武巖中二氧化硅(SiO2)的含量通常較高。相反，石灰石中氧化鈣(CaO)含量較高，SiO2含量則較低。這與石灰石是堿性骨料而花崗巖是酸性骨料的認(rèn)知是一致的。普遍認(rèn)為，瀝青與骨料之間的粘附一般取決于骨料本身的性質(zhì)。

一般認(rèn)為，酸性骨料配制的混合料比非酸性骨料配制的混合料具有較差的抗水損害能力。相反地，石灰石等堿性骨料配制的混合料則表現(xiàn)出相對(duì)較好的性能。

1.1.2 骨料含水量

由于WMA的拌合和壓實(shí)溫度較低，而且在生產(chǎn)發(fā)泡WMA的過(guò)程中溫度會(huì)迅速下降，可能導(dǎo)致水分無(wú)法逸出而被殘留在混合料內(nèi)部，從而使WMA中存在殘余水分。

此外，普遍認(rèn)為水更容易附著在骨料上。一旦在生產(chǎn)中使用了濕潤(rùn)的骨料，更多的水分則會(huì)被吸收，殘留在混合料中。這些殘留的水分會(huì)影響骨料表面的瀝青附著層，從而降低骨料和膠結(jié)料之間的粘附性，最終導(dǎo)致各種路面病害。

有研究人員對(duì)含有潮濕骨料的WMA混合料性能進(jìn)行了研究：盡管含有潮濕骨料試樣與不含潮濕骨料試樣具有相似的間接拉伸強(qiáng)度比值(indirect tensile strength ratio， TSR)，但是前者的干、濕間接拉伸強(qiáng)度(indirect tensile strength,ITS)較之后者均顯著降低。

此外，研究結(jié)果還表明含有潮濕骨料混合料的抵抗水損害能力較差。殘留的水分會(huì)影響瀝青與骨料之間的粘結(jié)力，并且可能會(huì)導(dǎo)致膠結(jié)料內(nèi)部的凝聚力不足[11]。同時(shí)，這可能最終導(dǎo)致瀝青路面水損壞，繼而出現(xiàn)其他病害。由此可以得出結(jié)論，使用潮濕的骨料會(huì)產(chǎn)生不利影響，尤其是滯留的水分。因此，必須避免骨料中水分的存在且保持充分干燥，以確保瀝青混合料的質(zhì)量[11]。

1.1.3 骨料級(jí)配

除了骨料類(lèi)型和含水狀態(tài)外，其他因素也會(huì)影響混合料的水分特征。例如，骨料形狀和紋理質(zhì)地也會(huì)影響瀝青混合料的嵌擠程度。一般認(rèn)為，由于粗糙的立方體骨料具有較高的嵌擠水平，所以粗糙的立方體骨料比光滑的圓潤(rùn)的骨料具有更好的性能。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，骨料級(jí)配與混合料的空隙和內(nèi)摩擦力密切相關(guān)，因此骨料級(jí)配越來(lái)越受到了研究人員的關(guān)注和重視。此外，空隙是造成瀝青混合料水損壞的關(guān)鍵因素。一些研究人員已經(jīng)研究了骨料級(jí)配對(duì)混合料的影響[12]。

由于骨料的多樣性和變異性骨料級(jí)配對(duì)混合料水分性能的影響目前仍難以確定。因此，今后有必要對(duì)該類(lèi)研究多加關(guān)注。

綜上所述，堿性骨料具有很強(qiáng)的粘附力，因此表現(xiàn)出較高的抗水損害能力。而酸性骨料則會(huì)影響粘附力。一般而言，建議在溫拌瀝青混合料中使用石灰石。

1.2 瀝青

瀝青是混合料中最重要的部分，在混合料中起粘結(jié)作用，以確保骨料在交通荷載下不會(huì)松散分離，所以瀝青的性質(zhì)在很大程度上決定了混合料的性能[6]。

1.2.1 瀝青等級(jí)

瀝青是由眾多碳?xì)浠衔锖头翘細(xì)浠衔锝M成。瀝青化學(xué)成分的變化導(dǎo)致其性能變化。因此，使用不同瀝青的混合料的性能特點(diǎn)也普遍不同。普遍認(rèn)為，使用高粘度瀝青的混合料具有更好的抗水損害性能，這通常被認(rèn)為與混合料的剝離行為有關(guān)。高粘度有助于增強(qiáng)瀝青和骨料之間的粘附性，使用高粘度瀝青的混合料則不易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，從而表現(xiàn)出較少的水敏感性。

研究表明，高性能分級(jí)(performance grade，PG)膠結(jié)料的混合料在潮濕狀態(tài)下的性能優(yōu)于低PG膠結(jié)料的混合料，說(shuō)明高PG膠結(jié)料有利于混合料的抗水損害性能。這可能是因?yàn)楦逷G膠結(jié)料具有較高的粘度和骨料與膠結(jié)料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。然而，Kutay等人提出了不同的結(jié)論：高PG膠結(jié)料中的水分比低PG膠結(jié)料的更難消散，即高PG膠結(jié)料中的水分更容易滯留。Kutay等人發(fā)現(xiàn)高PG膠結(jié)料會(huì)降低混合料的抗水損害性能。

1.2.2 瀝青類(lèi)型

目前改性瀝青被廣泛應(yīng)用于改善瀝青和瀝青混合料的性能，常見(jiàn)的有輪胎膠粉改性和聚合物改性。有學(xué)者已經(jīng)對(duì)混合料性能和瀝青類(lèi)型之間的關(guān)系進(jìn)行了一系列研究。

實(shí)踐證明，改性劑能顯著提高瀝青的性能，進(jìn)而改善混合料的性能。在水敏性方面，改性劑可以提高瀝青與骨料的粘結(jié)性。因此，改性瀝青混合料水分敏感性較低，抗水損害性較強(qiáng)。

1.2.3 瀝青老化

瀝青在拌和、運(yùn)輸、壓實(shí)和服役過(guò)程中，其物理化學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，這可歸因于交通荷載、熱、光等諸多因素。由于瀝青的性能會(huì)隨著瀝青的老化而發(fā)生變化，這些變化可能會(huì)對(duì)瀝青路面的性能產(chǎn)生不利影響。普遍認(rèn)為，老化后的瀝青相對(duì)更硬，更脆。因此，瀝青的老化會(huì)影響混合料的性能，有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

有研究表明，短期老化瀝青混合料的TSR值高于未老化瀝青混合料的TSR值，即短期老化的混合料水敏感性較小，性能較好。這表明短期老化有利于提高混合料的抗水損壞能力。短期老化可能有助于提高瀝青與骨料之間的黏結(jié)力。但是，長(zhǎng)期老化則會(huì)嚴(yán)重影響膠結(jié)料和混合料的性能，其ITS和TSR值會(huì)顯著降低。

因此，在WMA混合料中推薦使用高粘度和改性瀝青膠結(jié)料。此外，建議進(jìn)行短期老化以防止剝離。

1.3 抗剝離劑

抗剝離劑可以改變骨料的表面特性，增強(qiáng)瀝青與骨料的相容性，從而改善瀝青的裹附能力。因此，抗剝離劑的作用是改善瀝青與骨料之間的粘附性，進(jìn)而防止瀝青路面因損壞而發(fā)生剝離。作為最常用的抗剝離劑之一，熟石灰得到了廣泛的應(yīng)用。胺類(lèi)、二胺類(lèi)、液體聚合物也常被用作液體抗剝離劑。此外，還有水泥、粉煤灰等一些固體抗剝離劑。由于WMA混合料的抗水損壞能力較弱，因此在WMA混合料中添加抗剝離劑至關(guān)重要。

有學(xué)者研究了抗剝離劑對(duì)WMA混合料水敏感性的影響，并證明了抗剝離劑對(duì)瀝青混合料的積極作用。Aravinda等發(fā)現(xiàn)抗剝離劑的加入可以提高瀝青的性能。Shafabakhsh等人發(fā)現(xiàn)使用抗剝離劑可以降低瀝青的酸堿比，使瀝青更容易粘附在骨料上。Khodaii等人的研究結(jié)果證明，熟石灰可以降低混合料的水敏感性。由此可見(jiàn)，抗剝離劑可以顯著提高瀝青混合料的抗水損害能力。Chen等人采用亞納米級(jí)和普通級(jí)熟石灰進(jìn)一步研究了熟石灰粒徑對(duì)其提高抗水損害能力的影響。研究結(jié)果表明，粒徑越小的熟石灰通常表面越粗糙。較小粒徑的熟石灰能更加顯著地提高混合料的耐水性，并且在水敏感性方面表現(xiàn)出比普通熟石灰更好的性能。

綜上所述，建議在WMA混合料中加入抗剝離劑，以有效改善其水分特性。

2 不同溫拌技術(shù)的影響

2.1 壓實(shí)溫度的影響

壓實(shí)溫度是壓實(shí)過(guò)程中的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗绊懼鵀r青混合料的和易性、壓實(shí)度以及空隙率等。研究發(fā)現(xiàn)，空隙率高的混合料更容易受到水分的破壞。如圖1所示為Amir等人的研究結(jié)果。

圖1顯示，混合料的TSR值和條件ITS值隨壓實(shí)溫度的升高而增大。當(dāng)壓實(shí)溫度低于水的沸點(diǎn)時(shí)，TSR值明顯降低。由此可見(jiàn)，壓實(shí)溫度直接影響瀝青混合料的水敏感性[2,7]?？赡苡幸韵聨讉€(gè)原因：一是壓實(shí)溫度會(huì)因老化效應(yīng)影響瀝青混合料的水敏感性;其次，壓實(shí)溫度直接決定瀝青混合料的最終空隙率，這是影響瀝青混合料水分特性的關(guān)鍵;另一方面，當(dāng)壓實(shí)溫度不夠高時(shí)，混合料中的水分不能完全揮發(fā)，殘留的水分會(huì)削弱瀝青與骨料的粘附性。由此可以得出結(jié)論，足夠高的溫度對(duì)于獲得高質(zhì)量的混合料是必不可少的?？偠灾?，要保證水分的完全蒸發(fā)，需要足夠高的溫度。

2.2 發(fā)泡技術(shù)的影響

近年來(lái)，泡沫瀝青技術(shù)被廣泛應(yīng)用于瀝青工業(yè)的WMA混合料生產(chǎn)。直接向?yàn)r青膠結(jié)料中注水，水在較高的攪拌溫度下轉(zhuǎn)化成蒸汽，分散到瀝青膠結(jié)料中，引起膠結(jié)料膨脹。因此，可以獲得大量的瀝青膠結(jié)料，且很容易與骨料混合，最終實(shí)現(xiàn)溫拌。這種技術(shù)由于成本相對(duì)較低，而且是一次性機(jī)械改造，所以得到了研究者們的青睞。通常情況下發(fā)泡水用量通過(guò)膠結(jié)料的發(fā)泡過(guò)程影響瀝青混合料的性能，發(fā)泡水用量可以決定發(fā)泡瀝青的膨脹率，進(jìn)而影響瀝青在骨料上的裹附行為。Ayman等人對(duì)該特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1結(jié)果，發(fā)泡水用量對(duì)水敏感性的影響并不顯著。Xiao等人也得出了類(lèi)似的結(jié)論。Yu等研究發(fā)現(xiàn)各種類(lèi)型的瀝青膠結(jié)料對(duì)發(fā)泡水含量表現(xiàn)出不同的敏感性。Biruk等人也對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡水用量對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響不如壓實(shí)溫度等其他因素顯著。此外，發(fā)泡水含量越高，膠結(jié)料在骨料上的裹附越穩(wěn)定，特別是在溫度相對(duì)較低或處理粗骨料的情況下。然而，較高的發(fā)泡水用量可能會(huì)導(dǎo)致更多的滯留水，對(duì)混合料造成不利影響。因此，單獨(dú)考慮發(fā)泡水量是不合理的，確定合理的發(fā)泡水用量和與之匹配的發(fā)泡溫度是至關(guān)重要的，應(yīng)該予以優(yōu)化。

表1 發(fā)泡水量對(duì)WMA混合料水分性能的影響

Aspha-min和Advera實(shí)際上都是一種合成沸石，經(jīng)水熱結(jié)晶而成，以粉末形式存在，且其中含有18%～22%(按質(zhì)量計(jì))的水。這主要?dú)w因于沸石結(jié)構(gòu)中具有允許水存在的較大空隙。此外，當(dāng)溫度超過(guò)100 ℃時(shí)，內(nèi)部水被釋放并轉(zhuǎn)化為蒸汽，因此可作為WMA添加劑。已有一些學(xué)者對(duì)這種含水添加劑進(jìn)行了研究。不同的研究者得出了相同的結(jié)論：用Aspha-min生產(chǎn)的混合物的TSR和ITS值均較低，這表明這種含水添加劑削弱了WMA混合物的抗水損害能力。同樣地，含有Advera的混合物的TSR和ITS值均較低，故Advera對(duì)混合物的水敏感性有負(fù)面影響。

在高溫下，將冷水注入到熱膠結(jié)料中來(lái)生產(chǎn)WMA混合料要比使用沸石更加直接。由于直接注水，可能更容易發(fā)生水損壞。研究結(jié)表明，發(fā)泡WMA混合料的干濕ITS值明顯低于HMA混合料，特別是在溫度低于100 ℃時(shí)。然而，發(fā)泡混合料的TSR值可能相近甚至更高。只要生產(chǎn)溫度足夠高，發(fā)泡混合料可以表現(xiàn)出與HMA混合料相似的性能。

總之，類(lèi)似Aspha-min和Advera等含水添加劑削弱了WMA混合料抵抗水損害的能力。就水基WMA混合料而言，合理的WMA添加劑含量和與之匹配的溫度是獲得良好水分特性的關(guān)鍵。

2.3 添加劑的影響

通常將有機(jī)添加劑添加到瀝青膠結(jié)料中，以降低其粘度，從而降低混合料的拌合和壓實(shí)溫度。有機(jī)蠟冷卻后，可以形成晶格結(jié)構(gòu)，有助于改善混合料的性能。Sasobit和Asphaltan B是最常見(jiàn)的兩種有機(jī)添加劑。Sasobit摻入瀝青中能夠均勻的溶解，降低瀝青膠結(jié)料粘度，從而可以降低WMA混合料的拌合和壓實(shí)溫度。在冷卻過(guò)程中，Sasobit的凝固使改性瀝青勁度增加。此外，Sasobit瀝青改性劑在常溫下可以在混合料內(nèi)部形成骨架結(jié)構(gòu)，改善混合料的性能。然而，也有研究表明：Sasobit增加了酸性成分，削弱了骨料與膠結(jié)料之間的粘附力，從而導(dǎo)致含Sasobit的混合物對(duì)水損害更為敏感。Asphaltan B以化石脂肪酸酯為主，常與酰胺蠟混合以提高其低熔點(diǎn)。Prabir等通過(guò)對(duì)含Asphaltan B和未經(jīng)處理的膠結(jié)料進(jìn)行對(duì)比，研究了WMA混合料的水敏感性。Superpave間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，Asphaltan B能顯著提高混合料的抗水損害能力。

化學(xué)添加劑通常是由乳化劑、表面活性劑和聚合物組成的復(fù)雜混合物。最常見(jiàn)的化學(xué)添加劑有Evotherm、Rediset和Cecabase等。

Evotherm以乳液形式存在，在攪拌過(guò)程中，拌合溫度加速了破乳和水分蒸發(fā)，從而使膠結(jié)料包裹在骨料上。該添加劑可以在較低溫度下降低混合料的內(nèi)摩擦力，而不影響瀝青的粘度。關(guān)于Evotherm對(duì)水敏感性的影響已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。從研究結(jié)果可以看出，用Evotherm生產(chǎn)的兩種混合料的TSR值明顯低于對(duì)照組，這表明使用Evotherm會(huì)降低混合料的抗水損害性。然而，也有研究得出了不同的結(jié)論。Rouzbeh等人通過(guò)測(cè)試混合料表面自由能的方法，發(fā)現(xiàn)使用Evotherm將顯著減少膠結(jié)料從骨料上剝離，這意味著Evotherm可以提高混合料的抗水損害能力，證明Evotherm是有益的。

Rediset主要由脂肪多胺、聚合物和非離子成分組成，易溶于膠結(jié)料中，可添加到瀝青或混合料中。此外，它還具有抗剝離劑的作用。因此，能夠提高混合料的抗水損壞能力。根據(jù)研究結(jié)果，含有Rediset混合料的TSR值比對(duì)照組高，表明這些混合料具有更好的水穩(wěn)定性，可能會(huì)提高混合料的抗水損害性。

綜上所述，有機(jī)添加劑會(huì)對(duì)WMA混合料的水敏感性產(chǎn)生輕微的不利影響?；瘜W(xué)添加劑由于具有促進(jìn)粘附的作用，而被普遍認(rèn)為有利于改善水分性能。

3 結(jié)論與展望

a.堿性骨料具有很強(qiáng)的粘附性，和較好的抗水損害性，而酸性骨料則會(huì)影響粘附。建議在WMA混合料中使用石灰石以及干燥骨料。

b.高粘度膠結(jié)料在WMA混合料中起著與堿性骨料相似的作用，改性瀝青膠結(jié)料的性能更好。建議輔以短期老化，而避免長(zhǎng)期老化。

c.合理的WMA添加劑含量和與之匹配的溫度是至關(guān)重要的。有機(jī)添加劑對(duì)WMA混合料的水敏感性有輕微的不利影響，而化學(xué)添加劑則有益于WMA混合料的抗水損害性能。

盡管WMA可以降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗，并減少污染物的排放，但是也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，如其水穩(wěn)定性的降低等。而且，現(xiàn)有的室內(nèi)測(cè)試方法并不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)混合料性能，還需要更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)改進(jìn)完善WMA技術(shù)。同時(shí)，鑒于WMA添加劑價(jià)格高昂，推薦嘗試?yán)脧U棄物等進(jìn)行制備。此外，WMA混合料性能的提升仍是一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)難題。