溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響及其成本分析

馬斌

摘要：為了對(duì)比分析新型普適高效瀝青改性劑（Sasobit）、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響，開展3種溫拌瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)、高溫和低溫流變性能等室內(nèi)試驗(yàn)，并進(jìn)行溫拌劑成本對(duì)比分析。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：3種溫拌劑均能降低拌和溫度、壓實(shí)溫度，并且摻量越高，對(duì)SBS改性瀝青施工溫度的降低程度越大。三大指標(biāo)（針入度、延度和軟化點(diǎn)）試驗(yàn)結(jié)果顯示：Sasobit能顯著提高瀝青的高溫性能，但會(huì)降低瀝青的低溫性能；Evother@M1、ET-31002兩種溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青三大指標(biāo)無(wú)顯著影響。高溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果顯示：Sasobit對(duì)SBS改性瀝青高溫性能具有有利影響，但Evother@M1、ET-3100劣化了SBS改性瀝青的高溫性能；低溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果顯示：ET-3100溫拌劑優(yōu)于Evother@M1溫拌劑和Sasobit溫拌劑。成本分析結(jié)果顯示：ET-3100國(guó)產(chǎn)溫拌劑價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。

關(guān)鍵詞：瀝青性能；溫拌劑；三大指標(biāo)；流變性能；成本分析

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）06-0054-05

0 引言

瀝青路面易于施工，可提升路面品質(zhì)，因此成為我國(guó)高等級(jí)公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。但是，瀝青混合料的生產(chǎn)加工過程需要耗費(fèi)大量的能源用于瀝青和集料加熱，并且施工中產(chǎn)生的瀝青煙會(huì)危害施工人員的身體健康［1］。在“碳達(dá)峰”“碳中和”成為我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的戰(zhàn)略目標(biāo)的今天，尋求瀝青混合料的低碳生產(chǎn)成為該領(lǐng)域科研工作者的研究熱點(diǎn)［2］。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，溫拌技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。溫拌技術(shù)即在熱拌瀝青混合料中添加溫拌劑，以達(dá)到降低施工溫度的效果。瀝青溫拌技術(shù)主要分為泡沫瀝青法、瀝青礦物法、有機(jī)添加劑法、乳化瀝青［3-4］。各類溫拌技術(shù)優(yōu)勢(shì)不一，對(duì)瀝青混合料的性能影響也不同。馬峰等［5］將Aspha-min、Sasobit兩種溫拌劑分別加入基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青中，并開展瀝青結(jié)合料和瀝青混合料性能研究，說明這兩種溫拌劑有效提升了基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青60 ℃的動(dòng)力黏度，并改善了瀝青及瀝青混合料的高溫性能。溫彥凱等［6］認(rèn)為泡沫瀝青的高溫性能對(duì)粉膠比的敏感性較高。ZHANG等［7］對(duì)加入Advera?、13X zeolite、LTA zeolite 3種不同溫拌劑的SBS復(fù)合改性瀝青開展研究，發(fā)現(xiàn)加入溫拌劑的SBS復(fù)合改性瀝青的高溫性能提升、低溫性能下降。與此同時(shí)，溫拌瀝青混合料能夠極大地降低瀝青混合料攤鋪溫度，達(dá)到節(jié)約能源的目的。但是，溫拌劑對(duì)瀝青混合料的性能有一定的影響，并且溫拌劑成本不低，這2個(gè)因素在溫拌劑的采用決策中不可忽視［8］。本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［9］，開展25 ℃針入度、15 ℃延度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)及高、低溫PG分級(jí)試驗(yàn)，分析不同溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響。與此同時(shí)，將不同溫拌劑的成本計(jì)入瀝青成本中，分析Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑對(duì)瀝青成本的影響。前人的研究多關(guān)注溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響，而較少關(guān)注溫拌劑的價(jià)格體系，對(duì)于瀝青路面施工參考性不強(qiáng)。本研究的開展，將溫拌劑的價(jià)格體系納入研究，具有一定創(chuàng)新性，有利于為瀝青路面施工選用合適溫拌劑提供全面的參考。

1 原材料

本文選擇市面上常見的兩種進(jìn)口種溫拌劑Sasobit、Evother@M1和一種國(guó)產(chǎn)溫拌劑ET-3100開展試驗(yàn)研究。Sasobit的降黏原理為受熱熔化后起潤(rùn)滑作用；Evother@M1的降黏原理為與水結(jié)合形成大量膠團(tuán)，使瀝青易于同集料裹覆；ET-3100的降黏原理為產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性水膜，降低瀝青混合料團(tuán)聚效應(yīng)。選用SBS改性瀝青，分析溫拌劑對(duì)瀝青的性能影響，SBS改性瀝青技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

參考廠家提供的基本信息，3種溫拌劑的摻量（占瀝青質(zhì)量百分比）范圍分別如下：Sasobit為1%～3%、Evother@M1為0.2%～0.8%、ET-3100為0.5%～1%。因此，本文設(shè)置Sasobit的摻量為1%、2%、3%，Evother@M1的摻量為0.2%、0.5%、0.8%，ET-3100的摻量為0.5%、0.8%、1%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 三大指標(biāo)（針入度、延度和軟化點(diǎn)）

三大指標(biāo)（針入度、延度和軟化點(diǎn)）試驗(yàn)過程參考我國(guó)規(guī)范JTG E20—2011［9］中的要求進(jìn)行，其中針入度測(cè)試溫度為25 ℃，延度測(cè)試溫度為5 ℃。對(duì)SBS改性瀝青以及添加了不同種類溫拌劑的改性瀝青開展三大指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2中的數(shù)據(jù)可知：Sasobit對(duì)瀝青的高溫性能有顯著的提升作用，但會(huì)損害瀝青的低溫性能，表現(xiàn)在軟化點(diǎn)提升較大，而延度降低較多，并且摻量越高，該現(xiàn)象越明顯。相較于SBS改性瀝青，不同摻量的Sasobit對(duì)瀝青的性能影響可明顯看出有統(tǒng)計(jì)學(xué)的差異，而Evother@M1和ET-3100對(duì)瀝青的三大指標(biāo)影響較小，但是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

為進(jìn)一步驗(yàn)證Evother@M1和ET-3100對(duì)瀝青的三大指標(biāo)有無(wú)影響，設(shè)置Evother@M1的摻量為0.8%，ET-3100的摻量為1%，測(cè)試0.8%Evother @M1溫拌瀝青、1% ET-3100溫拌瀝青的三大指標(biāo)（針入度、延度和軟化點(diǎn)）。每種測(cè)試指標(biāo)各測(cè)試10次，對(duì)結(jié)果開展顯著性分析。基于SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件，開展獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)方法驗(yàn)證Evother@M1和ET-3100對(duì)SBS改性瀝青針入度、延度和軟化點(diǎn)的影響。t檢驗(yàn)設(shè)置P值時(shí)，一般認(rèn)為P<0.05即有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P<0.01認(rèn)為有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P<0.001認(rèn)為有極其顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，以P≥0.05認(rèn)為無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異［10］。驗(yàn)證結(jié)果見表3。

由表3可知，P值均大于0.05，可認(rèn)為這2種溫拌劑對(duì)瀝青的三大指標(biāo)沒有顯著影響。

2.2 布氏旋轉(zhuǎn)黏度

布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)參考我國(guó)規(guī)范JTG E20—2011中的要求，測(cè)試溫度設(shè)置為135 ℃和175 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知：不同類型的溫拌劑均能降低SBS改性瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度，與未摻溫拌劑的SBS改性瀝青相比，摻溫拌劑瀝青其溫拌劑摻量越高，則布式旋轉(zhuǎn)黏度越低。但是，不同的溫拌劑類型，摻量不同時(shí)，摻溫拌劑瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度變化趨勢(shì)略有區(qū)別，主要體現(xiàn)在Evother@M1的摻量為0.8%時(shí)的布式旋轉(zhuǎn)黏度，在0.5%Evother@M1/SBS復(fù)合改性瀝青的基礎(chǔ)上降低較小。Sasobit和ET-3100均隨著摻量的增加，布式旋轉(zhuǎn)黏度呈線性降低。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與3種溫拌劑的降黏原理不同有關(guān)，Sasobit受熱熔化后對(duì)SBS改性瀝青內(nèi)部的大分子膠團(tuán)起到潤(rùn)滑作用，摻量越高則潤(rùn)滑作用越明顯，因此黏度隨Sasobit摻量的增加呈線性下降。ET-3100的降黏原理為產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性水膜，降低瀝青混合料團(tuán)聚效應(yīng)，摻量越高則瀝青黏度越低。Evother@M1的降黏原理是與水結(jié)合形成大量膠團(tuán)，使瀝青易于同集料裹覆，但在摻量較高時(shí)，瀝青結(jié)合料難以體現(xiàn)降黏優(yōu)勢(shì)，這與瀝青混合料的差異有關(guān)；隨著Evother@M1摻量的增加，大量膠團(tuán)反而不利于瀝青結(jié)合料的黏度降低。

按照我國(guó)規(guī)范JTG E20—2011中的規(guī)定，可根據(jù)135 ℃、175 ℃溫度條件下所得布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制黏溫曲線，確定瀝青混合料拌和溫度、壓實(shí)溫度。SBS改性瀝青以及不同類型的溫拌劑改性瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度所確定的拌和溫度、壓實(shí)溫度具體見表4。

從表4可知，Sasobit、Evother@M1、ET-31003三種溫拌劑均能降低瀝青混合料的拌和溫度、壓實(shí)溫度。這3種溫拌瀝青的拌和、壓實(shí)溫度相較SBS改性瀝青均降低5～20℃，并且隨著溫拌劑摻量的增加，降低幅度越大。3種溫拌劑中，Evother@M1對(duì)SBS改性瀝青的施工溫度降低最明顯，摻量為0.5%時(shí)，對(duì)SBS改性瀝青的拌和溫度和壓實(shí)溫度的降低值相當(dāng)于2%摻量Sasobit溫拌劑和1%摻量ET-3100溫拌劑。但是，Evother@M1溫拌劑的摻量從0.5%增加到0.8%時(shí)，對(duì)應(yīng)的施工溫度降低并不顯著，隨著Evother@M1溫拌劑的摻量增加，Evother@M1/SBS復(fù)合改性瀝青的施工溫度并非呈線性下降，這一點(diǎn)與Sasobit、ET-3100有明顯的區(qū)別。

2.3 高溫流變性能

瀝青狀態(tài)為原樣狀態(tài)，測(cè)試溫度范圍為64～82℃，測(cè)試過程參考我國(guó)規(guī)范JTG E20—2011中的要求，試驗(yàn)結(jié)果為車轍因子G*/sinδ，該指標(biāo)由復(fù)數(shù)模量G*與相位角δ計(jì)算而得，表征瀝青結(jié)合料高溫性能，其值越高，表明瀝青抵抗高溫變形的能力越強(qiáng)，瀝青高溫性能越好。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知：隨著溫度增加，SBS改性瀝青與Sasobit、Evother@M1、ET-31003這3種溫拌瀝青的車轍因子均快速下降，表明高溫不利于SBS改性瀝青及溫拌劑/SBS改性瀝青抵抗車轍變形，但不同溫拌劑的車轍因子變化曲線略有區(qū)別。其中，Sasobit/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子曲線均在SBS改性瀝青上方，并且Sasobit的摻量越高，Sasobit/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子越大，表明Sasobit能有效提升SBS改性瀝青的高溫性能，這一結(jié)論與前文軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果一致。Evother@M1/SBS復(fù)合改性瀝青與ET-3100/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子曲線均在SBS改性瀝青下方，表明Evother@M1和ET-3100對(duì)SBS改性瀝青的高溫性能有劣化作用。不同于Sasobit，這2種不同摻量的溫拌劑/SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子曲線差距較小。雖然Evother@M1和ET-3100對(duì)SBS改性瀝青的車轍因子有不利影響，但是隨著摻量增加，對(duì)SBS改性瀝青高溫性能劣化作用并未加大。從車轍因子試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，Sasobit優(yōu)于Evother@M1和ET-3100。

2.4 低溫流變性能

我國(guó)規(guī)范JTG E20—2011中的低溫彎曲梁流變性能試驗(yàn)可作為瀝青結(jié)合料低溫性能試驗(yàn)方法，采用低溫下瀝青勁度模量S值和蠕變曲線斜率m值表征瀝青結(jié)合料低溫性能。其中，S值越大，表明瀝青在低溫下的模量越高，在低溫荷載作用下發(fā)生破壞的可能性越高。因此，對(duì)于瀝青結(jié)合料，S值越低，代表瀝青低溫性能越高。為減少工作量，低溫流變性能僅分析最高摻量。參考我國(guó)規(guī)范JTG E20—2011的要求，設(shè)置試驗(yàn)溫度為-12 ℃，SBS改性瀝青與不同溫拌劑/SBS復(fù)合改性瀝青的S值隨加載時(shí)間的變化曲線如圖3所示。從圖3可知，不同溫拌劑/SBS復(fù)合改性瀝青的勁度模量曲線均在SBS改性瀝青上方，表明Sasobit、Evother@M1和ET-3100均不利于SBS改性瀝青的低溫性能。具體分析3種溫拌劑的勁度模量曲線，勁度模量指標(biāo)按大小排序?yàn)镾asobit＞Evother@M1＞ET-3100。因此，低溫流變性能方面，ET-3100優(yōu)于Evother@M1，Evother@M1優(yōu)于Sasobit。

3 成本分析

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑的價(jià)格（包括運(yùn)費(fèi)）見表5。溫拌劑是作為添加劑與瀝青混合，因此本文對(duì)溫拌劑的成本分析主要考慮將溫拌劑的成本計(jì)算入瀝青的成本。Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑的成本均在最高摻量水平開展對(duì)比分析。由表5可知，進(jìn)口溫拌劑Sasobit增加的瀝青成本最高，而國(guó)產(chǎn)溫拌劑ET-3100的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯?？紤]到SBS改性瀝青的每噸價(jià)格為4 000～6 000元，取5 000元/噸的中間值，3種溫拌劑增加瀝青成本的幅度分別為Sasobit提高25.2%，Evother@M1提高19.2%，ET-3100提高17.2%。結(jié)合上文各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果，Evother@M1溫拌瀝青與ET-3100溫拌瀝青性能相差較小，而ET-3100對(duì)瀝青價(jià)格的增加幅度略低于Evother@M1。因此，綜合性能與成本，ET-3100溫拌劑為最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

將Sasobit、Evother@M1、ET-3100這3種溫拌劑摻入SBS改性瀝青中，測(cè)試不同溫拌改性瀝青的三大指標(biāo)、布式旋轉(zhuǎn)黏度、高溫流變性能及低溫流變性能，3種溫拌劑均能降低瀝青混合料的拌和溫度、壓實(shí)溫度，降低幅度為5～20 ℃，并且溫拌劑的摻量越高，SBS改性瀝青的施工溫度降低幅度越大。Evother@M1和ET-3100對(duì)SBS改性瀝青的三大指標(biāo)無(wú)顯著影響，可考慮采用流變性指標(biāo)評(píng)價(jià)這2種溫拌瀝青的高、低溫性能。Sasobit能顯著提高SBS改性瀝青的高溫性能，但對(duì)其低溫性能損害較大，其余2種溫拌瀝青不利于SBS改性瀝青高溫性能的發(fā)揮，但對(duì)SBS改性瀝青的低溫性能影響較小。成本分析表明，ET-3100溫拌劑優(yōu)于Sasobit和Evother@M1。綜合而言，Sasobit溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青的高溫性能有利，但會(huì)劣化其低溫性能，Evother@M1和ET-3100對(duì)SBS改性瀝青高溫性能有利，但對(duì)其低溫性能劣化程度相較Sasobit輕微；ET-3100溫拌劑的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)濟(jì)性較好。本文的研究結(jié)果可為瀝青路面施工選用經(jīng)濟(jì)適用、性能合適的溫拌劑提供一定參考。

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