不同類型溫拌劑對瀝青混合料路用性能影響及其效能評價

張爭奇， 張?zhí)焯欤?王相友， 石榮杰

(1. 長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064； 2. 浙江公路水運工程監(jiān)理有限公司， 浙江 杭州 310004； 3. 陜西交通控股集團有限公司， 陜西 西安 710038)

目前，瀝青路面施工中常用的熱拌瀝青混合料在拌和過程中需要達到較高的溫度(150～180 ℃).這樣不僅消耗了能源，持續(xù)的高溫加熱還使得瀝青老化程度更加嚴重，影響瀝青路面的耐久性.同時會釋放出一些有害氣體，對從業(yè)人員的健康造成嚴重威脅[1].為了降低高溫加熱的不利影響，溫拌技術得到了越來越多的重視.溫拌技術是在溫度相對較低的情況下進行拌和，一般為80～150 ℃.較低的拌和溫度可以減少瀝青在生產(chǎn)階段的老化，同時能夠減少排放、降低能耗、縮減能源與治污成本，符合我國綠色、循環(huán)、低碳的新型發(fā)展模式[2].近年來，國內(nèi)外對溫拌技術的研究日益增多，相繼出現(xiàn)了有機添加劑、沸石類、表面活性技術等多種不同作用機理的溫拌技術.隨著溫拌技術不斷發(fā)展，溫拌劑種類越來越多，不同溫拌劑的降溫效果及溫拌劑對于瀝青混合料路用性能的影響各有不同.文獻[3]研究表明，有機降黏劑能夠提高膠粉改性瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性，但是這種溫拌劑不利于膠粉改性瀝青的抗老化性能.文獻[4]綜述了沸石材料在溫拌瀝青技術中的應用研究，探究了沸石類溫拌劑對瀝青及混合料性能的影響.文獻[5]發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分數(shù)為0.6%的SAA對瀝青標準性能和發(fā)泡特性具有十分有利的影響.文獻[6]研究表明，表面活性類溫拌劑不僅能夠顯著降低橡膠瀝青的生產(chǎn)溫度，而且可以提高橡膠瀝青各項性能.當前溫拌劑在使用時通常為無差別選擇，并未考慮道路所處環(huán)境對于溫拌瀝青混合料提出的技術要求，這就導致特殊嚴峻環(huán)境條件下路面病害不減反增.綜上，溫拌劑的使用應結合鋪筑路段所處環(huán)境條件，因地制宜進行優(yōu)選.另外，溫拌劑降溫效果如何，是否比熱拌瀝青混合料更容易壓實，對其路用性能是否有不利影響，這些都需要通過試驗數(shù)據(jù)進行量化分析和比較.

為明確不同溫拌劑的性能特點和適用條件，筆者采用4種類型溫拌劑制備溫拌瀝青混合料，并進行SGC旋轉(zhuǎn)壓實試驗、熱力學分析及路用性能試驗.分析對比降黏機理不同的4種溫拌劑的降溫效果、能源消耗量及混合料路用性能.同時，基于灰色關聯(lián)理論分析4種溫拌劑性能特點和優(yōu)勢.研究成果可以為溫拌瀝青混合料的推廣應用提供一定參考.

1 材料與方法

1.1 原材料

1.1.1瀝 青

瀝青選用SBS改性瀝青，其主要性能指標測試結果見表1.

1.1.2溫拌劑

筆者選用有機降黏劑Sasobit、表面活性劑類HH-XⅡ、沸石類Aspha-min及新型低溫施工高性能添加劑PRLT等4種溫拌劑.Sasobit為南非Sasol Wax公司生產(chǎn)的一種外觀呈白色或淡黃色固體小顆粒的有機降黏類溫拌劑，是目前世界范圍內(nèi)最具代表性的基于有機添加劑降黏技術研發(fā)的溫拌劑產(chǎn)品[7].Sasobit化學組成主要為長鏈脂肪族烷羥，密度一般為0.94 g·cm-3，熔點為105 ℃，閃點為287 ℃.HH-XⅡ為西安公路研究院研發(fā)的一種節(jié)能環(huán)保型溫拌劑，其作用機理主要基于表面活性機理[8].HH-XⅡ為一種棕紅色透明液體，密度一般為1.00 g·cm-3，其降溫幅度最高可達40 ℃，降溫效果十分明顯.Aspha-min為一種極細白色粉末狀的溫拌劑產(chǎn)品，其作用機理主要是基于人工沸石降黏技術，主要構成為結晶水質(zhì)量分數(shù)約為21%的硅鋁酸鈉[9].PRLT為一種由多種聚合物復合改性而成的灰色圓柱狀固體溫拌劑，直徑一般為3～5 mm.

1.2 溫拌瀝青混合料制備

筆者選用AC-13型礦料級配，粗集料選用玄武巖，細集料選擇石灰?guī)r.粗、細集料主要性能指標滿足JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》要求.級配曲線如圖1所示.

圖1 礦料的合成級配曲線

通過試驗最終確定SBS改性瀝青混合料最佳油石比為4.9%.根據(jù)大量試驗進行優(yōu)化后，確定4種溫拌瀝青混合料的制備工藝如下：

1) Sasobit溫拌瀝青混合料制備.先將SBS改性瀝青加熱至110 ℃以上，將質(zhì)量分數(shù)為0.3%的Sasobit溫拌劑加入熱瀝青中，然后使用高速剪切機以規(guī)定轉(zhuǎn)速剪切20 min后，即可制得Sasobit溫拌瀝青.最后將Sasobit溫拌瀝青與集料混合制備溫拌瀝青混合料.

2) HH-XⅡ溫拌瀝青混合料制備.將SBS改性瀝青預熱至140 ℃，加入質(zhì)量分數(shù)為0.7%的HH-XⅡ溫拌劑.在維持溫度不變的情況下，使用高速剪切機剪切至溫拌劑與瀝青拌和均勻，制得HH-XⅡ溫拌瀝青.最后加入集料，兩者混合后得到溫拌瀝青混合料.

3) Aspha-min溫拌瀝青混合料制備.首先將集料投至拌鍋中，加熱至140 ℃后，干拌1 min.然后在噴入SBS改性瀝青的同時，加入Aspha-min溫拌劑(質(zhì)量分數(shù)為0.3%)和礦粉，拌和均勻后即可得到溫拌瀝青混合料.

4) PRLT溫拌瀝青混合料制備.首先將集料與礦粉分別預熱至130 ℃，然后將PRLT(質(zhì)量分數(shù)為5.0%)和集料放入拌和設備中干拌.在規(guī)定溫度下拌和150 s后，加入改性瀝青，進行拌和.最后加入礦粉拌合，制備得到PRLT溫拌SBS改性瀝青混合料.

2 結果與討論

2.1 降溫效果及能源消耗的量化分析

2.1.1降溫效果

改性瀝青與基質(zhì)瀝青在黏度特性和流變特性上存在著較大差異.若采用基質(zhì)瀝青常用的黏溫曲線法確定改性瀝青混合料的拌和溫度與壓實溫度，最終得到的壓實溫度不夠準確，且容易導致瀝青路面老化現(xiàn)象加劇[10].為了確保改性瀝青混合料的壓實效果，筆者采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實試驗對不同溫度下成型的混合料試件進行壓實，用表干法及真空法分別測量混合料試件的毛體積相對密度及理論最大密度，計算不同壓實溫度條件下不同溫拌劑混合料的孔隙率[11].以Superpave設計體系中規(guī)定的空隙率4%作為控制指標，最終確定SBS改性瀝青混合料的壓實溫度，然后根據(jù)經(jīng)驗確定拌和溫度.圖2為改性瀝青混合料空隙率隨壓實溫度變化曲線.利用試件的空隙率和壓實溫度散點數(shù)據(jù)擬合壓實溫度-空隙率曲線如圖3所示.其中SBS、S-SBS、A-SBS、LT-SBS和H-SBS分別為普通的熱拌SBS改性瀝青混合料、添加Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青混合料、添加Aspha-min溫拌劑的SBS改性瀝青混合料、添加PRLT的SBS改性瀝青混合料和添加HH-XⅡ溫拌劑的SBS改性瀝青混合料.

圖2 改性瀝青混合料空隙率隨壓實溫度變化曲線

由圖3可知，4種溫拌劑均能降低瀝青混合料的壓實溫度.將空隙率為4%代入5種改性瀝青混合料擬合函數(shù)中，得到的拌和溫度與壓實溫度匯總于表2，其中溫差為溫拌瀝青在拌合與壓實過程中較普通改性瀝青所降低的溫度值.

圖3 改性瀝青混合料壓實溫度與空隙率關系擬合曲線

表2 SBS改性瀝青混合料拌和溫度與壓實溫度 ℃

分析表2中數(shù)據(jù)可知，相較傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的拌和溫度與壓實溫度，S-SBS、A-SBS、H-SBS和LT-SBS瀝青混合料的拌和溫度均值與壓實溫度均降低約11、16、20和27 ℃，降溫效果由小到大依次為S-SBS、A-SBS、H-SBS和LT-SBS.可見溫拌劑Sasobit對SBS改性瀝青混合料的降溫效果最差，PRLT對SBS改性瀝青混合料的降溫效果最好.其原因在于溫拌劑能夠顯著降低瀝青黏度，從而使得瀝青混合料在較低溫度下進行拌和.其中Sasobit溫拌劑與瀝青混合后，溫拌劑分子游離至瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子間，三者形成新的分子基團，瀝青分子的高層次系統(tǒng)解體轉(zhuǎn)化為低層次系統(tǒng)，釋放出原本覆蓋在瀝青膠團結構中的飽和分，增加了結構的分散度，改善了瀝青流動性，最終達到降黏效果.Aspha-min屬于人工沸石類溫拌劑，將溫拌劑與瀝青、熱集料混合時，Aspha-min中含有的結晶水通過結構中相互連通的通道揮發(fā)出水蒸氣，降低了瀝青混合料的拌和溫度與壓實溫度.HH-XⅡ溫拌劑主要是通過其分子中的疏油基團和親油基團分別與瀝青分子相結合，降低其表面張力達到降黏效果，最終增加混合料的施工和易性.PRLT外加劑的軟化點較低，當外界溫度升高時，其會逐漸融化，并產(chǎn)生流動，其潤滑作用產(chǎn)生的泡沫能夠填充至混合料的間隙，降低混合料黏度，使得添加PRLT的瀝青混合料成型試件要求的溫度較低，因此LT-SBS的拌和溫度最低，降溫效果最顯著.

綜上可知，在溫拌劑作用下，SBS改性瀝青混合料的施工溫度明顯降低，其攤鋪溫度降低大大延長了施工時間.同時，攤鋪溫度較低時縮短了其冷卻時間，減少交通封閉時間，對道路工程建設意義重大.

2.1.2能源消耗量化分析

結合表2中瀝青混合料的拌和溫度與壓實溫度數(shù)據(jù)，采用熱力學方程式(1)計算上述瀝青混合料降低的能耗量，即

Q=cmΔt，

(1)

式中：Q為降低的能耗量，kJ；c為混合料比熱容，KJ·(kg·℃)-1；m為混合料質(zhì)量，kg；Δt為降低的溫度，℃.

文獻[12]提出了一種瀝青混合料生產(chǎn)過程的能源消耗量化計算方法，計算節(jié)省的燃油量結果如表3所示.由表3可知，4種溫拌劑節(jié)約燃油量由大到小分別為LT-SBS、H-SBS、A-SBS和S-SBS，與降溫效果的排序相同，這是因為在制備瀝青混合料過程中主要的耗能環(huán)節(jié)是材料加熱過程.采用SBS改性瀝青作為生產(chǎn)原材料時，相比熱拌瀝青混合料，降溫幅度最大的PRLT溫拌瀝青混合料可以節(jié)約燃油量0.544 kg，節(jié)省能耗較多，可以大幅降低路面鋪筑過程中的能源消耗.

表3 不同溫拌瀝青混合料節(jié)能效果對比

2.2 試驗結果

溫拌技術降黏機理主要是在確保瀝青混合料能在較低溫度下施工的同時，仍然能夠進行充分壓實，但不能對瀝青混合料各項性能產(chǎn)生不利的影響.為了考察各類溫拌劑對瀝青混合料性能的影響，分別對其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性進行試驗，分析溫拌劑的影響及其原因，并給出其適用范圍.

2.2.1高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗來評價混合料的高溫穩(wěn)定性，評價指標為動穩(wěn)定度.車轍試驗的條件為60 ℃、0.7 MPa，計算動穩(wěn)定度的時間為試驗開始后的50 min.動穩(wěn)定度是指瀝青混合料在60 ℃的高溫條件下每產(chǎn)生1 mm變形所能夠承受標準軸載的行走次數(shù).動穩(wěn)定度試驗結果見圖4.

圖4 車轍試驗動穩(wěn)定度

由圖4可知，5種類型改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度均滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》要求，動穩(wěn)定度從小到大依次為LT-SBS、H-SBS、A-SBS、SBS和S-SBS.由此可見S-SBS瀝青混合料的動穩(wěn)定度最大，抗車轍性能最優(yōu).原因可能是當溫度較高時，Sasobit溫拌劑與瀝青中的蠟相互作用，形成穩(wěn)定且不會離析的溫拌瀝青溶液.當溫度低于Sasobit熔點時，溫拌瀝青內(nèi)部發(fā)生結晶作用形成空間網(wǎng)狀結構，從而使得其軟化點和黏度升高，而針入度和延度下降，因此其高溫穩(wěn)定性優(yōu)異，適用于高溫重載地區(qū).LT-SBS、H-SBS和A-SBS混合料的動穩(wěn)定度均低于熱拌SBS改性瀝青混合料，這3種溫拌混合料的動穩(wěn)定度較熱拌瀝青混合料降低幅度分別為36.2%、13.2%和5.7%.可見LT-SBS對SBS改性瀝青混合料的抗車轍性能損害最大，不利于在高溫地區(qū)使用.分析可能是因為溫拌劑的加入降低了瀝青的高溫黏度，使得瀝青與石料間的黏附性變差，從而使得混合料高溫穩(wěn)定性降低.

2.2.2低溫抗裂性

在溫度較低的北方地區(qū)，路面容易出現(xiàn)裂縫，嚴重影響了道路的耐久性，因此有必要對瀝青混合料的低溫抗裂性進行評價.混合料的低溫抗裂性采用最大彎拉應變作為評價指標.瀝青混合料的最大彎拉應變越大，低溫柔韌性越好，抗裂性能越好.采用低溫彎曲試驗方法，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm·min-1.抗彎拉強度、最大彎拉應變和勁度模量的試驗結果如表4所示.

表4 不同SBS瀝青混合料低溫性能試驗結果

由表4可知：添加HH-XⅡ溫拌劑后溫拌混合料的最大彎拉應變相較于熱拌混合料降低了5.3%，主要是因為HH-XⅡ溫拌瀝青的延度較低，導致瀝青混合料的低溫抗裂性不佳；Sasobit溫拌混合料與熱拌SBS改性瀝青混合料的最大彎拉應變十分接近，可以認為其對混合料低溫抗裂性幾乎沒有影響；溫拌劑Aspha-min和PRLT加入溫拌瀝青混合料后，最大彎拉應變提高了7.3%和5.1%，可見低溫抗裂性改善效果十分顯著，原因是這兩種溫拌劑均能夠顯著降低結合料的老化，增加瀝青延度，從而改善SBS改性瀝青低溫柔韌性，從而提高混合料的低溫抗裂性，因此可以用于北方嚴寒地區(qū).

2.2.3水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性采用浸水條件下瀝青混合料物理力學性能的變化來表征.因此筆者采用浸水馬歇爾試驗得出的殘留穩(wěn)定度和浸水漢堡車轍試驗得到的剝落點作為評價指標，評價不同溫拌改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性.浸水馬歇爾試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》.采用美國PMW漢堡車轍儀進行浸水漢堡車轍試驗.試件成型選用圓柱形模具，在水浴溫度為60 ℃，加載頻率為5.2×10-5Hz，頻率變化范圍為3.6×10-5～7.0×10-5Hz，固定車轍深度為20 mm條件下,模擬行車荷載對瀝青混合料的耐久性.

圖5為瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果對比.浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度表征瀝青混合料經(jīng)受水損害時抵抗剝落變形的能力，其值越大，說明瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好.由圖5可知：5種瀝青混合料殘留穩(wěn)定度由大到小的順序為LT-SBS、H-SBS、S-SBS、SBS和A-SBS，說明PRLT、HH-XⅡ及Sasobit這3種溫拌劑顯著提高了SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性；A-SBS與熱拌SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比較接近，僅相差0.6%，兩者的水穩(wěn)定性相當，因而A-SBS不會對改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.

圖5 浸水馬歇爾試驗結果對比

圖6為瀝青混合料浸水漢堡車轍試驗結果對比.剝落點為瀝青混合料在軸載作用下開始產(chǎn)生剝落時對應的荷載作用次數(shù)，其值越大，說明混合料水穩(wěn)定性越強.

圖6 浸水漢堡車轍試驗結果

由圖6可知，5種瀝青混合料在試驗過程中均產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，按照剝落點由大至小的順序依次為LT-SBS 、H-SBS 、S-SBS、SBS和 A-SBS，與浸水馬歇爾試驗排序一致.其中PRLT的加入能夠降低改性瀝青中的油分含量，增加瀝青的黏度，從而改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性.人工合成沸石Aspha-min溫拌劑的作用機理主要是基于降黏技術，因此A-SBS混合料的剝落點最小，水穩(wěn)定性最差，不建議用于南方多雨地區(qū)或者北方季凍區(qū).

2.3 基于灰色關聯(lián)分析法的溫拌效果分析

2.3.1灰色關聯(lián)理論

灰色關聯(lián)分析法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度作為衡量因素間關聯(lián)度的一種方法[13].操作步驟如下：

1) 數(shù)據(jù)的收集與分析.設n個數(shù)據(jù)形成比較序列Yi(j)={Yi(1)，Yi(2)，…,Yi(n)}，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n.Yi(j)指代第i個因素的第j個樣本，m為因素數(shù).

2) 對數(shù)據(jù)進行量綱一處理.為保證數(shù)據(jù)的準確性及結果的可靠性，采用均值法對數(shù)據(jù)進行量綱一處理.Xi(k)為處理后的樣本，其均值法公式為

(2)

3) 關聯(lián)度系數(shù)ξi(j)的計算.公式如下：

(3)

4) 關聯(lián)度γi的計算.公式如下：

(4)

2.3.2溫拌效果綜合評價

為選取一種具有普遍適用性的溫拌劑，采用灰色關聯(lián)理論對4種溫拌劑的溫拌效果進行綜合分析評價，分析指標包括降溫幅度(Y1)、節(jié)約燃油量(Y2)、動穩(wěn)定度(Y3)、最大彎拉應變(Y4)、殘留穩(wěn)定度(Y5)和剝落點(Y6).A0表示不同溫拌類型的混合料最佳性能，A1表示SBS熱拌改性瀝青混合料，A2-A5分別表示摻加Sasobit、Aspha-min、HH-XⅡ和PRLT的瀝青混合料.參考序列與對比序列如表5所示.按照式(2)-(3)進行量綱一處理后，計算得到關聯(lián)度系數(shù)見表6.

依據(jù)式(4)和表6中數(shù)據(jù)，計算得到Sasobit、Aspha-min、HH-XⅡ和PRLT的關聯(lián)度分別為0.783 3、0.769 2、0.820 0及0.928 6，關聯(lián)度由小到大的順序依次為Aspha-min、Sasobit、HH-XⅡ和PRLT.該結果表明：PRLT添加劑比其他溫拌改性劑具有比較理想的降溫節(jié)能效果及路用性能，特別是降溫效果方面表現(xiàn)更佳；雖然PRLT添加劑在高溫穩(wěn)定性方面存在不足，但亦能很好地滿足JTG E20—2011要求.

表5 參考序列與對比序列的分析指標

表6 關聯(lián)度系數(shù)

3 結 論

1) 4種溫拌劑的降溫效果由大到小依次為PRLT、HH-XⅡ、Aspha-min 和Sasobit.其中PRLT的降溫效果最好，并且能夠大幅度降低能源的消耗.

2) 有機溫拌劑Sasobit能夠很好地改善SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，溫拌瀝青低溫抗裂性和水穩(wěn)定性較熱拌SBS改性瀝青混合料也有小幅提升，可推薦應用于高溫重載地區(qū)；沸石類的Aspha-min能夠改善SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性，適用于北方嚴寒地區(qū)；表面活性類的HH-XⅡ?qū)旌狭系母邷胤€(wěn)定性、低溫抗裂性均產(chǎn)生不利影響，但對水穩(wěn)定性有利，考慮用于降雨量大的地區(qū)；低溫成型高性能添加劑PRLT改善了SBS瀝青混合料的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，但仍滿足規(guī)范要求，推薦用于北方季凍區(qū).

3) 4種溫拌劑在降溫效果、節(jié)能降耗及路用性能等方面表現(xiàn)各不相同，通過灰色關聯(lián)理論進行綜合分析對比后，發(fā)現(xiàn)PRLT添加劑對SBS改性瀝青混合料的溫拌效果最好，且綜合性能較好，具有普遍適用性.