温拌沥青胶浆高温性能影响因素研究及预测

郭文玉，王玉兰，曾俐豪

(1.昆明市五华区保障性住房管理服务中心，云南 昆明 650000； 2.山东省交通规划设计院，山东 济南 250031； 3.长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114)

0 引 言

近日，交通运输部印发的《加快推进绿色循环低碳交通运输发展指导意见》指出，截至2020年年底，中国应实现交通运输绿色发展、循环发展、低碳发展，基本建成绿色循环低碳交通运输体系。据统计，截至2017年年底，中国高速公路里程已超过13万km，其中90%以上的高速公路均采用沥青混合料进行建设，每年产出的热拌沥青混合料数量过亿吨，不仅消耗大量能源，还会排放大量废气和粉尘，严重影响生态环境和施工人员的健康，降低公路建设碳排放已成为中国公路发展亟须解决的问题。

温拌沥青混合料(WMA)作为一种既满足热拌沥青混合料性能又能降低大气污染的新型技术，自1995年由欧洲Shell公司提出以来[1]，国内外研究人员对其展开了大量研究：李华平等通过研究Sasobit温拌剂对橡胶沥青流变性能的影响，发现其不仅可以降低橡胶沥青施工温度，还可提高橡胶沥青高温黏度[2]；李宏志等通过研究投料顺序、温拌剂种类对沥青胶浆流变性能的影响，发现投料顺序对沥青胶浆性能无明显影响[3]；Chaofanwu等研究温拌剂对沥青PG分级的影响发现，掺入Sasobit温拌剂能有效提高沥青PG等级[4]；Diefenderfer等研发多种不同类型温拌剂，并对其实际应用技术进行了研究[5]；汤文等研究了不同回收料掺量对温拌再生沥青混合料性能的影响[6]；张海等研究了SEAM对沥青流变特性的影响[7]；陆兆峰等研究了天然岩沥青对沥青流变特性的影响[8]。

纵观近年对温拌技术的研究重点，大都针对温拌沥青或混合料两方面，鲜闻对温拌沥青的胶浆性能影响因素与预测研究，且沥青混合料高温性能影响因素繁多，难以一一定性分析。有研究表明沥青胶浆对混合料高温抗车辙性能影响较大，因此本文基于DSR试验测定不同沥青胶浆试样的车辙因子，并将其作为评价指标，与Buttlar公式预估数据进行对比，为温拌技术的推广和应用提供参考依据。

1 原材料

1.1 沥青

选用70#基质沥青与SBS改性沥青，2类沥青性能指标如表1所示。

1.2 温拌剂

Sasobit与3G为目前市场常见的两类温拌剂。Sasobit是Fischer-Tropsch(FT)过程从煤气化中生产的含有40～120个碳原子的长链脂肪族烃，也被称为FT固体石蜡；3G是美德维实伟克公司(MWV)的第三代技术产品，其含有的表面活性剂成分可改变沥青分子之间的极性、沥青分子与集料之间的表面张力。两类温拌剂的性能指标如表2所示。

表1 基质沥青与改性沥青的性能指标

表2 Sasobit与3G温拌剂的性能指标

2 温拌沥青胶浆的高温性能

2.1 各因素对温拌沥青胶浆高温性能的影响

为研究温拌沥青胶浆高温性能的影响因素，采用上文所选原材料制备沥青胶浆试样，基于DSR试验扫描各试样车辙因子(G*/sinδ)评价其高温性能，具体试验设计如表3所示[9-10]。后文中试样按照沥青种类-温拌剂种类-掺量-粉胶比-试验温度的形式表示，如A-S-4-1.2-65表示试验温度为65 ℃下掺入4%Sasobit且粉胶比为1.2的温拌基质沥青胶浆。

2.1.1 沥青类型的影响

沥青种类对试样车辙因子的影响如图1所示，由表3、图1可知：无论其他因素如何改变，SBS改性沥青胶浆的抗车辙能力均优于基质沥青胶浆，SBS改性沥青胶浆车辙因子均值较基质沥青胶浆提高了626.4%。这主要是由于，SBS颗粒掺入后吸收沥青中的油分发生溶胀反应，SBS微粒逐渐形成相互贯穿的连续网络结构，沥青呈现出良好的弹塑性，此时沥青高温性能得到明显改善。

表3 各因素对温拌沥青胶浆车辙因子影响

注：A为基质沥青，B为SBS改性沥青；S为Sasobit温拌剂，G为3G温拌剂，N为未掺入温拌剂。

图1 沥青种类对试样车辙因子影响

2.1.2 温拌剂类型影响分析

对比表3中编号为1、3、5与6、8、10两组数据可知以下几点。

(1)掺入Sasobit温拌剂能有效提高沥青胶浆的抗车辙性能，掺入Sasobit温拌剂的试样车辙因子较未掺温拌剂的试样提高了19%，说明Sasobit温拌剂能有效改善沥青胶浆的高温性能。这是由于：当温度低于融点时，会在沥青胶结料中形成网状的晶格结构，增加沥青胶结料的稳定性，提高路面的抗车辙性能。因此Sasobit温拌剂不仅可以降低沥青混合料的施工温度，还可提高常温状态下沥青路面的抗车辙性能[11]。温拌剂种类对试样车辙因子影响如图2所示。

图2 温拌剂种类对试样车辙因子的影响

(2)掺入3G温拌剂对沥青胶浆高温性能无改善效果。图1中，掺入3G温拌剂，SBS沥青胶浆车辙因子反而有所下降，这是由于在常温状态下，3G温拌剂为液态，其含有的表面活性剂成分改变了沥青分子之间的极性，降低沥青分子与矿粉之间的表面张力，从而导致沥青胶浆黏度降低[12]。这说明3G温拌剂虽然能降低沥青混合料的施工温度，但在常温状态下同时降低了沥青路面的抗车辙性能。

2.1.3 温拌剂掺量的影响

由上文可知，温拌剂Sasobit对试样高温性能改善效果较3G显著，为进一步分析Sasobit掺量对试样高温性能的改善效果，对比表3中编号为1、11～15与6、16～20两组数据，其车辙因子变化趋势如图3所示。

图3 温拌剂掺量对试样车辙因子的影响

由图3可知：随着温拌剂Sasobit掺量增大，温拌沥青胶浆试样的车辙因子整体呈上升趋势，且SBS改性沥青胶浆试样的上升幅度较基质沥青明显，基质沥青胶浆在温拌剂掺量小于3%时，车辙因子增长幅度较大，当掺量大于3%时，车辙因子趋于稳定；SBS改性沥青胶浆在温拌剂掺量为0～3%时，车辙因子增长幅度较大，当掺量大于3%时，车辙因子出现波动，但波动幅度不大。这表明Sasobit掺量对沥青胶浆的高温性能有显著影响，随着温拌剂掺量的增大沥青高温性能逐步提高。

这是由于：Sasobit在高温下吸附沥青中与它结构相近似的饱和组分，形成稳定的溶液；当温度降低后，Sasobit与部分被它吸附的饱和组分一起逐渐结晶析出，进而锁定了这些饱和的油类、蜡类组分，降低了沥青胶浆的流变性能；当温拌剂过量时，由于其锁定的饱和组分有限，高温性能趋于稳定。这说明在一定范围内提高Sasobit温拌剂的掺量可以提升沥青路面的抗车辙能力，但掺量继续增大不能进一步提高沥青路面的抗车辙性能。

2.1.4 粉胶比的影响

为研究粉胶比对温拌沥青胶浆高温性能的影响，节选表3中编号为21～50的数据，各试样车辙因子变化趋势如图4所示。

图4 胶粉比对试样车辙因子的影响

由图4可知：随着粉胶比增大，各试样车辙因子均呈逐渐增大的趋势，且对SBS改性沥青胶浆提升较明显。这是因为，随着粉胶比的增大，矿粉需要更多沥青去裹覆，结构性沥青增多，自由性沥青减少，形成的温拌沥青胶浆的流动性能降低。这说明提高粉胶比可以有效地改善温拌沥青路面的抗车辙性能。

2.1.5 试验温度的影响

由图4可知：各沥青胶浆试样随着温度升高，车辙因子呈逐渐降低趋势，对于基质沥青胶浆试样，试验温度从65 ℃升高到75 ℃，再从75 ℃升高到85 ℃，其车辙因子值分别降低76%、54%；对于SBS改性沥青胶浆试样，试验温度从65 ℃升高75 ℃，再从75 ℃升高到85 ℃，其车辙因子值分别降低59%、53%。这表明改变试验温度对温拌沥青胶浆试样车辙因子有显著影响，且SBS改性沥青胶浆温度敏感性较基质沥青胶浆差。

2.2 显著性分析

为研究温拌沥青胶浆高温性能影响因素的显著程度，采用SPSS对表3中数据进行方差分析，假设显著性水平α=0.05，其结果如表4所示。

由表4可知，对温拌沥青胶浆高温性能影响的显著性大小排序为：沥青种类、试验温度、温拌剂掺量、粉胶比，并且仅沥青种类与试验温度对其影响显著。因此，建议在高温地区使用温拌沥青混合料施工时采用一定抗车辙措施。

表4 各因素对温拌沥青胶浆高温性能显著性分析

注：由于温拌剂种类试验设计对比组过少，故不考虑其对温拌沥青胶浆高温性能的影响。

3 温拌沥青胶浆高温性能预测分析

已知沥青、矿粉和温拌剂的特性，对温拌沥青胶浆的高温性能进行预测，基于Buttlar公式对不同温拌沥青胶浆车辙因子进行预测，并与实测值对比后评价其相关性，Buttlar公式如下

(1)

其中A、B可按下式求得。

式中：Gm为沥青胶浆的模量；Ga为沥青的模量；φf为矿粉体积占沥青胶浆体积的比例；A、B为相关系数。

为简化矿粉与沥青之间物化关系对沥青胶浆性能的影响，基于矿粉体积增强作用考虑沥青与矿粉间的吸附关系，通过假定不同b/a值(a为矿粉的有效半径，b为矿粉裹覆沥青后的有效半径)以预估沥青胶浆性能，原理如图5所示。

图5 沥青与矿粉等效体积增强原理

将不同粉胶比对应的体积分数φf扩大(b/a)3倍作为其等效体积分数，基于Buttlar公式计算预估值，以线性回归相关性系数评价预估值与实测值的拟合性，具体结果如表5所示。

表5 等效体积增强作用下的预估值与实测值

注：R2范围为0.1～0.3系弱相关，0.3～0.5系中等相关，0.5～1.0系强相关。

由表5可知：Buttlar公式预测温拌沥青胶浆高温性能相关性较好，不同试样预估值和实测值的相关系数最低为0.87，属强相关。分析不同沥青种类、温拌剂与试验温度对预测拟合程度的影响，结果如图6所示，得出结论如下。

图6 不同因素对Buttlar公式拟合程度影响

(1)提高试验温度将降低Buttlar公式拟合效果，试验温度为65 ℃、77 ℃时，其相关性系数均值分别为0.943、0.938，标准偏差分别为0.039、0.047，说明Buttlar公式对65 ℃下温拌沥青胶浆车辙因子拟合程度较高。

(2)掺入温拌剂将降低Buttlar公式的拟合效果，未掺温拌剂与掺入温拌剂试样相关性系数均值分别为0.955、0.925，其标准偏差分别为0.03、0.048，说明Buttlar公式对未掺入温拌剂的沥青胶浆的预测拟合性高于温拌沥青胶浆。

(3)Buttlar公式对SBS改性沥青胶浆的拟合效果更好，SBS改性沥青与基质沥青的相关性系数均值分别为0.9、0.973，其标准偏差分别为0.03、0.01。

综上可见，各因素的不同水平下Buttlar公式的拟合性存在差异，这可能是Buttlar公式中仅考虑了原沥青复数模量Ga、矿粉φf两因素对沥青胶浆的影响，而未考虑试验温度、原沥青相位角等因素对沥青胶浆高温性能的影响。

4 结 语

(1)各因素对温拌沥青胶浆高温性能的影响由大到小排序为：沥青种类、试验温度、温拌剂掺量、粉胶比。沥青种类与试验温度的影响显著。

(2)温拌剂Sasobit对沥青胶浆高温性能的提升效果明显，而温拌剂3G无明显提升效果。

(3)增大温拌剂Sasobit剂量对2种沥青胶浆高温性能均有改善，其对基质沥青胶浆高温性能改善趋势为先迅速后缓慢，对SBS改性沥青胶浆高温性能改善效果趋势为，掺量增至3%时出现峰值，但继续增大掺量后改善效果无规律。

(4)增大粉胶比对各沥青胶浆高温性能提升效果明显，且对SBS改性沥青胶浆车辙因子的提升较基质沥青胶浆更为明显。

(5)各沥青胶浆随着温度升高车辙因子呈逐渐降低趋势，但对比可知SBS改性沥青胶浆温度敏感性较基质沥青差，因此建议在高温地区选用SBS改性沥青以提高温拌沥青路面的抗车辙能力。

(6)改变试样性能影响因素对Buttlar公式拟合效果影响较大，这可能是由于Buttlar公式中涉及因素变量较少的缘故，但总体来说预估值与实测值为强相关。