沥青混合料温拌技术的研究进展

唐 宁，王弘晔，符 聃，吴丽梅，王 晴

(1. 沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168)(2. 沈阳建筑大学外国语学院，辽宁 沈阳 110168)

1 前 言

在道路工程中，沥青路面的铺设通常使用热拌沥青混合料(hot mix asphalt，HMA)。但是，HMA需要在170 ℃左右拌合，如此高的拌合温度会带来较高的能源消耗和二氧化碳排放，从而造成严重的环境负荷[1]。因此，温拌沥青混合料(warm mix asphalt，WMA)引起了科学界和工程界的广泛关注。WMA是指在基本不改变沥青混合料配合比和施工工艺的前提下，通过技术手段使其拌合温度降低30～40 ℃以上同时性能达到与HMA相同水平的新型沥青混合料。沥青混合料拌合温度的降低会减少干燥和加热集料时燃料的消耗、降低温室气体和有毒气体的排放、极大地保护施工人员的身体健康、延长沥青路面的施工周期[2]。

为了节能减排，WMA已经在世界各国得到了越来越广泛的应用。目前，国内外学者对WMA已经开展了多方面的研究，开发出了多种类型的温拌技术。与此同时，随着温拌技术的飞速发展，新型WMA的研发也有了许多报道。因此，本文旨在通过系统地文献综述，对各种温拌技术进行归纳和总结，具体内容包括：WMA的发展简史、优缺点、温拌技术、路用性能以及其最新进展。

2 温拌沥青混合料

WMA的历史最早可以追溯到1928年德国人August申请的发明专利“泡沫沥青”[3]。1956年，爱荷华州立大学的Ladis教授将水蒸气通入到热沥青中形成了泡沫沥青[4]；1968年，美国美孚公司(Mobil Inc.)获得了用冷水代替水蒸气的沥青发泡技术发明专利[4]；1970年，美国康菲石油公司(Conoco Inc.)获得了WMA的市场准入许可，进一步开展了WMA的实验室与现场研究[5]；1977年，随着冷水发泡技术的成熟，乳化沥青逐步被应用于制备WMA[6]；1980～2000年间，以英国壳牌公司(Shell Inc.)为代表的欧美研发机构陆续开展了泡沫沥青混合料温拌技术现场应用，并开发了多种泡沫-沥青设备，极大地促进了泡沫沥青混合料温拌技术的推广与应用[7]。

进入21世纪以来，降低沥青拌合温度、减小沥青拌合粘度的方式不再单一，可以通过添加温拌助剂实现，因此，国内外学者研发了多种温拌助剂。2004年，含水类温拌助剂出现，如Aspha-min®[8]。此后，国内外学者研发出了表面活性类、有机降粘类温拌助剂，如Evotherm®，Sasobit®等[9, 10]。2006年以后，美国国家沥青中心(NCAT)和美国公路合作研究组织(NCHRP)连续发表了多份关于Aspha-min®、Evotherm®、Sasobit®的WMA技术研究报告[11-15]。综上所述，沥青混合料温拌技术的发展简史如表1所示[3-10]。

表1 沥青混合料温拌技术的发展简史[3-10]

随着沥青混合料温拌技术的发展，与HMA相比，WMA的优势越来越突出。从环境保护角度来看，WMA的拌合与压实温度更低，可以使能耗降低18%～30%[16]；而且，生产WMA时有害气体、温室气体、沥青烟等气体的排放量也有所减少。Vidal等通过对WMA开展生命周期评价发现，温拌技术可以减少24%的空气污染[17]。拌合温度的降低促使能耗与污染排放减少，这为沥青混凝土路面施工带来了新契机；此外，沥青混合料的生产季节、运输时间和距离均得到了延长，摊铺压实工艺得到了简化。从经济效益角度来看，温拌技术减少了20%～25%的燃料用量[18, 19]，可使WMA的生产成本降低10%～30%[20, 21]。

瑕瑜互见，沥青混合料温拌技术在经济和技术上也存在缺点。首先，在沥青混合料拌合时，需要添置或改造一些设备。例如，生产WMA-Foam®泡沫沥青时需要增加水罐、水进给装置、空气进给装置等；而且，一些温拌助剂需要增加喷淋装置或者投掷窗口[22]。其次，温拌助剂的使用增加了额外的生产成本[23]。目前，工程实际中常用的Aspha-min®、Sasobit®、Evotherm®等温拌助剂的价格偏高，一定程度上增加了沥青混合料的生产成本，而减少的能耗只能补偿部分生产成本[23]。此外，沸石类温拌助剂在拌合时产生的水蒸气会引起生产设备的锈蚀[24]。

3 沥青混合料温拌技术

目前，沥青混合料温拌技术主要可分为3大类：发泡降粘类、表面活性类和有机降粘类[25, 26]。这些技术的核心是通过减小沥青在拌合和压实时的粘度，实现沥青混合料拌合与压实温度的降低。

3.1 发泡降粘类温拌技术

发泡降粘类温拌技术可分为两类，一类是基于含水助剂，如沸石、潮湿的集料等，该类技术利用含水助剂在较高的拌合温度下，可以使一定量的水在标准大气压下变成水蒸气，此时水的体积可膨胀约1.67倍，当水蒸气与热沥青接触时，沥青的体积迅速膨胀，从而降低其粘度和拌合温度[27]；另一类是水基技术，通过将冷水加入到热沥青中实现其粘度和拌合温度的降低。当冷水被通入到热沥青后，随着水温逐渐升高，形成的水蒸气被封装在热沥青中，可使热沥青体积膨胀5～10倍。但是，气泡膨胀随时间的推移会产生衰减，泡沫沥青的体积会有一定程度的减小[28]。此外，冷水也可以用乙醇或其他液体替代，但这会增加WMA的生产成本[29]。发泡降粘类温拌技术的核心是将水分变为水蒸气，利用水蒸气改变沥青的表面张力实现沥青粘度与混合料拌合温度的降低，其降温机理如图1所示[18]。

图1 发泡降粘类温拌技术的原理图[18]Fig.1 Mechanism illustration of foam-based warm mixing technology[18]

常见的发泡降粘类温拌助剂如表2所示[11, 30-36]。Aspha-min®是德国Eurovia和MHI公司研发的产品，是一种人工合成的非常细的白色粉末状沸石型铝硅酸盐。通常Aspha-min®的掺量为沥青混合料的0.30%(质量分数，下同)时，混合料的拌合温度可降低40 ℃以上，可节省约30%的能耗[11]。ADVERA®是美国PQ公司生产的一种合成沸石类产品，与Aspha-min®的功能相似，区别在于ADVERA®WMA的粒径更细(小于75 μm)，比表面积更大，其掺量可以降低到0.25%。然而，沸石类含水助剂由于需要水热合成导致其成本较高，增加了沥青混合料的生产成本[30]。

WMA-Foam®是壳牌公司和挪威克洛公司(Kolo-Veidekke)联合开发的沥青混合料温拌技术。该技术的核心是采用两种不同的沥青，首先将软质沥青与集料在110 ℃左右拌合，使软质沥青与集料有一定的裹覆；然后将硬质沥青以泡沫的形式喷入到上述混合料中，硬质沥青在110 ℃左右会持续发泡、体积增加，从而降低沥青的粘度和混合料的拌合温度[31]。

LEA®(低能量沥青)技术是法国LEA公司开发的一种温拌技术。与WMA-Foam®采用两种沥青不同，该技术使用了两种不同状态的集料。首先将粗集料与沥青加热到150 ℃拌合，再加入湿冷的细集料，利用其中的水分在沥青混合料中产生泡沫，其出场温度可降低到90 ℃，且降温速率较慢，可满足长运距的施工[32]。

此外，荷兰BAM公司的LEAB®、LEAC®技术[33]，瑞典Nynas公司的LT Asphalt技术[34]，美国Astec公司的Barrel Green技术等[35]，也都是将发泡沥青喷入到混合料中进行拌合的温拌技术。与此同时，随着这些温拌技术在国内的工程实践，我国也研发出了许多沸石类温拌助剂，其掺量和性能表现与进口产品相当。例如，深圳海川工程科技有限公司(Haichuan)开发的含水类温拌助剂LCAP，可使沥青混合料的拌合和压实温度下降30 ℃左右，从而节约30%的能耗，并减少一定量的污染物排放[36]。

表2 发泡降粘类温拌助剂[11, 30-36]

3.2 表面活性类温拌技术

表面活性类温拌技术，主要指的是以乳化剂或表面活性剂为基础的温拌技术。这类温拌技术不仅可以通过改变沥青粘度来降低混合料的拌合温度，而且还能在不影响沥青性能的前提下，实现较低拌合温度下沥青与集料之间粘附力的提升。乳化剂类温拌技术是采用乳化沥青替代普通热沥青与集料进行拌合，乳化沥青中的乳化剂可以提升沥青与集料间的粘附力；而且，乳化沥青中含有大量水分，遇到加热过的集料会迅速破乳形成水蒸气，从而进一步改善沥青混合料的和易性[37]。表面活性剂类温拌技术是将表面活性剂的浓缩液直接加入到沥青混合料中进行拌合，表面活性剂可在混合料内部形成结构性水膜，该水膜在沥青混合料温度降低时，可以有效抵抗其粘度的降低，从而达到温拌效果[38]，技术原理如图2所示。

图2 表面活性类温拌技术的原理图Fig.2 Mechanism illustration of surfactant-based warm mixing technology

表3为常见的表面活性类温拌助剂[13, 39-44]，其中美国Meadwestvaco公司开发的Evotherm®最具代表性。2005年，Evotherm®温拌助剂进入我国并得到大力推广，在我国多个省份的温拌沥青道路工程中被广泛应用。其技术核心是采用物理-化学联合作用使沥青在拌合过程中内部产生水膜润滑结构，从而得到充分分散，实现沥青混合料在较低温度下的拌合及压实，且不会对其路用性能产生负面影响。Evotherm®温拌助剂的主要成分是一种表面活性剂，其分子链一端是亲油的长碳链基团，另一端是亲水的极性基团，这样的分子结构决定了其在沥青混合料拌合时具有一定的富集特性与溶解特性[13]。

目前，Evotherm®温拌助剂已经发展了多种同类型的产品，包括Evotherm-DAT(含水型)与Evotherm-3G(无水型)。Evotherm-DAT是一种表面活性剂的水溶液，其亲水的极性基团向水和空气聚集，达到临界状态后，另一端的亲油基团发生富集，最终形成球状分子胶团。在沥青混合料拌合时，胶团的亲油基团与沥青融合，而亲水基团形成润滑膜，从而在降低混合料拌合温度的同时提升沥青与集料的粘附力[39]。Evotherm-3G是一种深黄褐色的粘稠状表面活性剂(不含水分)，是通过改变沥青分子间的极性、沥青和集料间的表面张力以达到温拌的目的[40]。

Ceca-base RT®是法国Arkema公司生产的一种以表面活性剂为主且不含水分的液态助剂，其掺量通常是沥青的0.20%～0.30%，可在100 ℃左右实现沥青混合料的拌合[41]。此外，加拿大COCO集团开发的Hypertherm/Qualitherm[42]和荷兰Akzo Nobel公司研发的Rediset WMX®[43]也都是以表面活性剂为基础的温拌助剂。

随着Evotherm®温拌助剂在国内大力推广，以其生产的WMA具有优异的温拌效果与路用性能，引起了国内许多高校、企业研发机构的关注，他们也进行了相关研究与开发。内蒙古工业大学(IMUT)自主研发的表面活性类温拌助剂SYDK，其掺量为沥青的0.60%时，可获得具有较优路用性能的WMA[44]。

表3 表面活性类温拌助剂[13, 39-44]

3.3 有机降粘类温拌技术

沥青的组成十分复杂，通常采用以下四组分定义其组成，包括饱和分、芳香分、胶质和沥青质。基于胶体理论，沥青的胶体结构是以沥青质为胶核，胶质被吸附在沥青质表面，逐渐向外扩散形成胶团，胶团分散于芳香分和饱和分中[45]。有机降粘类温拌技术主要是使用有机材料作为温拌助剂，将其加入到沥青或沥青混合料中，在高温条件下温拌助剂溶解入沥青中，通过调整沥青组成，降低沥青的粘度和混合料的拌合温度[33]，其技术原理如图3所示。

图3 有机降粘类温拌技术的原理图Fig.3 Mechanism illustration of organic-based warm mixing technology

有机降粘类温拌助剂通常以蜡基有机材料为主，常见的类型如表4所示[12, 45-48]。Sasobit®是南非Sasol公司的有机降粘类温拌助剂，它是利用费托合成技术制备的一种长链脂肪族烃细结晶体，外观呈白色粉末状。其熔化温度介于100～115 ℃之间，融化后可以全部溶解于沥青中充当饱和分，从而改变沥青组分中软组分的含量，使沥青的含蜡量增加、温度敏感性增强、粘度降低。当Sasobit®的掺量为沥青的0.80%～3.00%时，沥青混合料的拌合温度最低可降至130 ℃。Sasobit®是目前应用较多的有机降粘类温拌助剂，但其成本较高[12]。

德国Romonta公司的Asphaltan-B®温拌助剂，是一种褐煤蜡与高分子烃的混合物，熔点约为99 ℃，其在沥青中的掺量及以其制备的沥青混合料的物理化学性能、路用性能均与Sasobit®的相似[18]。德国Clariant公司生产的Licomont BS®温拌助剂，是一种脂肪酸氨基化合物，掺量可达沥青的3.00%，但其熔点较高(约为140 ℃)，降低沥青混合料拌合温度的效果有限[46]。韩国建筑技术研究院(KICT)的Leadcap®温拌助剂，是一种颗粒状的低分子量石蜡，其熔点为100～115 ℃，添加后可实现沥青混合料在100～110 ℃下拌合。

此外，我国也研发了多种有机降粘类温拌助剂。Haichuan公司在含水类温拌助剂的基础上，进一步开发了EC-120有机降粘类温拌助剂。它是一种颗粒状的长链脂肪族化合物，熔点在94～114 ℃之间，掺量为沥青的3.50%～5.00%，可以使沥青混合料的拌合温度降低约30 ℃[47]。交通运输部公路科学研究院(RIOH of China)研发的RH-WMA，是一种聚烯烃类温拌助剂，其掺量约为沥青的4.00%，在130 ℃下以其拌合的沥青混合料的路用性能与普通HMA的相当[48]。

表4 有机降粘类温拌助剂[12, 45-48]

综上所述，道路工程市场上的温拌技术或产品高达20多种。我国的温拌技术走的是“引进-消化-自研”模式，与国际主流技术几乎相同，性能也相似，目前已经形成了“百花齐放、百家争鸣”的竞争格局。

4 温拌沥青混合料的路用性能

沥青混合料的路用性能包括：体积特性、温度敏感性(高温稳定性和抗低温开裂性)、水稳定性。表5为WMA与HMA的路用性能对比结果[11-15, 27-48]。

体积特性是指沥青混合料的空隙率、矿料间隙率(VMA)、沥青饱和度(VFA)等体积相关指标。温拌助剂的加入可以降低VMA和VFA，从而提高沥青混合料的表观密度和压实度。但从表5中可以看出，WMA和HMA的体积特性之间没有显著差异。

表5 温拌沥青混合料与热拌沥青混合料的路用性能对比结果[11-15, 27-48]

温度敏感性中，高温稳定性是指沥青混合料在高温下抵抗荷载变形的能力，主要通过动稳定度试验或汉堡车辙试验来表征；抗疲劳开裂性是指沥青混合料在低温下的抗疲劳开裂能力，主要通过基于弹性模量的疲劳弯曲试验等来表征。由表5可以看出，相较于HMA，WMA的温度敏感性整体上略有下降。例如，含水发泡降粘类的Aspha-min®、ADVERA®和表面活性类的Evotherm®、Rediset®都使WMA的高温稳定性小幅下降；而利用水基技术的WMA-Foam®则显著降低了沥青混合料的高温稳定性。此外，有机降粘类的Sasobit®提高了沥青混合料的高温稳定性，而WMA的低温抗开裂性均有不同程度的下降。

水稳定性是指沥青混合料在受水作用时抵抗破坏的能力，主要通过浸水试验、冻融循环试验来表征。不同类型的温拌助剂对沥青混合料水稳定性的影响各不相同。含水发泡降粘类的Aspha-min®和ADVERA®、有机降粘类的Asphaltan-B®和Sasobit®会使沥青混合料的水稳定性下降。但是，表面活性类的Ceca-base RT®和Rediset®会小幅提升WMA的水稳定性，Evotherm®的影响并不显著。

综上所述，不同的温拌助剂由于降温机理不同，导致WMA的路用性能不同。与HMA相比，WMA的体积特性无显著变化；高、低温稳定性略微提升或下降，变化并不明显；水稳定性多呈现降低现象。但总体而言，它们的路用性能均能满足相关技术规范要求。

5 温拌沥青混合料的新进展

通过添加温拌助剂降低沥青混合料拌合温度的技术已经非常成熟。但是，现有温拌助剂的价格十分昂贵，使用其增加的费用并不一定能被通过节能减排所获得的经济效益所补偿。尽管为了环保不能完全从经济角度考虑，但是这在一定程度上限制了沥青混合料温拌技术的推广与应用。与此同时，我国工业固体废弃物的年产生量约为33亿吨，历史累计堆存量超过600亿吨，不仅造成资源浪费，而且还会带来严重的环境和安全隐患[49]。固体废弃物是放错位置的资源，因此利用其开发新型沥青混合料温拌技术，既能消纳大宗固体废弃物储量，又能降低WMA的生产成本。

地聚合物是一种以硅氧四面体和铝氧四面体为主要组成，结构上具有空间三维网状键接结构的新型无机材料，可以形成丰富的“水-孔”结构。其原材料来源广泛，是以粉煤灰、煤矸石等固体废弃物作为原料，且可在常温下制备。因此，以地聚合物作为温拌助剂可极大降低WMA的生产成本。作者团队在地聚合物材料研究的基础上，提出了以固体废弃物为原材料制备地聚合物基含水发泡降粘类温拌助剂并实现节能减排的思路，如图4所示。开发的地聚合物温拌助剂可以实现沥青混合料在140 ℃的拌合，制备的WMA的路用性能与普通HMA相当，而且有效抑制了有机挥发物等有害气体的排放[50, 51]。

图4 基于地聚合物的温拌技术Fig.4 Geopolymer-based warm mixing technology

大量积压的废弃轮胎是严重的黑色污染物，但是废弃轮胎中的橡胶具有高弹特性，可以用于提升沥青的高低温性能、改善沥青混合料的路用性能。然而，废弃轮胎粉的加入会引起沥青粘度增加，导致沥青混合料的拌合温度升高。而温拌助剂的添加虽然使WMA的路用性能满足相关技术规范要求，但仍低于普通HMA的路用性能。因此，将废弃轮胎粉与温拌助剂复合组成新型温拌助剂，可以实现优势互补。研究结果表明，将废弃轮胎粉与有机降粘类温拌助剂Sasobit®、RH-WMA等复合后(图5)，有效提升了WMA的路用性能[52-54]。

图5 橡胶粉-有机降粘类温拌技术Fig.5 Warm mixing technology based on the combination of rubber powders and organic additives

6 结 语

沥青混合料温拌技术是一种通过加入温拌助剂实现在较低温度下生产沥青混合料的新型拌合技术，可分为发泡降粘类技术、表面活性类技术、有机降粘类技术。其技术核心是降低沥青材料的粘度，改善沥青的流变性。尽管温拌助剂的加入可以降低沥青混合料生产过程中的能耗，并减少污染物的排放，但是也产生了一些负面影响，如其水稳定性的降低。因此，温拌沥青混合料性能的提升仍然是一项亟待解决的技术难题。此外，鉴于温拌助剂的高昂价格，利用废弃物制备温拌助剂，也可以使沥青混合料具有较低的拌合温度。

随着“绿水青山就是金山银山”理念的深入人心，研究开发绿色道路建筑材料已经成为建设资源节约型、环境友好型、可持续发展型新时代交通的必由之路。开发和应用新型沥青混合料温拌技术，将有力地推动我国道路工程领域的可持续发展。