温拌LDPE改性沥青混合料性能研究

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.山东省公路建设（集团）有限公司，济南 250000）

LDPE 作为改性剂可改善沥青及沥青混合料高温性能。但是，LDPE 的加入会提高沥青的黏度，为了保证施工要求，需要提高沥青混合料的施工温度，这一方面会增加能耗，另一方面也会增加有害气体的产生。为了使沥青混合料路用性能得到提升的同时降低施工温度，有必要对温拌LDPE 改性沥青混合料技术进行深入研究。

温拌技术基本上可分为三种主要技术类型：降黏型温拌技术、发泡型温拌技术、表面活性温拌技术[1]。其中降黏型温拌技术和表面活性温拌技术在我国应用较为成熟，针对这两种技术，本试验选择Sasobit 和Evotherm 3G 两种温拌剂进行研究。

1 材料

1.1 LDPE

LDPE 选用茂名石化LDPE 868-000 颗粒，其性质见表1。

1.2 温拌剂

1.2.1 Sasobit

Sasobit 是一种高分子蜡，其外观呈片状或粉状，也有颗粒状。Sasobit 的熔点可达到100 ℃左右，因此，在路用使用温度范围内（60 ～90 ℃），Sasobit 在沥青中形成网状的晶格结构，增加沥青的稳定性，提高沥青混合料的高温性能。沥青混合料拌和温度时，Sasobit 黏度很低，从而可降低沥青的黏度，达到温拌的目的。

表1 LDPE 868-000 颗粒性质

1.2.2 Evotherm 3G

Evotherm 3G 温拌剂是一种无需用水稀释的Evotherm 温拌浓缩液，可直接添加至沥青中，也可与沥青共同加入拌和锅中与集料共混。其温拌机理是提高沥青与集料之间的润滑作用，减小沥青与集料之间的作用力，从而促进沥青混合料的拌和及压实。

1.3 沥青

在前期研究[2]的基础上，本试验所用沥青为埃索70#基质沥青、LDPE 改性沥青（L6）、Sasobit-LDPE 改性沥青（S3L6）和3G-LDPE 改性沥青（3GL6），4 种沥青的制备工艺见表2，性能参数见表3。

表2 沥青制备工艺

表3 沥青性能指标

2 温拌LDPE 改性沥青混合料制备工艺研究

2.1 拌和温度及成型温度确定方法

温拌沥青混合料和热拌沥青混合料拌和及成型温度不同，应确定合适的拌和及成型温度保证温拌沥青混合料路用性能接近或优于热拌沥青混合料。依据温拌机理的不同，目前确定温拌沥青混合料拌和及成型温度的方法主要有三种：（1）等黏温度法；（2）变温等体积法（3）沥青混合料和易性法。本试验主要对等黏温度法和变温等体积法进行研究。

2.1.1 等黏温度法

沥青在流动的情况下，其内部分子之间存在相互作用的摩阻力，这种性质称为沥青的黏性，通常用黏度表征此性质。制备沥青混合料时对沥青进行加热使沥青保持适当的黏度，可使沥青更易于裹覆集料。因此，只要保证温拌温度条件下，沥青的黏度与热拌时黏度相当，即可达到同样的目的。降黏型温拌剂的工作原理便基于此。

因此，对于降黏型温拌沥青混合料来说，绘制温拌沥青的黏温曲线，找出热拌沥青混合料所用沥青对应的等黏温度，即可确定温拌沥青混合料的拌和及压实温度[4]。对于其他类型的温拌技术，该方法并不适用。

2.1.2 变温等体积法

当前沥青混合料设计方法一般分为两种，基于体积参数的设计方法和基于性能的设计方法。其中，体积设计法应用最为广泛，大多数国家均以此作为规范设计方法。体积参数评价指标主要包括空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）及沥青饱和度（VFA），进行沥青混合料配合比设计时主要对以上指标进行控制。其中，空隙率对混合料性能影响最大，因此是最核心的体积参数[5]。

同一种成型方式条件下，沥青混合料拌和及成型的温度不同会导致其体积参数不同，一般来说，温度越高，空隙率越小。而温拌剂的加入可以使沥青混合料在较低温度条件下也可获得所需的体积指标。变温等体积法通过测量不同拌和及成型温度条件下温拌沥青混合料的空隙率变化，绘制空隙率变化曲线。之后，在曲线上找到目标空隙率所对应的温度，即可确定拌和及成型温度。这种方法对于各类温拌技术均适用。

2.2 热拌LDPE 沥青混合料配合比设计

2.2.1 试验条件

沥青采用L6，沥青混合料配合比设计采用马歇尔设计方法，试件成型方式采用马歇尔击实法。级配采用表4所列级配。参照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，热拌LDPE 沥青混合料拌和及成型温度分别为170 ℃和160 ℃。沥青加热温度为170 ℃，集料加热温度为180 ℃。

表4 沥青混合料级配

2.2.2 确定最佳油石比

按经验初取5.0%最佳沥青含量，以0.5%为间隔，取5 组沥青用量，即4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%。进行马歇尔试验，确定最佳沥青用量。分别成型马歇尔试件，测定计算试件的体积参数，并进行马歇尔试验，确定稳定度和流值。最终确定最佳沥青用量为5.0%。该沥青用量下空隙率为4.0%。

2.3 变温等体积法确定温拌LDPE 沥青混合料拌和及成型温度

两种温拌沥青分别为S3L6 和3GL6，级配和沥青用量均与热拌LDPE 沥青混合料一致。以20 ℃为间隔，按表5所列制备温度成型马歇尔试件，测定体积参数。L6 沥青混合料、S3L6 沥青混合料、3GL6 沥青混合料的各项体积参数及JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求值分别见表6、表7和表8。对比不同出料温度情况下沥青混合料空隙率，见图1。

表5 沥青混合料制备温度 ℃

表6 L6 沥青混合料体积参数

表7 S3L6 沥青混合料体积参数

表8 3GL6 沥青混合料体积参数

图13 种沥青混合料空隙率变化

从图1可以看出，三种沥青混合料空隙率随温度的变化趋势保持一致，两种温拌沥青混合料的降温效果也基本是一样的。同等温度条件下，温拌沥青混合料空隙率相对热拌沥青混合料可以下降0.5%左右。当空隙率均取4.0%时，L6、S3L6 和3GL6 三种沥青混合料对应的拌和温度分别为170 ℃、147 ℃和157 ℃。这说明Sasobit 温拌剂可使LDPE 沥青混合料施工温度降低20 ℃左右，3G 温拌剂可使其降低15 ℃左右。并且通过表7和表8可以看出，两种温拌沥青混合料拌和及成型温度不宜过高，过高会导致VMA较小而不符合规范要求。因此，两种温拌沥青混合料施工温度见表9。

表9 温拌沥青混合料制备温度 ℃

2.4 等黏温度法确定温拌LDPE 沥青混合料拌和及成型温度

对于Sasobit 温拌技术，采用等黏温度法确定温拌LDPE 沥青混合料的拌和温度及成型温度。不同温度条件下L6 和S3L6 两种沥青的布氏旋转黏度见表10。两种沥青的温度-黏度重对数曲线见图2。

从图2可以看到，L6 沥青170 ℃对应的黏度与S3L6 沥青161 ℃所对应的黏度是一致的；160 ℃对应的黏度与151 ℃对应的黏度是一致的。说明依据等黏温度方法，Sasobit 温拌技术可以降低混合料拌和及成型温度10 ℃左右。

表10 L6 和S3L6 不同温度下的布氏黏度

图2 温度-黏度重对数曲线

从图1可以看出，当拌和温度为160 ℃时，S3L6 沥青混合料马歇尔试件的空隙率是低于4.0%的。说明等黏温度法确定的温度偏高。并且，当拌和温度为160 ℃时，VMA会不满足规范要求。因此采用等黏温度法时不合适的。

3 温拌LDPE 改性沥青混合料路用性能

3.1 评价方法

3.1.1 高温性能

采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》沥青混合料车辙试验对沥青混合料高温性能进行评价。评价指标为动稳定度和车辙深度。

3.1.2 低温性能

低温弯曲试验方法参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。试验过程中设备可以采集荷载-挠度曲线，对数据进行处理得到应力-应变曲线，如图3。

当前我国采用的评价指标为极限弯拉应变εB，但是研究认为该指标较难准确的反应混合料的低温抗裂性能。因此提出基于能量的指标弯曲应变能密度临界值（图3所示曲线下方阴影部分的面积，其值越大，混合料抗裂性能越好）。本研究采用抗弯拉强度RB、极限弯拉应变εB和弯曲应变能密度临界值作为低温弯曲试验的评价指标。

图3 应力-应变曲线

3.1.3 疲劳性能

评价疲劳性能采用中点加载弯曲试验。试验方案如下：

试件成型：采用轮碾成型车辙板，切割成小梁；

试件尺寸：300 mm×50 mm×50 mm，跨径为200 mm；

试验荷载：应力控制模式，荷载水平采用0.2、0.3、0.4 三个应力比；

加载频率：10 Hz 连续式正弦波形；

试验温度：15 ℃；

试验设备：MTS810 材料试验系统。

试验首先测定不同沥青混合料的破坏荷载，在此基础上，分别进行0.2、0.3、0.4 三个应力比条件下的疲劳试验。试验将记录沥青混合料不同应力水平下的疲劳寿命。对应力对数值和疲劳寿命对数值两组数据进行回归分析，求出疲劳方程和回归系数。

3.1.4 水稳定性

采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》沥青混合料冻融劈裂试验进行评价。采用冻融劈裂抗拉强度（TSR）作为评价指标。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 高温性能

70#、L6、S3L6、3GL6 四种沥青混合料分别成型试件进行车辙试验，试验结果见表11。

表11 车辙试验结果

从表11可以看出，无论根据动稳定度还是依据车辙深度，四种沥青混合料高温性能排序均为S3L6 ＞L6 ＞3GL6 ＞70#。四种混合料动稳定度大小顺序与表3对应沥青高温性能排序基本一致。因此，四种混合料的动稳定度、车辙深度与沥青针入度，软化点以及车辙因子具有较好的相关性。

70#基质沥青混合料动稳定度最小，车辙深度最大；其他三种混合料的动稳定度相对于70#沥青混合料大幅增加，车辙深度大幅减小。这说明LDPE 的加入可显著改善沥青混合料的高温性能。S3L6 沥青混合料的动稳定度最高，车辙深度最小，这是因为Sasobit 和LDPE 的复合改性作用导致的。3GL6 沥青混合料动稳定度、车辙深度和L6 沥青混合料相差不大，说明3G 温拌剂的加入对混合料高温性能影响较小。因此，就高温性能来说，两种温拌技术是满足使用需求的。

3.2.2 低温性能

低温弯曲试验结果见表12。

表12 低温弯曲试验结果

从表12可以看出，三种沥青混合料低温性能评价指标排序并不一致，说明三种评价指标并无较好的相关性，不能全部用来评价沥青混合料的低温性能。

低温条件下，沥青混合料是弹性体，其断裂破坏的过程可以看作一个功能转换的过程。外界对沥青混合料做的功首先转变为弹性应变能，随着混合料的断裂则转换成表面能。因此，采用能量指标弯曲应变能密度临界值来评价混合料的低温性能更合适，它综合考虑了抗弯拉强度和极限弯拉应变，也更符合混合料的断裂机理。因此，本研究选用弯曲应变能密度临界值来评价沥青混合料的低温性能。

依据表12，三种LDPE 沥青混合料低温性能均优于70#基质沥青混合料。其中L6 沥青混合料的弯曲应变能密度临界值最大，说明其低温性能最优。3GL6 沥青混合料的弯曲应变能密度临界值与L6 的相差不多，说明3G 并不会对混合料低温性能产生影响。而S3L6 沥青混合料低温性能是其中最差的，说明添加Sasobit 会有损于沥青混合料的低温性能。

将4 种沥青混合料与表3对应沥青的低温性能对比，可以发现，除了70#基质沥青，其他三种沥青的低温性能与相应沥青混合料的低温性能相关性较好。说明采用低温应变能密度临界值评价LDPE 改性沥青混合料的低温性能是合理的。

3.2.3 疲劳性能

四种沥青混合料疲劳试验结果见表13、图4，对结果进行处理并做线性拟合，可以得到四种沥青混合料的疲劳方程及回归系数，见表14。

表13 不同应力比条件下4 种沥青混合料疲劳寿命

图4 疲劳寿命曲线

表14 沥青混合料的疲劳方程和回归系数

从图4可以看出，添加LDPE 的沥青混合料疲劳性能均优于70#基质沥青混合料，说明采用LDPE 改性沥青可以改善沥青混合料的疲劳性能。采用Sasobit 温拌技术的混合料疲劳性能优于采用3G 温拌技术的沥青混合料。L6 沥青混合料与S3L6 沥青混合料疲劳性能的优劣要依据所受荷载大小决定。总的来说，S3L6 沥青混合料与L6 沥青混合料疲劳性能相差不大，3GL6 沥青混合料要次于上述两种混合料，70#沥青混合料最差。

3.2.4 水稳定性

冻融劈裂试验结果见表15。

表15 冻融劈裂试验结果

从表15可以看出，两种温拌沥青混合料水稳定性较热拌LDPE 沥青混合料有较小的改善。3种LDPE 改性沥青混合料水稳定性与70#基质沥青相比差别不大，说明无论是LDPE 的加入还是两种温拌技术均对沥青混合料水稳定性影响较小。

4 结论

（1）Sasobit 温拌剂可使LDPE 沥青混合料施工温度降低20 ℃，3G 温拌剂可使其降低15 ℃。

（2）与基质沥青混合料相比基质沥青混合料，热拌LDPE 改性沥青混合料的高温性能、低温性能、疲劳性能均得到改善，水稳定性略有降低。

（3）Sasobit 温拌LDPE 改性沥青混合料与热拌LDPE 改性沥青混合料相比，高温性能显著改善，低温性能略有降低，低应力水平下抗疲劳性能下降，高应力水平下抗疲劳性能更好。水稳定性相差不大。

（4）3G 温拌LDPE 改性沥青混合料与热拌LDPE 改性沥青混合料相比，高温性能，低温性能以及水稳定性相差不大。抗疲劳性能则较差，但是优于基质沥青混合料。

（5）从降低施工温度以及对路用性能的影响两个角度来看，两种温拌技术均是可行的。