成型温度与添加剂对泡沫温拌沥青混合料影响

高文阳

（铁道第三勘察设计院集团有限公司公路分院，天津市 300142；）

成型温度与添加剂对泡沫温拌沥青混合料影响

高文阳

（铁道第三勘察设计院集团有限公司公路分院，天津市 300142；）

泡沫温拌沥青混合料是一种高节能低排放的新型路面材料。通过对基于泡沫沥青的温拌沥青混合料室内试验中出现的问题展开研究，讨论了成型温度，添加剂等因素对温拌沥青混合料路用性能的影响，并提出了改进方法。

温拌沥青混合料；成型温度；添加剂；空隙率；路用性能

0 引言

当前，能源紧张和大气污染是人类共同面临的两大严峻挑战。为保护生态环境，世界各国严格控制一氧化碳和其它有害气体的排放，节能和环保己成为全社会关注的热点问题，同时节能和环保也是衡量一种应用技术成熟与否的关键指标因素[1]。温拌沥青混合料技术的应用，将实现道路建设中能源成本的节约，同时也降低了对环境的污染，特别是对我国来说，根据国家近几年的政策来看，有节能减排优势的温拌沥青混合料技术的应用及研究对于我们公路事业持续健康的发展具有十分重要的意义。

传统的热拌沥青混合料（HMA）是一种热拌热铺材料，生产施工中要消耗大量的能源，而且排出大量的废气和粉尘，严重影响周围环境质量和施工人员的身体健康，而且沥青还会产生老化而影响其路用性能。冷拌混合料由于其路用性能不稳定，一般只用于路面养护。

为了降低能源消耗和废气排放，人们开始研制一种新的节能环保型沥青混合料，即温拌沥青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)，其特点见表1。WMA是一类拌和温度介于热拌沥青混合料 (150℃～180℃)和冷拌沥青混合料(10℃～40℃)之间，性能达到(或接近)热拌沥青混合料的节能环保型沥青混合料[2]。就目前的技术水平而言，WMA的拌和温度一般保持在110℃～120℃，摊铺和压实温度为80℃～110℃，相对于HMA,温度降低了30℃以上。国内外大量的试验研究资料表明，与其它沥青混合料相比，温拌沥青混合料具有高性能抵排放、低能耗的特点[3]。

表1 温拌沥青混合料和其他沥青混合料的比较

目前的温拌技术可以大致分成2种:

（1）在混合料拌和时，通过载体或者直接引入的水分，与热熔状的沥青接触产生大量蒸气，造成沥青体积膨胀形成泡沫沥青，沥青和易性增加使其可以在较低的温度下充分包裹集料，从而实现混合料在较低的温度下进行拌和和压实。该技术的主要影响因素有:添加的水量、添加水的方式和沥青的温度。

（2）加入低熔点的有机添加剂到沥青或者混合料中，从而改变沥青的粘温曲线，降低拌和温度，这种有机物熔点一般在90℃左右，因此混合料的拌和温度一般只能降到有机物的熔点以上。有机物必须慎重选择，因为有机物的熔点必须高于环境的最高温度，否则沥青路面容易产生永久变形，还要考虑有机物是否会使沥青在低温变脆而影响沥青路面的低温抗裂性[3]。

目前，中国对泡沫沥青的研究还多集中在将其作为稳定剂和再生剂应用于基层稳定和冷再生方面，而利用泡沫沥青制备温拌沥青混合料的相关研究较少，国内应用范围较小。因此，进行泡沫型温拌沥青混合料方面的研究是十分必要的。

本文通过对基于泡沫沥青的温拌沥青混合料室内实验中出现的问题展开研究，讨论了成型温度，添加剂等因素对温拌沥青混合料路用性能的影响，并提出了改进方法。

1 原材料

1.1 沥青

本试验选取70号的壳牌沥青。各项性能指标满足规范要求。

1.2 集料

试验所用石料为石灰岩，经筛分后逐渐称量级配，矿粉为石灰岩矿粉，其密度为2 706 kg/m3。集料各项指标均符合规范要求。

1.3 添加剂

试验所选用的添加剂是温拌技术中常用的消石灰和液体抗剥落剂，其成本低且效果较好。

具体实施方式如下：使用AC-13C的密级配沥青混合料，沥青为70号的壳牌沥青，油石比为0.38，消石灰2%（占总量），水4%（占细集料），集料为92%，液体抗剥落剂0.3%（占沥青）。集料级配组成见表2。

表2 AC-13C的密级配沥青混合料集料级配组成

选用的加水方式是将细集料加入拌合锅中，用喷壶以雾化方式向细集料添加水，同时用玻璃棒不断搅拌，使水分均匀、充分地裹覆细集料的表面，形成很薄的水膜。

2 试验中各影响因素的分析

2.1 试件成型温度对WMA性能的影响分析

通过多次实验发现，试件成型温度对空隙率和水稳定性有重要的影响。由表3的实验数据可以看出，当混合料拌合好后控温在110℃再成型的试件空隙率在7%～9%之间，明显偏大。

表3 控温110℃后成型的试件测得的数据

表4试验是拌合后直接击实成型试件，其温度在120℃左右，其空隙率在6%～7%之间。由此可见成型温度升高10℃，其空隙率可降低1.5%左右。而当温度超过130℃之后，空隙率比较稳定，变化很小。表5、表6分别是成型温度为115℃和125℃时测得的空隙率。所以建议以本文中方法制备中温沥青混合料时推荐试件成型温度为120℃左右为宜。

表4 成型温度为120℃时测得的试验数据

表5 成型温度为115℃时测得的试验数据

表6 成型温度为125℃时测得的试验数据

通过多次试验发现压实度受成型温度影响较大，而且，压实度直接影响着温拌沥青混合料的空隙率，空隙率又是影响温拌沥青混合料水稳定性的直接因素.随着温度升高，温拌沥青混合料的空隙率逐渐减小，且减小的趋势逐渐平缓。各控制温度下空隙率平均值趋势见图1,由图1可知成型温度从110℃到125℃之间变化时同一级配的沥青混合料空隙率变化较明显，所以建议以本文中方法制备中温沥青混合料时推荐试件成型温度为120℃左右为宜。

图1 试件成型温度-空隙率关系

沥青混合料的空隙率大小与沥青路面性能直接相关。空隙率太小，特别是对于普通密级配混合料，沥青在夏天受热膨胀时，没有稍微移动的余地，便开始上浮(泛油)在荷载的作用下，很容易产生车辙。空隙率太大，约大于15%时，水分能够在结构空隙中自由流动，混合料的持水时间不长，不会造成很严重的水损破坏，但路面的耐久性值得考虑，结构强度降低，直接影响道路的使用寿命，过大的空隙会加速沥青老化，降低沥青混合料的疲劳寿命[4]。同时，在道路营运期间，又容易被压密形成较大的车辙。当路面的空隙率约处于8%～15%时，这是水损害最容易发生的区域。空隙率一旦大于8%,透水系数随空隙率的增大急剧增长，空隙率从8%增长到15%,透水系数从约50 ml/min增长到1 000 m1/min左右，水份容易进入混合料结构内部，而不易自动排出，在高速行车荷载和温度的反复作用下，空隙中就会产生强大的动水压力和泵吸作用力，使得集料和结合料之间的粘附性降低，沥青薄膜开始慢慢脱落，空隙逐渐扩大，最后便出现掉粒、松散、坑槽等水损坏现象。对于沥青路面而言，适宜的空隙率是至关重要的。

已有大量资料表明，空隙率对沥青混凝土路面的各个主要技术指标有很大的影响，空隙率的大小直接与沥青路面的透水性、抗车辙性能、疲劳寿命等关键技术指标相关。同时，空隙率与沥青混凝土路面的强度也有很大关系。只有当空隙率设计适当时，沥青混凝土路面的水损害、高温车辙等早期破坏才会减小到最小程度。所以在温拌混合料中通过控制试件成型温度来对空隙率进行控制是十分重要的。

2.2 不同外掺剂对WMA性能影响的分析

在制作基于泡沫沥青的温拌沥青混合料的时候，由于要加入适量的水并且拌合温度较低这会增加水损害的可能，为此我们根据以往热拌沥青混合料的成功经验并本着节约成本的原则选取了两种普遍使用且成本较低的抗剥落剂用来提高整体的抗剥落效果，增强水稳定性：消石灰和液体抗剥落剂。在传统的热拌沥青混合料制备中主要利用消石灰提高集料与沥青之间的粘结性，而液体抗剥落剂主要是利用其极性端与集料结合，从而加强与沥青的粘附效果。为了检验二者的作用共做了3组对比试验：

第一组实验：沥青中加液体抗剥落剂（占沥青总量的0.3%）;

第二组实验：细集料中加消石灰（占混合料总量的2%）;

第三组实验：沥青中加液体抗剥落剂（占沥青总量的0.3%）并且细集料中加消石灰（占混合料总量的2%）。

通过实验发现，与在热拌沥青混合料中效果不同，在温拌技术中直接添加消石灰时空隙率都比较大，这与消石灰的吸水，受热膨胀特性有关，尤其是温拌泡沫沥青中这一点体现的特别明显，而单加液体抗剥落剂时空隙率可以维持在5%到7%之间，且水稳定性符合规范要求。

消石灰时一种最常用也是最经济的抗剥落剂。其主要使用方法包括：（1）干消石灰；（2）消石灰稀浆；（3）干消石灰处理湿集料；所有这些方法均可以提高沥青混合料的抗剥落能力。但是在温拌泡沫沥青技术中，添加干的消石灰不能达到预期效果。这主要是因为在温拌泡沫沥青中，加入干的消石灰，在产生大量泡沫的时候消石灰会因为吸水而体积膨胀，之后由于时间温度的关系，其吸收的水分会逐渐丧失而使体积再次变化。在体积不断变化的过程中，原本的密实结构遭到破坏，从而使空隙率偏大，影响路面使用性能。表7为未添加抗剥落剂与分别添加两种抗剥落剂得到的车辙试验结果（每种类型分别进行五组实验）。

表7 车辙试验结果

由表7可以看出添加消石灰时动稳定度均值为952.86次/mm，而添加液体抗剥落剂时动稳定度均值为1 348.18次/mm，二者相差395次/mm，可见掺加消石灰后空隙率偏大，对路用性能造成较大影响。所以在温拌沥青混合料制备中为了提高抗剥落作用，建议采用液体抗剥落剂，而尽量不要直接采用干消石灰。

3 结 语

（1）试件成型温度对温拌沥青混合料性能影响较大，这是因为温拌沥青混合料的压实度受成型温度影响较大，而且，压实度直接影响其空隙率，从而导致温拌沥青混合料水稳定性的不足。随着温度的升高，温拌沥青混合料的空隙率逐渐减小，所以应该根据实际情况选取最佳成型温度，从而保证沥青混合料的路用性能。

（2）在温拌技术中不能照搬热拌沥青混合料的设计经验，在热拌技术中发挥较好作用的材料不能想当然的用于温拌技术中，应该根据温拌技术的特点有针对性的选取合适的材料来提高温拌沥青混合料的整体性能。

总而言之，如今资源节约、环境友好是经济社会发展的客观要求，也是道路行业可持续发展的必然选择。温拌沥青混合料是一种绿色、节能、环保的道路材料，符合我国公路建设的要求，随着技术的不断，温拌沥青混合料将具有更广阔的发展与应用前景。

[1]徐世法,颜彬,季节,等.高节能低排放型温拌沥青混合料的技术现状与应用前景[J].公路,2005(7):195-198.

[2]蔡春华,曹亚东,严军,等.温拌沥青混合料的应用研究[J].上海建设科技,2006(6):30-31.

[3]左锋,叶奋.国外温拌沥青混合料技术与性能评价[J].中外公路, 2007,27(6):164-168.

[4]沈金安.解决高速公路沥青路面水损害早期损坏的技术途径[J].公路,2000(5):71-75.

[5]JTG F40—2004,公路沥青路面技术施工规范[S].

[6]JTJ 052—2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[7]GB/T 30596—2014,温拌沥青混凝土[S].

U414

A

1009-7716（2017）03-0219-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.060

2016-12-13

高文阳（1986-），男，山东济南人，工程师，从事道路设计工作。