温拌剂对系列SMA沥青混合料高低温性能研究

张 涛，吴金荣,2，王 峥

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

近年来随着沥青路面的发展及“节能环保绿色发展”理念的贯彻实施，道路建设者们愈发注重能源消耗、污染排放和绿色生产相关研究，为弥补热拌沥青混合料在生产和摊铺过程中施工温度高、污染大、致癌及沥青老化等缺陷，温拌剂应运而生。温拌剂分为有机降黏型Sasobit和表面活性剂型Evotherm两种。国内外学者对市面上的各种温拌剂进行了研究，Ali Behnood等[1]发现在诸多改性沥青中加入Sasobit增加了抗车辙性，Evotherm M1的加入并不能显著影响沥青的高温性能。何永泰等[2]发现自行研发的表面活性温拌剂对沥青基本性能影响较小，有机降黏型温拌剂大幅降低沥青针入度、黏度、提高其软化点；表面活性温拌剂沥青抗老化、沥青-集料黏结性能优于有机降黏温拌剂。宋云连等[3]发现国产有机降黏RH温拌剂和表面活性Evotherm温拌剂对不同沥青的高温性能影响不同，对低温性能均有改善效果。孔令云等[4]发现Sasobit温拌剂是通过改变沥青表面自由能、极性分量、色散分量达到影响沥青混合料路用性能的。

JY-W1温拌剂是一种基于有机溶剂技术的棕褐色液体温拌剂，湿拌法掺加到沥青中，会与沥青发生一系列物理化学反应，形成较为稳定的空间网状结构，沥青不容易变形，使其软化点提高、针入度降低，会使沥青变硬变稠，高温性能得到改善[5-6]。

沥青中温拌剂的加入与各组分相互作用形成的结构决定着沥青的黏度[7]。JY-W1温拌剂加入热沥青中，其有效分子会进入胶质-沥青质片状分子之间，形成新的聚集体，降低了沥青分子结构自由能，释放出胶团结构中裹覆的饱和成分，胶团体系的分散度增加，沥青的黏度降低。红外光谱发现沥青中含有大量长链烷烃、不饱和烃、芳环、苯环芳香烃等[8]，温拌剂中相关基团与沥青质、胶质芳香侧边基团形成H键，借助H键的能力在芳香环侧链形成烷基长链基团，使沥青质聚集体外围形成一个非极性的环境，阻碍了沥青质或胶质与饱和分、芳香分的重新聚集，起到屏蔽作用。温拌剂的作用使得胶质、沥青质之间的作用不再规则，结构松散，自由度增加，聚集体数量增加，分散相体积减小，连续相体积增大，有利于降黏[9]。JY-W1温拌剂内含合成蜡，其熔点较低，高温时，合成蜡融化，使得加入温拌剂的沥青黏度较原样沥青低，温度敏感性增大，适当降温时，沥青中饱和分与温拌剂中相似成分析出，形成空间晶格，这种晶格结构大大降低了沥青的高温流变性能，沥青混合料抗变形能力增强，JY-W1温拌剂降低沥青混合料拌和摊铺温度，延长施工季节，减少能源消耗及CO、SO2、NOx等有害气体排放[10]。

在SMA-10、SMA-13、SMA-16级配沥青混合料添加JY-W1温拌剂，通过针入度、软化点、延度试验检测温拌沥青性能，采用50次、75次击实马歇尔稳定度试验研究拌和温度对SMA沥青混合料高温性能的影响，采用小梁弯曲试验研究温拌剂对沥青混合料低温性能的影响。

1 试验及原材料

试验采用AH-70#重交道路沥青，温拌剂为江苏金阳新材料科技有限公司提供的JY-W1温拌剂，其密度为0.9～0.96 g/cm3，黏度为520 MPa·s，为有机降黏型棕褐色液体温拌剂。试验采用湿拌法将沥青加热熔化，以沥青用量的0.5%(质量百分比)加入温拌剂，充分搅拌备用，其性能指标见表1。粗、细集料为淮南本地产石灰岩和机制砂，填料为石灰岩矿粉，级配为SMA-10、SMA-13、SMA-16，集料级配见表2，纤维采用玄武岩纤维，掺量为混合料的0.4%[11]。

表1 温拌剂改性沥青技术指标

表2 集料级配(质量百分比) %

采用马歇尔稳定度试验和小梁弯曲试验研究沥青混合料的高低温性能，混合料热拌温度为165 ℃(对照组)，掺加温拌剂混合料拌和温度为155 ℃、145 ℃、135 ℃。

2 试验结果及分析

2.1 高温性能

试验选用50次、75次击实的SMA-10、SMA-13、SMA-16马歇尔试件，分别测得其干燥质量、表干质量、水中质量等，计算试件的孔隙率、相对密度等，将试件放入恒温水浴箱保温40 min，进行马歇尔稳定度试验。

引入马歇尔模数T(kN/mm)评价沥青混合料的高温稳定性，其计算公式为：

(1)

式中：T为试件马歇尔模数(kN/mm)，MS为试件稳定度(kN)，FL为试件流值(mm)

依据试验结果绘制各SMA试件马歇尔模数与拌和温度关系，如图1所示。

(a)SMA-10 (b)SMA-13 (c)SMA-16

2.1.1 击实次数对马歇尔模数的影响

由图1可知：SMA沥青混合料，165 ℃热拌，随着击实次数增加，SMA-10沥青混合料马歇尔模数下降，SMA-13沥青混合料上升，SMA-16沥青混合料基本不变，提高击实次数可以改善SMA-13热拌沥青混合料的高温性能；掺加温拌剂155 ℃温拌时，随着击实次数增加，SMA-10沥青混合料马歇尔模数下降，SMA-13略有下降，SMA-16沥青混合料马歇尔模数大幅上升；145 ℃温拌时随着击实次数增加，SMA-10、SMA-13沥青混合料马歇尔模数不同程度增加，SMA-16沥青混合料马歇尔模数变化不明显；135 ℃温拌时随着击实次数增加，SMA-10沥青混合料马歇尔模数大幅增加，SMA-13、SMA-16沥青混合料马歇尔模数下降。说明不掺加温拌剂时增加击实次数，破坏了SMA-10混合料试件中集料完整性[12]，高温稳定性减弱，而掺入温拌剂，适当的拌和温度下，通过增加击实次数提高了SMA沥青混合料集料嵌挤程度，混合料密实度提高，抗变形能力增强，高温稳定性提高。

2.1.2 拌和温度对马歇尔模数的影响

由图1可知：50次击实掺入温拌剂SMA-10沥青混合料155 ℃温拌时，马歇尔模数增加为3.46 kN/mm，较热拌提高70.4%；SMA-13沥青混合料135 ℃温拌时马歇尔模数增加为3.99 kN/mm，较热拌提高262.7%；SMA-16沥青混合料135 ℃温拌时，马歇尔模数增加为2.98 kN/mm，较热拌提高16.9%；75次击实掺入温拌剂SMA-10沥青混合料135 ℃温拌时，马歇尔模数增加为3.17 kN/mm，较热拌提高126.4%；SMA-13沥青混合料145 ℃温拌时，马歇尔模数下降为3.53 kN/mm，较热拌降低16.7%；SMA-16沥青混合料155 ℃温拌时，马歇尔模数增加为3.63 kN/mm，较热拌提高41.8%。综上所述，155 ℃拌和温度适合50次击实的SMA-10和75次击实的SMA-16沥青混合料，145 ℃拌和温度适合75次击实的SMA-10沥青混合料,135 ℃拌和温度适合50次击实的SMA-13沥青混合料。

2.1.3 级配类型对马歇尔模数的影响

50次击实，不掺温拌剂，165 ℃热拌时，SMA-16马歇尔模数较高为2.55 kN/mm，该级配高温性能较优。掺入温拌剂155 ℃温拌时，SMA-10、SMA-13沥青混合料马歇尔模数增加，SMA-16马歇尔模数下降。145 ℃温拌时，SMA-13沥青混合料马歇尔模数增加，SMA-10、SMA-16沥青混合料马歇尔模数下降。135 ℃温拌时，SMA-10沥青混合料马歇尔模数基本不变，SMA-13、SMA-16马歇尔模数不同程度增加。75次击实，不掺温拌剂165 ℃热拌时，SMA-13马歇尔模数较大为4.24 kN/mm，该级配高温性能较优。掺入温拌剂155 ℃温拌时，SMA-10、SMA-16沥青混合料马歇尔模数不同程度提高，SMA-13沥青混合料马歇尔模数下降，该级配不太适合掺加温拌剂。145 ℃温拌时，SMA-10沥青混合料马歇尔模数增加，SMA-13、SMA-16马歇尔模数下降。135 ℃温拌时，SMA-10沥青混合料马歇尔模数较大幅度增加，SMA-13马歇尔模数下降，SMA-16基本不变。综上所述，掺加温拌剂后50次击实，SMA-13沥青混合料较为适合掺加温拌剂；75次击实，SMA-10沥青混合料较为适合掺加温拌剂，高温性能较优。

综上所述，掺入温拌剂，除了击实次数75次的SMA-13沥青混合料马歇尔模数下降外，其他级配、击实次数基本都有提高，其中SMA-13，50次击实马歇尔模数提高最多。SMA-10建议击实次数选择50次，拌和温度建议选择155 ℃。SMA-13建议击实次数选择50次，拌和温度选择135 ℃。SMA-16建议击实次数选择75次，拌和温度选择155 ℃。说明掺入温拌剂显著降低混合料拌和温度且改善混合料高温性能。

2.2 低温性能

采用与马歇尔稳定度试验相同的级配制作车辙板，再切割为250 mm×30 mm×50 mm的小梁试件，将试件放入-10 ℃低温箱中冷冻6 h，将试件取出放在万能试验机上以50 mm/min速率加载直至试件破快，试验应尽快完成，减小温度散失对试验的影响。

采用试件破坏弯拉强度RB(MPa)和破坏时的弯曲劲度模量SB(MPa)评价沥青混合料的低温性能，沥青混合料抗弯拉强度越大，弯曲劲度模量越小，沥青混合料开裂破坏时需要能量就越多，沥青混合料的低温抗裂性能就越好，其计算公式为：

RB=(3×L×PB)/(2×b×h2)

(2)

SB=RB/εB

(3)

式中：RB为试件破坏时抗弯拉强度(MPa)，PB为试件破坏时最大荷载(N),εB为试件破坏时最大弯拉应变(με)，SB为试件破坏时弯曲劲度模量(MPa)，L为试件的跨径(mm)，b为跨中断面试件宽度(mm)，h为跨中断面试件高度(mm)。

依据计算结果绘制各SMA试件弯拉强度、劲度模量与拌和温度关系如图2、图3所示。由图2可知：165 ℃热拌时，SMA-10、SMA-16试件抗弯拉强度较高，沥青混合料具有良好的抗弯拉性能，SMA-13试件抗弯拉强度较低；掺加温拌剂时，155 ℃温拌，SMA-10试件抗弯拉强度下降，随着拌和温度降低，其抗弯拉强度先增大后减小且始终小于165 ℃热拌；SMA-13试件在155 ℃温拌时抗弯拉强度略有上升，145 ℃时抗弯拉强度最大，135 ℃其抗弯拉强度迅速下降且低于热拌沥青混合料；SMA-16试件在155 ℃温拌时，其抗弯拉强度达到最大，随着拌和温度下降，其抗弯拉强度先减小后增大且低于热拌沥青混合料。从抗弯拉强度分析，温拌剂对SMA-10沥青混合料低温性能有负面影响，SMA-13沥青混合料145 ℃温拌时，其低温性能最好，SMA-16沥青混合料155 ℃温拌时具有良好的低温性能。

图2 抗弯拉强度与拌和温度关系

图3 弯曲劲度模量与拌和温度关系

由图3可知：165 ℃热拌时，SMA-10、SMA-13试件具有较低的弯曲劲度模量，SMA-16弯曲劲度模量较高；掺加温拌剂时，SMA-10级配155 ℃温拌时，试件的弯曲劲度模量增大，随着拌和温度降低，其弯曲劲度模量略有上升；SMA-13级配155 ℃温拌时，其弯曲劲度模量达到最大，随着拌和温度下降，弯曲劲度模量先下降后上升，145 ℃温拌时，与热拌模量相当；SMA-16级配155 ℃温拌时，试件弯曲劲度模量大幅下降，随着拌和温度下降弯曲劲度模量以较慢速率先减小后增大，145 ℃时弯曲劲度模量达到最小。从弯曲劲度模量分析，JY-W1温拌剂对SMA-10沥青混合料低温性能有负面影响。SMA-13沥青混合料低温性能在145 ℃温拌时能达到热拌相当。SMA-16沥青混合料加入温拌剂后其低温性能得到较大改善，且在145 ℃时低温性能较好。

相关研究表明沥青混合料低温性能主要由沥青自身性质决定，沥青低温性能主要和沥青中的极性分子或支链环状基团分子的类型、自由度有关[13]，JY-W1温拌剂的有效成分不能和上述极性分子结合，也无法改变这些成分在沥青中的含量、分布及运动自由度，因此有机降黏JY-W1温拌剂对沥青的低温性能影响甚微。

3 结论

(1) JY-W1温拌剂能够提高沥青的软化点，降低针入度、黏度，抗变形能力增强，改善SMA沥青混合料的高温性能，掺入温拌剂可以通过增加击实次数提高SMA沥青混合料集料嵌挤程度，改善其高温稳定性，击实次数对SMA-16沥青混合料高温性能影响较小；温拌剂对SMA沥青混合料低温性能因级配不同而有所差异。

(2) 拌和温度对SMA沥青混合料的高低温性能影响比较显著。SMA-10级配沥青混合料不适合添加JY-W1温拌剂；对于SMA-13级配沥青混合料，建议选择145 ℃拌和温度；对于SMA-16级配沥青混合料，建议选择155 ℃拌和温度。

(3) JY-W1温拌剂能够改善系列SMA沥青混合料施工和易性，降低拌和摊铺温度20 ℃左右。JY-W1温拌剂是通过改变沥青质-胶质片状分子的空间结构，达到增加胶团体系分散度，并生成沥青质-胶质片状分子非极性阻隔层，从而达到降黏的目的。