双温拌沥青混合料性能研究

张慧生 吴 凡

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211100)

0 引言

沥青温拌技术在国内外已经是较为成熟的技术，可以在降低温度，减少能源消耗的同时，不影响沥青路面的各种性能。目前国内外沥青常用的温拌技术大致为表面活性剂类、有机降黏剂类以及沥青发泡技术。

表面活性剂类与有机降黏剂是在沥青中掺入各种温拌剂实现降温，不同种类的温拌剂降温机理也不同。而沥青发泡温拌技术，主要是通过发泡设备来对原样沥青进行发泡，降低原沥青的粘度，从而降低拌和与摊铺压实温度。

结合前人研究发现添加温拌剂的温拌沥青技术降温幅度较大，但成本相对较高。而发泡沥青成本较低，但降温效果比不上添加温拌剂技术的温拌沥青。本文研究的双温拌技术就是先将少量的温拌剂添加到沥青中充分搅拌后，制得温拌剂沥青，再经过发泡设备发泡，得到温拌剂发泡沥青，也可称为双温拌沥青。利用水发泡温拌沥青的低成本和温拌剂技术的低拌和温度，将两者的优势有机地结合在一起。

1 原材料性质

1.1 温拌剂性能

本文选用三种温拌剂Sasobit，M1，1102C，基本性能指标见表1，表2。

表1 温拌剂Sasobit

表2 温拌剂M1，1102C

1.2 沥青发泡机

本研究使用的是国内自主研发的沥青发泡机，该设备发泡效果主要是以膨胀率和半衰期这两个指标来评价的。结合之前的研究可以确定沥青发泡的温度为170 ℃，气压150 bar，用水量为1.5%。

2 温拌沥青性能

2.1 双温拌沥青制备

本文所选用的原始沥青为SBS改性沥青，在原始沥青中分别添加温拌剂Saso，1102C，M1，从而分别得到SBS-Saso，SBS-1102C，SBS-M1温拌沥青，再将三种温拌沥青经发泡设备发泡得到SBS-Saso-发泡、SBS-1102C-发泡、SBS-M1-发泡三种双温拌沥青。其中温拌剂Saso掺量定为沥青质量的1.5%，温拌剂1102C的掺量定为沥青质量的0.75%，温拌剂M1掺量定为沥青质量的0.5%。

2.2 温拌沥青性能研究

研究SBS改性沥青,SBS-发泡,SBS-Saso，SBS-Saso-发泡,SBS-1102C，SBS-1102C-发泡,SBS-M1，SBS-M1-发泡8种沥青的三大指标及135 ℃粘度，试验结果分别见表3，图1。

表3 各温拌沥青性能指标

将各种温拌沥青发泡前后进行对比，可以发现，除软化点变化幅度较大，其余各项指标变化较小，主要跟各实验时间有关，针入度、延度实验时间皆在3 h左右，发泡沥青中的微小气泡几乎损失殆尽，因此发泡前后的针入度与延度几乎一致。粘度实验时间在1.5 h左右，发泡沥青中的微小气泡有一定的损失，但仍然有一部分存在，所以沥青的135 ℃粘度有所下降。而软化点试验的时间约在45 min，仍有许多微小气泡存在于发泡沥青中，微小气泡使原样改性沥青粘度下降，和易性有所提升，所以发泡沥青的软化点较低，也更易于拌和。

将仅添加温拌剂的与原样沥青进行对比，仅添加温拌剂Saso，使得原SBS改性沥青针入度、延度，以及135 ℃粘度有着较大幅度的降低，软化点有着较为明显的上升。主要原因为当实验温度远低于温拌剂Saso熔点时，Saso为固态，并在沥青中形成了较为稳定的网状结构，使得沥青变硬、变脆，降低温度敏感性，因此较大幅度降低了沥青针入度、延度，提高了沥青软化点。而当沥青温度高于其熔点时，Saso能充分的分布在沥青中，因此降低了沥青粘度。而在添加了温拌剂1102C以及M1后，原SBS改性沥青各项性能都变化较小，主要原因温拌剂1102C与M1属于表面活性剂类温拌剂，在与沥青充分搅拌后内部的水溶液基本挥发，只剩下少量对沥青影响很小的活性剂成分。

3 温拌沥青混合料性能最佳压实温度

3.1 沥青混合料设计

本文采用抗车辙性能较好的SUP-20型混合料，最佳沥青用量为4.16%，其级配见表4。

表4 SUP-20型沥青混合料级配

3.2 温拌沥青混合料最佳压实温度

在最佳沥青用量下确定各类型温拌沥青混合料的最为适合的压实温度。选取四种温度，研究压实温度与空隙率之间的线性关系，实验结果如图2～图4，表5所示。

当以空隙率4.0%作为最优空隙率，SBS-Saso-发泡最佳压实温度为136 ℃，SBS-Saso最佳压实温度为146 ℃，SBS-1102C-发泡最佳压实温度为128 ℃，SBS-1102C最佳压实温度为142 ℃，SBS-M1-发泡最佳压实温度为118 ℃，SBS-M1最佳压实温度为132 ℃，SBS-发泡最佳压实温度为143 ℃。不难发现，各双温拌技术降温效果皆要优于相对应的单温拌技术，其中SBS-M1-发泡降温效果最优，降温幅度为42 ℃。

表5 温拌剂沥青混合料的空隙率与压实温度的关系

4 沥青混合料路用性能研究及分析

4.1 沥青混合料性能研究

在最佳压实温度的条件下，采用60 ℃车辙实验、浸水马歇尔实验、冻融劈裂实验、低温小梁实验、带裂缝半圆弯曲强度实验、带裂缝半圆弯曲疲劳实验分别研究不同温拌沥青混合料的高温性能、抗水毁能力、低温性能、抗疲劳断裂性能，其中为疲劳数据更加直观，采用抗疲劳系数lnk/n表示沥青混合料的抗疲劳性能，当lnk/n越大表示抗疲劳性能越好。各项性能指标如表6所示。

表6 各温拌沥青混合料路用性能

通过表6可见，影响混合料性能的主要因素为温拌剂种类，而发泡对混合料性能影响较小，主要是因为发泡沥青喷入的用水量仅为沥青含量的1.5%，在拌和及成件的过程中水分几乎全部耗尽，所以基本不影响沥青混合料性能。温拌剂Saso较大程度地提高了沥青混合料高温性能、抗断裂能力、抗疲劳能力；对水稳定性能影响较小；对低温性能产生了负面影响，但仍满足规范要求。而温拌剂M1，1102C较大程度地提高了沥青混合料的水稳定性能与抗疲劳性能，对高温性能、抗断裂能力、低温性能影响较小。

4.2 灰色关联分析

通过研究各温拌沥青混合料的降温效果以及路用性能，能够发现各温拌技术对混合料性能有着不同的影响，没有一种温拌技术能在混合料的各个性能上都表现得最好，因此针对这一状况，本研究基于灰色关联理论选出最佳的的温拌技术。

4.2.1 灰色关联理论原理

灰色关联理论先确定比较序列与参考序列，对比比较序列与参考序列之间的发展趋势和相似程度，然后基于灰色关联系数评价各影响因素对目标值的影响程度，最后找到最重要的影响因素。参考序列一般由理想数据组成，可以为各指标的最优值组成，对比序列由不同评价指标的实测值组成。灰色关联理论一般分为以下几个步骤：

首先确定n个实验方案以及相对应的m个评价指标，然后确定参考数列与比较数列。参考数列为X0={X0(j)|j=1,2,3,…,m},比较数列为Xi={Xi(j)|j=1,2,3,…,m},i=1,2,3,…,n。

接着将上述序列按照下述公式进行均值化处理：

(1)

(2)

然后计算参考数列与比较数列的关联度系数：

(3)

最后计算关联度，关联度为各评价指标与参考序列对应元素的关联度系数的均值，具体公式如下：

(4)

通过比较关联度的大小确定最佳温拌技术，关联度越大，则表示Xi向X0的发展趋势越接近。

4.2.2 灰色关联理论分析结果

选择各种温拌类型沥青混合料的降温幅度(X1)、动稳定度(X2)、残留稳定度(X3)、冻融劈裂强度比(X4)、极限弯拉应变(X5)、半圆弯曲强度(X6)、lnk/n(X7)作为评价指标，选择各实验方案所对应的评价指标的结果作为比较序列(A1～A2)(见表7)，选择各评价指标结果的最佳值作为参考序列A0，具体见表8。依次根据式(1)～式(4)，先进行均值标准化处理，再计算关联度系数，最后计算关联度，结果分别见表9～表11。

表7 比较序列

表8 参考数列与比较数列

表9 数据无量纲化处理结果

表10 关联度系数

表11 各种温拌类型沥青混合料的关联度

通过表11结果可知，A7关联度最高，即SBS-M1-发泡为最佳温拌技术。

5 结论

1)仅掺温拌剂Saso后，沥青的软化点上升，同时沥青的25 ℃针入度、5 ℃延度以及135 ℃粘度降低，可以表明在掺入温拌剂Saso后，沥青的高温性能得到提升而低温性能下降明显，并且可以明显的降低沥青粘度，而掺入温拌剂1102C，M1后沥青的软化点、25 ℃针入度、5 ℃延度和135 ℃粘度变化不大，可以表明温拌剂1102C，M1对沥青的高、低温性能、粘度影响较小。

2)原SBS改性沥青以及三种添加单温拌剂的沥青，分别经过沥青发泡机发泡后的各项指标与发泡前相对比，软化点、135 ℃粘度下降明显，25 ℃针入度、5 ℃延度变化不大。

3)每种双温拌技术的降温效果都比其对应的单温拌剂技术好，再者降低一半温拌剂掺量的双温拌技术的降温效果也与推荐掺量的单温拌剂技术相差无几，达到了更环保更经济的目的。

4)双温拌技术在大幅度降低压实温度同时，其混合料性能并没有因温度降低而降低。影响混合料路用性能主要因素是温拌剂种类的不同，且综合来看，SBS-M1-发泡为最佳温拌技术。