不同温拌剂对沥青及其混合料性能的影响分析

解　晨，徐文远

(东北林业大学土木工程学院， 黑龙江哈尔滨150000)



不同温拌剂对沥青及其混合料性能的影响分析

解晨，徐文远

(东北林业大学土木工程学院， 黑龙江哈尔滨150000)

为了研究不同机理的温拌剂在沥青与沥青混合料路用性能与降温效果上的差异，以及选出能够更好的评价温拌沥青混合料的路用性能的指标。分别对沥青添加有机添加剂机理的温拌剂sasobit(掺量为0、1%、2%、3%、4%、5%)和自行研发的基于表面活性机理的温拌剂ZYF-B(掺量为0、3%、4%、5%、6%、7%)，进行针入度、延度、软化点及黏附性试验；经过试验综合比较后，得出两种温拌的较佳掺量是sasobit为3%、ZYF-B为5%，并对这两种比例的混合料进行车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验、经济效益评价，应用灰色关联分析试验数据。研究结果显示，ZYF-B温拌剂的加入使沥青的针入度、黏附性、改性沥青的延度、混合料的水稳定性方面优于sasobit温拌剂；sasobit温拌剂的加入使沥青的软化点、基质沥青的延度、混合料的高温稳定性、混合料的低温抗裂性方面优于ZYF-B温拌剂。降温效果评价以传统热拌基质沥青为基准，以3%～5%为目标空隙率，ZYF-B温拌剂降低温度25 ℃～50 ℃，sasobit温拌剂降温温度19 ℃～23 ℃。通过灰色关联分析得到了影响温拌沥青混合料路用性能最重要的因素是温拌沥青的延度。相关结论可对施工中合理选择温拌剂提供参考。

温拌剂；沥青；沥青混合料；灰色关联分析

0　引　言

温拌沥青混合料具有节能环保、延长施工周期及保护现场施工人员健康等一系列优点[1]。目前，国内外学者致力于研究温拌沥青及其混合料性能，研究热点集中于基于有机添加剂机理的温拌剂和基于表面活性机理的温拌剂。大量的研究人员对比分析了两种不同机理的温拌剂的路用性能及降温效果，但定量分析其影响因素的较少[2-5]。因此，本文从比较这两种温拌剂对沥青性能的影响、降温效果、经济效益和混合料的路用性能的方向入手，同时结合灰色关联分析，研究温拌沥青性能与其混合料性能的关系，以期选出能有效反映沥青混合料性能的温拌沥青指标。

1　温拌剂对沥青性能影响分析

本次研究所使用的两种温拌剂为基于有机添加剂机理的温拌剂sasobit和本课题组自行研发的基于表面活性机理的温拌剂ZYF-B。将sasobit的掺量拟定为0、1%、2%、3%、4%、5%，ZYF-B的掺量拟定为0、3%、4%、5%、6%、7%[6-8]。

表1　沥青的技术指标Tab.1　Technical index of asphalt

注：“规范”是指《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)。

1.1温拌剂对沥青针入度影响分析

通过向90#基质沥青与SBS改性沥青中分别加入不同掺量的sasobit与ZYF-B，分析针入度的变化规律。试验结果如图1。

(a)sasobit不同用量下的针入度

(b)ZYF-B不同用量下的针入度

图1sasobit、ZYF-B不同用量下的针入度

Fig.1Penetrationofdifferentdosagesasobit,ZYF-B

由图1(a)可知，sasobit的加入使得90#基质沥青和SBS改性沥青的针入度降低，以掺量3%为界，1%～3%针入度下降趋势平缓，说明sasobit的加入没有对基质沥青和改性沥青产生过大的影响。当掺量大于3%时，沥青的针入度下降趋势非常明显。

由图1(b)可知,ZYF-B的加入并没有对90#基质沥青与SBS改性沥青的针入度产生明显的变化，所以ZYF-B对两种沥青的针入度几乎无影响。

1.2温拌剂对沥青软化点影响分析

由图2(a)可知,sasobit的加入使90#基质沥青与SBS改性沥青的软化点上升明显,在掺量3%之前软化点上升缓慢，当掺量大于3%后软化点上升幅度明显。

由图2(b)可知，ZYF-B加入90#基质沥青与SBS改性沥青后，两种沥青的软化点在掺量3%～5%时随着掺量的增加而增大，当掺量大于5%后随用量的增大软化点变化不明显。

(a)sasobit不同用量下的软化点

(b)ZYF-B不同用量下的软化点

图2sasobit、ZYF-B不同用量下的软化点

Fig.2Softeningpointofdifferentdosagesasobit,ZYF-B

1.3温拌剂对沥青延度影响分析

由图3(a)可知，在加入掺量2%的sasobit后延度得到改善，在掺量为3%时延度达到峰值(133.1cm)，此时的延度较掺入量为0时的90#基质沥青的延度(114.2cm)提高了16.5%。掺量超过3%以后90#基质沥青延度迅速下降，当掺量达到5%时延度已经小于90#基质沥青的原有延度。而对于SBS改性沥青在掺量3%以前对延度作用不明显，掺量的继续加大使SBS改性沥青延度降低。

(a)sasobit不同用量下的延度

(b)ZYF-B不同用量下的延度

图3sasobit、ZYF-B不同用量下的延度

Fig.3Ductilityofdifferentdosagesasobit,ZYF-B

由图3(b)可知，ZYF-B加入两种沥青后，当掺量达到5%时90#基质沥青延度也达到峰值(123.4cm)，此时的延度较掺量为0时的90#基质沥青的延度(114.2cm)提高了7.8%。当掺量大于5%时90#基质沥青延度呈平稳下降趋势，随掺量的增加越趋于平稳。对于SBS改性沥青当加入温拌剂掺量大于3%时，随掺量的增加SBS改性沥青的延度也随之增大，当掺量大于5%时SBS改性沥青延度趋于平稳，此时延度为44.7cm，掺入量为0时SBS改性沥青延度为38cm，使其延度提高17.6%。

1.4温拌剂对沥青与集料黏附性影响分析

由图4(a)可知，基质沥青自身的黏附等级为4级，当sasobit掺量小于3%时沥青与骨料黏附性相对较好，当sasobit掺量大于3%沥青与骨料的剥离现象严重。相比于基质沥青，SBS改性沥青也会出现沥青剥离的情况，但剥离程度稍弱于基质沥青。

由图4(b)可知，基质沥青与SBS改性沥青自身的黏附等级为4级，当分别加入3%ZYF-B与4%ZYF-B后两种沥青的黏附性均变为5，随着用量的增加黏附性没有变化。

(a)sasobit不同用量下的黏附性等级

(b)ZYF-B不同用量下的黏附性等级

图4sasobit、ZYF-B不同用量下的黏附性等级

Fig.4Adhesionlevelofdifferentdosagesasobit,ZYF-B

1.5sasobit与ZYF-B掺量的确定

sasobit在3%掺量时两种沥青的针入度值为折线的拐点，虽然在掺量大于3%以后两种沥青的软化点还在继续增大,但3%的掺量改善效果已足够明显，3%时的延度值为折线的峰值，在掺量为3%时虽然黏附性有所降低，但影响不大，所以综合考虑sasobit的掺量定为3%。

ZYF-B在掺量大于5%时基质沥青与改性沥青的针入度没有明显变化，延度为基质沥青的峰值，软化点也没有提升的空间，在掺量大于4%后黏附性等级都为5级，所以综合考虑ZYF-B的掺量定为5%。

2　温拌剂对沥青混合料路用性能影响分析

2.1配合比设计、拌合与压实温度的确定

本文采用的沥青矿料集配为AC-13，最佳油石比为4.6%。用压实效果来衡量降温量，以空隙率为指标来确定温拌混合料的压实以及拌合温度[9-10]。根据“1.5”节确定的结果可用基质沥青、3%sasobit、5%ZYF-B拌合的沥青混合料在160 ℃～100 ℃每10 ℃一个单位测试件空隙率。以3%～5%为目标空隙率[11]，可以得到两种温拌混合料的压实温度范围，拟定拌合温度高于压实温度10 ℃，可得到拌合温度范围。通过与基质沥青混合料的对比，得到两种温拌剂的降温范围。实验结果见图5。

图5　不同压实温度下的空隙率

由图5可以看出，每一个压实温度点上两种温拌剂试件的空隙率都比基质沥青的空隙率低。在压实温度低于140 ℃的3%sasobit试件空隙率都小于5%ZYF-B试件的空隙率;在压实温度高于140 ℃的5%ZYF-B空隙率小于或等于3%sasobit。说明当压实温度低于140 ℃时sasobit的降温效果好于ZYF-B，压实温度大于140 ℃时ZYF-B的降温效果强于或等于sasobit。

为了得到准确的温拌混合料的压实拌合温度以及两种温拌剂的降温范围，本文将实验数据拟合回归方程，计算压实拌合温度。见表2。

表2　拌合、压实温度范围Tab.2　Temperature range of mixing, compaction

注：x 表示压实温度，y表示试件空隙率。

以4.5%为目标空隙率，即y=4.5代入回归方程，分别得到混合料的压实温度：90#沥青混合料压实温度为144.1 ℃，90#+sasobit沥青混合料压实温度为120.4 ℃，90#+ZYF-B沥青混合料压实温度为116 ℃。表明sasobit降低了23.7 ℃，ZYF-B降低了28.1 ℃，降温效果明显。

2.2温拌沥青混合料路用性能的对比

2.2.1温拌剂对混合料高温稳定性能的影响

本文分别向沥青混合料中加入sasobit与ZYF-B，并利用“2.1”节的结果，在各自的拌合、压实温度下进行车辙试验。实验结果见表3。

表3　车辙试验结果Tab.3　Results of wheel tracking test

由表3可知，加入sasobit的沥青混合料的稳定度比基质沥青混合料稳定度提高了30%，并且相比基质沥青变形量也有所降低;加入ZYF-B的沥青混合料的稳定度与变形量都与基质沥青混合料接近。表明sasobit的加入有效地改善了混合料的高温稳定性，而ZYF-B的加入虽然没有增强混合料的高温性能，但在降低混合料温度的同时并没有给混合料的高温性能带来负面影响。

2.2.2温拌剂对沥青混合料低温抗裂性能的影响

本文通过对两种不同温拌机理的沥青混合料进行等应变加载破坏，在-10 ℃的温度下进行小梁弯曲试验，分析不同种类温拌剂在低温抗裂性能上的表现。试验结果见表4。

表4　-10 ℃小梁弯曲试验结果Tab.4　Results of -10 ℃ trabecular bending test

由表4可知，试件的弯拉应变sasobit>ZYF-B>90#，试件的劲度模量sasobit

2.2.3温拌剂对混合料水稳定性的影响

本文采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验来表征沥青混合料抗水损害的能力。浸水马歇尔主要模拟混合料受水损害时的抗剥落的能力，冻融劈裂试验较浸水马歇尔试验更严苛一些，更好的模拟了寒冷地区路面在冻融循环过程中抵抗水损害的能力。

表5　冻融劈裂试验结果Tab.5　Results of freeze-thaw splitting test

由表5可知，两种温拌沥青混合料的冻融劈裂强度比均大于基质沥青混合料，说明温拌剂的添加增强了混合料的水稳定性。而ZYF-B在水稳定性上的效果要强于sasobit，由“1.4”小节的黏附性结果可得其原因，ZYF-B在沥青与集料的黏附性上的效果更好，使得经过冻融循环的混合料在水稳定性上的作用更显著。

由表6可知，两种温拌沥青混合料的残留稳定度均大于基质沥青混合料，表明温拌剂的加入使受水损害时的混合料提高了自身的抗剥落能力。sasobit与ZYF-B两种温拌剂在提高残留稳定度上的效果几乎相同。

表6　浸水马歇尔试验结果Tab.6　Results of immersion Marshall test

2.3经济效益评价

2.3.1使用添加剂材料增加费用

本文以1t沥青混合料为例，集配类型、最佳油石比及两种温拌剂的最佳掺量均采用本文“2.1”小节所用指标。则1t沥青混合料中沥青的质量(m)为：m=1000×4.6%/(1+4.6%)=44 (kg)，集料与矿粉的质量(M)为：M=1000-44=956 (kg)。1t温拌沥青混合料中sasobit的掺量为：1000×4.6%×3%=1.38 (kg)，ZYF-B的掺量为：1000×4.6%×5%=2.30 (kg)。从而可以计算出1t温拌沥青混合料中使用温拌剂的费用，使用温拌剂增加的费用见表7。

表7　温拌剂的用量与费用Tab.7　The amount and cost of warm mix agent

2.3.2节约燃油费用

本文研究以0#柴油为热量来源，假设Q1、Q2、Q3分别为加热沥青、加热集料、烘干石料中的水分至水蒸气所需的热量，则生产1t温拌沥青混合料所需要的热量Q=Q1+Q2+Q3。由Q=C·m·(t末-t初),其中：Q为吸收的热量，C为比热容，m为质量，t为温度，分别计算每种物质吸收的热量。

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)的规定，取90#基质沥青的热拌沥青混合料中沥青与骨料加热至150 ℃(即t末为150 ℃)，沥青在拌合站储存时为液态100 ℃(即t初为100 ℃)，骨料t初为室温20 ℃。同理，由“2.1”节的结果分别取sasobit与ZYF-B温拌沥青混合料中沥青与骨料的加热温度至125 ℃与120 ℃(即t末分别为125 ℃与120 ℃)。沥青的比热容为1.34kJ/(kg·℃)，骨料与矿粉的比热容为0.88kJ/(kg·℃)。整理以上计算所用数据得表8，并利用公式Q=C·m·(t末-t初)，经计算得表9。

表8　计算混合料中沥青吸收热量Q1与骨料吸收热量Q2所需要的基础数据Tab.8　Basic data needed to calculate the heat of absorption of asphalt Q1 and aggregate Q2 in the mixture

表9　混合料中沥青吸收热量Q1与骨料吸收热量Q2Tab.9　The heat absorbed by the asphalt Q1 and the heat absorbed by the aggregate Q2 in the mixture

骨料中所含水分按骨料总量的1%计算，烘干骨料中的水分是把水由室温加热至100 ℃然后吸收能量完成汽化，在这两个过程中热拌与温拌两种方法都要付出相同的能量。水的比热容为4.2kJ/(kg· ℃)，汽化热为2 260kJ/kg,即Q3=956×1%×[4.2×(100-20)+2260]=24817.76kJ。因此总的吸热量见表10。

表10　混合料总的吸热量QTab.10　Total heat Q absorption of mixture

1kg0#柴油完全燃烧产生大约46 000kJ，以当日0#柴油价格(4.83元/升)，即4.06 元/kg。结合表9计算结果，生产1t沥青混合料柴油的用量与费用见表11。

表11　生产1 t沥青混合料柴油的用量与费用Tab.11　Amount and cost of diesel oil produced by 1 t asphalt mixture

由表7中的增加费用与表11中的柴油费用，得到加热1t混合料总的成本为：90#基质沥青为0+12.10=12.10元；90#+sasobit为45.54+10.10=55.64元；90#+ZYF-B为9.20+9.70=18.90元。因此在使用sasobit与ZYF-B两种温拌剂加热1t混合料时，ZYF-B较sasobit节约成本为：55.64-18.90=36.74元。

3　灰色关联分析

3.1原理与计算方法

灰色关联分析方法是根据因素之间的发展趋势的相似与相异程度来衡量因素之间的接近程度，可以从众多影响因素中找到主要影响因素及因素之间对系统影响的差异[12-14]。为了发现影响温拌沥青混合料路用性能最重要的影响因素，以动稳定度、最大弯拉应变、冻融劈裂强度比、残留稳定度为参考数列表征温拌混合料的路用性能,以温拌沥青的针入度、软化点、延度、黏附性为比较数列表征温拌路用性能的影响因素。

计算方法分为如下步骤：确定参考数列Xo={Xo(k)|k=1，2，…,n}；确定比较数列Xi={Xi(k)|k=1，2,…,n}(i=1，2,…,n)。

各指标比较数列与参考数列的关联系数为:

Δi(k)=|Yo(k)-Yi(k)|,

式中，ρ为分辨系数，一般为0到1之间的某个值，通常取值为0.5。

关联度按大小排列，Xi与Xo的关联度越大，表示Xi与Xo的发展趋势越相近，Xi对Xo的影响也越大[15]。

3.2温拌沥青指标与温拌沥青混合料路用性能灰色关联分析

按照灰色关联计算方法，选取沥青混合料试验数据作为参考数列，沥青试验指标为比较数列。参考数列及比较数列如表12所示。

表12　参考数列与比较数列Tab.12　Reference sequence and compare sequence

表12中，分别以X01、X02、X03、X04为参考数列，以沥青指标X1、X2、X3、X4为比较数列。采用均值法进行无量纲处理后计算关联系数，结果如表13所示。

表13　温拌沥青指标与温拌混合料性能指标的关联系数ξTab.13　Correlation coefficient ξ of warm mix asphalt index and warm mix asphalt mixture property

表14　温拌沥青指标与温拌混合料性能指标的关联度rTab.14　grey relational degree r of warm mix asphalt index and warm mix asphalt mixture property

由表14可知，动稳定度与沥青指标的关联度由大到小排列为X3>X1>X2>X4，最大弯拉应变与沥青指标的关联度由大到小排列为X3>X1>X2>X4，冻融劈裂强度与沥青指标的关联度由大到小排列为X2>X3>X1>X4，残留稳定度沥青指标的关联度由大到小排列为X3>X2>X1>X4。即对动稳定度、最大弯拉应变、残留稳定度影响最大的沥青指标为延度，对冻融劈裂强度比影响最大的沥青指标为软化点。

综上所述，温拌沥青的延度对混合料的性能影响最大，由“1.3”节的实验数据可知，对于添加温拌剂的基质沥青延度改善效果sasobit>ZYF-B；对于添加温拌剂的改性沥青延度改善效果ZYF-B>sasobit。

4　结　论

①对比sasobit及ZYF-B两种温拌剂对沥青指标的影响，在提高沥青针入度、软化点、延度及黏附性方面，两种温拌剂的表现依次为ZYF-B>sasobit、sasobit>ZYF-B、sasobit>ZYF-B、ZYF-B>sasobit、ZYF-B>sasobit。

②确定了温拌剂的最佳掺入量，sasobit的掺入量为3%，ZYF-B的掺入量为5%。

③两种不同机理的温拌剂都可以有效地降低沥青混合料的拌合与压实温度，sasobit可以降低拌合、压实温度19 ℃～23 ℃，ZYF-B可以降低拌合、压实温度25 ℃～50 ℃。降温效果ZYF-B>sasobit。对比了两种温拌剂对混合料路用性能的影响，在改善混合料高温稳定性能、低温抗裂性能、混合料的水稳定性方面，两种温拌剂的表现依次为sasobit>ZYF-B、sasobit>ZYF-B、ZYF-B>sasobit。

④加入ZYF-B温拌剂的成本与传统热拌相差不大，但较加入sasobit温拌剂的成本每t节约36.74元。

⑤通过灰色关联分析模型可知，综合分析在温拌沥青混合料路用性能的影响因素中温拌沥青的延度>软化点>针入度>黏附性。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Effect of different warm mix agent on performance of asphalt and its mixture

XIE Chen，XU Wen-yuan

(CivilEngineeringCollege，NortheastForestryUniversity,Haerbin150000,China)

Inordertoinvestigatetheeffectofwarmmixagentswithdifferentmechanismsonthepavementperformancesandcoolingeffectsofasphaltanditsmixtureandchooseabetterindextoevaluatethepavementperformancesofwarmmixasphalt,thispaperanalyzedthepenetration,ductility,softeningpointandadhesionoftheasphaltsmixingwithorganicadditivesasthewarmmixagent(sasobit,dosage: 0、1%、2%、3%、4%、5%)orself-developedwarmmixagentbasedonsurfaceactivemechanism(ZYF-B,dosage: 0、3%、4%、5%、6%、7%),respectively.Afteracomprehensivecomparisonthroughvariousexperiments,thebettermixingdosagesforthetwowarmmixagentswereobtainedtobe3%(forsasobit)and5%(forZYF-B),respectively.Ruttingtest,low-temperaturebendingtest,immersionMarshalltestandfreeze-thawsplittestwereconductedontheasphaltmixtureswiththeaforementioneddosages,andeconomicalbenefitwasevaluated.Correspondingtestdatawereanalyzedwiththegreyrelationmethod.Theresultsshowedthatthepenetration,adhesionandductilityandwaterstabilityoftheasphaltmixingwithZYF-Bwerebetterthanthoseoftheasphaltmixingwithsasobit.However,thesofteningpoint,theductility,thehightemperaturestabilityandthelowtemperaturecrackingresistanceoftheasphaltmixingwithsasobitwerebetterthanthoseoftheasphaltmixingwithZYF-B.Thecoolingeffectwasevaluatedbyusingthetraditionalhotmixasphaltasthereferenceand3%～5%asthetargetvoidage.Asaresult,thereducedtemperatureswere25 ℃～50 ℃forZYF-Band19 ℃～23 ℃forsasobit,respectively.Asaresultofthegreycorrelationanalysis,themostimportantfactorinfluencingthepavementperformanceofwarmmixasphaltwastheextensionofthewarmmixasphalt.Theseconclusionscouldprovidereferenceforreasonableselectionofwarmmixagentinconstruction.

warmmixagent;asphalt;asphaltmixture;graycorrelationanalysis

2016-01-10；

2016-06-30

交通运输部—部省联合计划项目(2009HZD0021)

徐文远(1969—)，男，内蒙古呼伦贝尔人，东北林业大学教授，博士生导师，工学博士；E-mail：xuwenyuan@nefu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1228

U414

A

1001-7445(2016)04-1228-10

引文格式：解晨，徐文远.不同温拌剂对沥青及其混合料性能的影响分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1228-1237.