温拌沥青混合料水分特性影响因素的研究进展

张伟强

(中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040)

随着经济社会及交通事业的不断发展，对交通量、行车荷载、速度以及路面性能等提出了更高的要求[1]。沥青路面以其特有的优势被广泛应用于道路工程建设中，热拌沥青混合料(hot mix asphalt，HMA)的拌和压实温度高(150～170 ℃)，导致烟尘和废气的排放量增加，同时也加剧了能源消耗，造成了严重的能源与环境负荷[2]。因此,温拌沥青混合料(warm mix asphalt，WMA)应运而生，引起了科学界和工程界的广泛关注。温拌沥青通过一定的技术措施，使沥青能在相对较低的温度下进行拌和及施工，同时保持其不低于HMA的使用性能。WMA的主要优点包括：1)使用较低的温度，减少了能源消耗；2)温拌沥青的温度保持时间较长，增加了运输距离；3)加热沥青混合料产生的气味、烟雾和排放水平较低，改善了工作条件；4)更重要的是提高了压实度，能够以较少的碾压次数达到所需密度和压实度。尤其对于北方和其他寒冷地区来说，潜在优势是可以减少对气温的依赖，延长施工时间[2]。

20世纪90年代欧洲部分国家率先使用温拌技术，1995年首个工程项目竣工[3,4]。而对于温拌沥青的概念则是在2000年的国际沥青路面会议中正式提出。许多学者相继研发泡沫型和有机降粘型两类温拌技术，并成功开始应用。此后，欧美、日本和南非等国家广泛使用温拌技术，并进一步对温拌技术的路用性能进行了大量研究和应用[5]。美国于2004年在加利福尼亚州和北卡罗莱纳州首次完成了温拌沥青现场试验。之后，美国沥青路面技术研究中心对欧洲温拌沥青技术进行全面调研，进行了一系列的相关试验研究。而国内对于温拌沥青的研究较国外起步晚，在2005年采用了乳化沥青分散技术成功在北京铺筑了第一条温拌沥青混合料路面；2006年11月，在零下4℃环境条件下，采用有机降黏温拌技术对西藏林周地区试验路段进行了铺设，其混合料的拌和碾压温度降低20～40 ℃。2007年，采用 Evotherm 技术和 SAK 降粘剂在340 省道进行了温拌沥青试铺，施工效果良好。

WMA作为一种绿色环保技术已经在世界各国得到了越来越广泛的应用[6]。目前，国内外学者对WMA已经开展了全方位多角度的研究，开发出了各式各样的温拌产品和技术，极大地促进了WMA的快速发展。由于所需温度比热拌沥青混合料低，而且受一些温拌技术的影响，水损害被认为是WMA混合料所面临的主要问题之一，甚至可能比HWA更复杂更严重。水分加剧了骨料与胶结料之间的粘结力或胶结料内部凝聚力失效，导致沥青混合料的强度、劲度和耐久性等性能快速恶化，从而严重损害了沥青路面的使用性能，降低了服役寿命，增加了维护成本[7,8]。众多研究表明：影响WMA混合料水敏感性的三个主要因素分别是WMA添加剂、骨料状态和发泡水或发泡剂。

该研究主要从沥青、骨料及添加剂等原材料和温拌技术等方面探讨其对WMA混合料水分特性的影响，以期为WMA混合料的研究和工程应用提供理论指导和技术支撑。

1 材料及其影响

温拌沥青混合料主要由沥青、骨料和其他一些添加剂组成。这些原材料都会对WMA混合料的性能产生重要影响，应该引起足够的重视[9]。

1.1 骨料

骨料是沥青混合料的重要组成部分，所占比例约为混合料重量的95%。因此，骨料在决定混合料的性能特点方面扮演着重要角色。

1.1.1 骨料类型

目前，各种类型的骨料被广泛应用于路面施工中。由于不同骨料之间化学成分的差异，导致了沥青混合料物理化学性质上的差异[10]。

花岗岩和玄武岩中二氧化硅(SiO2)的含量通常较高。相反，石灰石中氧化钙(CaO)含量较高，SiO2含量则较低。这与石灰石是碱性骨料而花岗岩是酸性骨料的认知是一致的。普遍认为，沥青与骨料之间的粘附一般取决于骨料本身的性质。

一般认为，酸性骨料配制的混合料比非酸性骨料配制的混合料具有较差的抗水损害能力。相反地，石灰石等碱性骨料配制的混合料则表现出相对较好的性能。

1.1.2 骨料含水量

由于WMA的拌合和压实温度较低，而且在生产发泡WMA的过程中温度会迅速下降，可能导致水分无法逸出而被残留在混合料内部，从而使WMA中存在残余水分。

此外，普遍认为水更容易附着在骨料上。一旦在生产中使用了湿润的骨料，更多的水分则会被吸收，残留在混合料中。这些残留的水分会影响骨料表面的沥青附着层，从而降低骨料和胶结料之间的粘附性，最终导致各种路面病害。

有研究人员对含有潮湿骨料的WMA混合料性能进行了研究：尽管含有潮湿骨料试样与不含潮湿骨料试样具有相似的间接拉伸强度比值(indirect tensile strength ratio， TSR)，但是前者的干、湿间接拉伸强度(indirect tensile strength,ITS)较之后者均显著降低。

此外，研究结果还表明含有潮湿骨料混合料的抵抗水损害能力较差。残留的水分会影响沥青与骨料之间的粘结力，并且可能会导致胶结料内部的凝聚力不足[11]。同时，这可能最终导致沥青路面水损坏，继而出现其他病害。由此可以得出结论，使用潮湿的骨料会产生不利影响，尤其是滞留的水分。因此，必须避免骨料中水分的存在且保持充分干燥，以确保沥青混合料的质量[11]。

1.1.3 骨料级配

除了骨料类型和含水状态外，其他因素也会影响混合料的水分特征。例如，骨料形状和纹理质地也会影响沥青混合料的嵌挤程度。一般认为，由于粗糙的立方体骨料具有较高的嵌挤水平，所以粗糙的立方体骨料比光滑的圆润的骨料具有更好的性能。然而，在实际工程应用中，骨料级配与混合料的空隙和内摩擦力密切相关，因此骨料级配越来越受到了研究人员的关注和重视。此外，空隙是造成沥青混合料水损坏的关键因素。一些研究人员已经研究了骨料级配对混合料的影响[12]。

由于骨料的多样性和变异性骨料级配对混合料水分性能的影响目前仍难以确定。因此，今后有必要对该类研究多加关注。

综上所述，碱性骨料具有很强的粘附力，因此表现出较高的抗水损害能力。而酸性骨料则会影响粘附力。一般而言，建议在温拌沥青混合料中使用石灰石。

1.2 沥青

沥青是混合料中最重要的部分，在混合料中起粘结作用，以确保骨料在交通荷载下不会松散分离，所以沥青的性质在很大程度上决定了混合料的性能[6]。

1.2.1 沥青等级

沥青是由众多碳氢化合物和非碳氢化合物组成。沥青化学成分的变化导致其性能变化。因此，使用不同沥青的混合料的性能特点也普遍不同。普遍认为，使用高粘度沥青的混合料具有更好的抗水损害性能，这通常被认为与混合料的剥离行为有关。高粘度有助于增强沥青和骨料之间的粘附性，使用高粘度沥青的混合料则不易出现剥离现象，从而表现出较少的水敏感性。

研究表明，高性能分级(performance grade，PG)胶结料的混合料在潮湿状态下的性能优于低PG胶结料的混合料，说明高PG胶结料有利于混合料的抗水损害性能。这可能是因为高PG胶结料具有较高的粘度和骨料与胶结料之间的粘结强度。然而，Kutay等人提出了不同的结论：高PG胶结料中的水分比低PG胶结料的更难消散，即高PG胶结料中的水分更容易滞留。Kutay等人发现高PG胶结料会降低混合料的抗水损害性能。

1.2.2 沥青类型

目前改性沥青被广泛应用于改善沥青和沥青混合料的性能，常见的有轮胎胶粉改性和聚合物改性。有学者已经对混合料性能和沥青类型之间的关系进行了一系列研究。

实践证明，改性剂能显著提高沥青的性能，进而改善混合料的性能。在水敏性方面，改性剂可以提高沥青与骨料的粘结性。因此，改性沥青混合料水分敏感性较低，抗水损害性较强。

1.2.3 沥青老化

沥青在拌和、运输、压实和服役过程中，其物理化学性能会发生变化，这可归因于交通荷载、热、光等诸多因素。由于沥青的性能会随着沥青的老化而发生变化，这些变化可能会对沥青路面的性能产生不利影响。普遍认为，老化后的沥青相对更硬，更脆。因此，沥青的老化会影响混合料的性能，有必要对其进行研究。

有研究表明，短期老化沥青混合料的TSR值高于未老化沥青混合料的TSR值，即短期老化的混合料水敏感性较小，性能较好。这表明短期老化有利于提高混合料的抗水损坏能力。短期老化可能有助于提高沥青与骨料之间的黏结力。但是，长期老化则会严重影响胶结料和混合料的性能，其ITS和TSR值会显著降低。

因此，在WMA混合料中推荐使用高粘度和改性沥青胶结料。此外，建议进行短期老化以防止剥离。

1.3 抗剥离剂

抗剥离剂可以改变骨料的表面特性，增强沥青与骨料的相容性，从而改善沥青的裹附能力。因此，抗剥离剂的作用是改善沥青与骨料之间的粘附性，进而防止沥青路面因损坏而发生剥离。作为最常用的抗剥离剂之一，熟石灰得到了广泛的应用。胺类、二胺类、液体聚合物也常被用作液体抗剥离剂。此外，还有水泥、粉煤灰等一些固体抗剥离剂。由于WMA混合料的抗水损坏能力较弱，因此在WMA混合料中添加抗剥离剂至关重要。

有学者研究了抗剥离剂对WMA混合料水敏感性的影响，并证明了抗剥离剂对沥青混合料的积极作用。Aravinda等发现抗剥离剂的加入可以提高沥青的性能。Shafabakhsh等人发现使用抗剥离剂可以降低沥青的酸碱比，使沥青更容易粘附在骨料上。Khodaii等人的研究结果证明，熟石灰可以降低混合料的水敏感性。由此可见，抗剥离剂可以显著提高沥青混合料的抗水损害能力。Chen等人采用亚纳米级和普通级熟石灰进一步研究了熟石灰粒径对其提高抗水损害能力的影响。研究结果表明，粒径越小的熟石灰通常表面越粗糙。较小粒径的熟石灰能更加显著地提高混合料的耐水性，并且在水敏感性方面表现出比普通熟石灰更好的性能。

综上所述，建议在WMA混合料中加入抗剥离剂，以有效改善其水分特性。

2 不同温拌技术的影响

2.1 压实温度的影响

压实温度是压实过程中的关键因素，因为它影响着沥青混合料的和易性、压实度以及空隙率等。研究发现，空隙率高的混合料更容易受到水分的破坏。如图1所示为Amir等人的研究结果。

图1显示，混合料的TSR值和条件ITS值随压实温度的升高而增大。当压实温度低于水的沸点时，TSR值明显降低。由此可见，压实温度直接影响沥青混合料的水敏感性[2,7]。可能有以下几个原因：一是压实温度会因老化效应影响沥青混合料的水敏感性;其次，压实温度直接决定沥青混合料的最终空隙率，这是影响沥青混合料水分特性的关键;另一方面，当压实温度不够高时，混合料中的水分不能完全挥发，残留的水分会削弱沥青与骨料的粘附性。由此可以得出结论，足够高的温度对于获得高质量的混合料是必不可少的。总而言之，要保证水分的完全蒸发，需要足够高的温度。

2.2 发泡技术的影响

近年来，泡沫沥青技术被广泛应用于沥青工业的WMA混合料生产。直接向沥青胶结料中注水，水在较高的搅拌温度下转化成蒸汽，分散到沥青胶结料中，引起胶结料膨胀。因此，可以获得大量的沥青胶结料，且很容易与骨料混合，最终实现温拌。这种技术由于成本相对较低，而且是一次性机械改造，所以得到了研究者们的青睐。通常情况下发泡水用量通过胶结料的发泡过程影响沥青混合料的性能，发泡水用量可以决定发泡沥青的膨胀率，进而影响沥青在骨料上的裹附行为。Ayman等人对该特性进行了研究，研究结果如表1所示。

根据表1结果，发泡水用量对水敏感性的影响并不显著。Xiao等人也得出了类似的结论。Yu等研究发现各种类型的沥青胶结料对发泡水含量表现出不同的敏感性。Biruk等人也对此进行了系统研究，发现发泡水用量对沥青混合料水稳定性的影响不如压实温度等其他因素显著。此外，发泡水含量越高，胶结料在骨料上的裹附越稳定，特别是在温度相对较低或处理粗骨料的情况下。然而，较高的发泡水用量可能会导致更多的滞留水，对混合料造成不利影响。因此，单独考虑发泡水量是不合理的，确定合理的发泡水用量和与之匹配的发泡温度是至关重要的，应该予以优化。

表1 发泡水量对WMA混合料水分性能的影响

Aspha-min和Advera实际上都是一种合成沸石，经水热结晶而成，以粉末形式存在，且其中含有18%～22%(按质量计)的水。这主要归因于沸石结构中具有允许水存在的较大空隙。此外，当温度超过100 ℃时，内部水被释放并转化为蒸汽，因此可作为WMA添加剂。已有一些学者对这种含水添加剂进行了研究。不同的研究者得出了相同的结论：用Aspha-min生产的混合物的TSR和ITS值均较低，这表明这种含水添加剂削弱了WMA混合物的抗水损害能力。同样地，含有Advera的混合物的TSR和ITS值均较低，故Advera对混合物的水敏感性有负面影响。

在高温下，将冷水注入到热胶结料中来生产WMA混合料要比使用沸石更加直接。由于直接注水，可能更容易发生水损坏。研究结表明，发泡WMA混合料的干湿ITS值明显低于HMA混合料，特别是在温度低于100 ℃时。然而，发泡混合料的TSR值可能相近甚至更高。只要生产温度足够高，发泡混合料可以表现出与HMA混合料相似的性能。

总之，类似Aspha-min和Advera等含水添加剂削弱了WMA混合料抵抗水损害的能力。就水基WMA混合料而言，合理的WMA添加剂含量和与之匹配的温度是获得良好水分特性的关键。

2.3 添加剂的影响

通常将有机添加剂添加到沥青胶结料中，以降低其粘度，从而降低混合料的拌合和压实温度。有机蜡冷却后，可以形成晶格结构，有助于改善混合料的性能。Sasobit和Asphaltan B是最常见的两种有机添加剂。Sasobit掺入沥青中能够均匀的溶解，降低沥青胶结料粘度，从而可以降低WMA混合料的拌合和压实温度。在冷却过程中，Sasobit的凝固使改性沥青劲度增加。此外，Sasobit沥青改性剂在常温下可以在混合料内部形成骨架结构，改善混合料的性能。然而，也有研究表明：Sasobit增加了酸性成分，削弱了骨料与胶结料之间的粘附力，从而导致含Sasobit的混合物对水损害更为敏感。Asphaltan B以化石脂肪酸酯为主，常与酰胺蜡混合以提高其低熔点。Prabir等通过对含Asphaltan B和未经处理的胶结料进行对比，研究了WMA混合料的水敏感性。Superpave间接拉伸试验结果表明，Asphaltan B能显著提高混合料的抗水损害能力。

化学添加剂通常是由乳化剂、表面活性剂和聚合物组成的复杂混合物。最常见的化学添加剂有Evotherm、Rediset和Cecabase等。

Evotherm以乳液形式存在，在搅拌过程中，拌合温度加速了破乳和水分蒸发，从而使胶结料包裹在骨料上。该添加剂可以在较低温度下降低混合料的内摩擦力，而不影响沥青的粘度。关于Evotherm对水敏感性的影响已经进行了大量研究。从研究结果可以看出，用Evotherm生产的两种混合料的TSR值明显低于对照组，这表明使用Evotherm会降低混合料的抗水损害性。然而，也有研究得出了不同的结论。Rouzbeh等人通过测试混合料表面自由能的方法，发现使用Evotherm将显著减少胶结料从骨料上剥离，这意味着Evotherm可以提高混合料的抗水损害能力，证明Evotherm是有益的。

Rediset主要由脂肪多胺、聚合物和非离子成分组成，易溶于胶结料中，可添加到沥青或混合料中。此外，它还具有抗剥离剂的作用。因此，能够提高混合料的抗水损坏能力。根据研究结果，含有Rediset混合料的TSR值比对照组高，表明这些混合料具有更好的水稳定性，可能会提高混合料的抗水损害性。

综上所述，有机添加剂会对WMA混合料的水敏感性产生轻微的不利影响。化学添加剂由于具有促进粘附的作用，而被普遍认为有利于改善水分性能。

3 结论与展望

a.碱性骨料具有很强的粘附性，和较好的抗水损害性，而酸性骨料则会影响粘附。建议在WMA混合料中使用石灰石以及干燥骨料。

b.高粘度胶结料在WMA混合料中起着与碱性骨料相似的作用，改性沥青胶结料的性能更好。建议辅以短期老化，而避免长期老化。

c.合理的WMA添加剂含量和与之匹配的温度是至关重要的。有机添加剂对WMA混合料的水敏感性有轻微的不利影响，而化学添加剂则有益于WMA混合料的抗水损害性能。

尽管WMA可以降低生产过程中的能耗，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等。而且，现有的室内测试方法并不能准确评价混合料性能，还需要更多的现场试验来改进完善WMA技术。同时，鉴于WMA添加剂价格高昂，推荐尝试利用废弃物等进行制备。此外，WMA混合料性能的提升仍是一项亟待解决的技术难题。