DWMAS型温拌剂对碎石封层橡胶沥青表观黏度及路用性能的影响

刘宽富 朱家剑 韩丽丽 杨海涛

(甘肃二车高等级公路项目管理有限公司1) 兰州 730070) (甘肃路桥第三公路工程有限责任公司2) 兰州 730070) (陕西交通职业技术学院3) 西安 710018) (长安大学道路结构与材料交通运输行业重点实验室4) 西安 710064)

0 引 言

橡胶沥青是由沥青、回收轮胎胶粉及外加剂组成，通过胶粉高温融胀吸收基质沥青的轻质组分形成的高黏度热力学不相容两相体系.橡胶沥青不仅能消化大量废弃轮胎，铺筑路面还具有优良的高温抗变形、抗疲劳开裂性能和卓越的降噪效果.自从1960年Charles H. McDonald提出“湿法”工艺以来，在中国、北美、南非等国家和地区得到了广泛应用，被大量用于开级配、间断级配热拌沥青混合料以及应力吸收层、同步碎石封层和开普封层等路面工程[1-2].然而，橡胶沥青生产和施工各环节温度均高于聚合物改性沥青，达180～190 ℃，不仅消耗数量可观的能源，还会排放大量CO2和浓烟，制约了橡胶沥青技术的推广和应用.

随着沸石发泡技术、有机蜡类以及乳化类为代表的温拌沥青技术的开发应用，也大量应用在橡胶沥青混合料领域[3-6].季节等[7]基于针入度体系、SHRP体系及表面自由能、红外光谱等试验手段，对稀释类(芳烃油、煤油)、有机蜡类(RH、Sasobit)、表面活性剂类(Evotherm)及沸石类(Aspha-min)四类温拌剂对橡胶沥青路用性能的影响进行了研究.2008年，河北铺设了我国第一条温拌橡胶沥青试验路；同年Evotherm温拌橡胶沥青技术在石家庄石环公路试验路得到了应用.2015年南京南站与机场连接线铺设了温拌橡胶沥青SMA-13试验段，结果表明：温拌橡胶沥青SMA能降低压实温度20 ℃，水稳定性和抗开裂性能保持不变，显著提高了橡胶沥青的高温稳定性.

为降低施工阶段碳排放，文中将一种新型复合型温拌剂应用于碎石封层橡胶沥青胶结料，基于室内试验和铺筑试验路段探讨了将温拌橡胶沥青碎石封层用作路面结构下封层的技术和经济可行性.为评价DWMA-S型温拌剂对碎石封层橡胶沥青结合料高、低温路用性能的影响以及分析其降黏效果，采用针入度、软化点、弹性恢复率、测力延度、180℃布氏旋转黏度试验表征了DWMA-S型温拌剂对碎石封层橡胶沥青结合料高温路用性能、低温韧性，以及表观黏度的影响.

1 材料与试验

1.1 材料

1.1.1橡胶沥青

采用甘肃省嘉峪关市、天水市沥青库供应的橡胶沥青成品取样进行室内试验，采用SK-90#基质沥青、SBS(I-C)改性沥青做对照研究，技术指标见表1(试验方法采用文献[8]T0604).

表1 橡胶沥青路用性能技术指标

1.1.2温拌剂

采用东道沥青DWMA-S型温拌剂，掺量为占热沥青质量的0.3%～0.7%，可根据工程应用数量计算温拌剂需要量.该温拌剂可降低沥青混合料施工温度30～40 ℃，技术参数见表2.

表2 DWMA-S型温拌剂的技术参数

1.2 试验

1.2.1温拌橡胶沥青制备

将成品橡胶沥青加热至140～160 ℃，计算温拌剂添加量，在搅拌状态下将温拌剂缓慢倒入热橡胶沥青中，恒温状态下搅拌约5～10 min，保持原有橡胶沥青温度稳定后，即可浇样完成后续温拌橡胶沥青基本路用性能试验.

1.2.2基本路用性能试验

采用针入度、软化点、弹性恢复率、180 ℃布氏旋转黏度试验表征了温拌橡胶沥青的高温路用性能，借助SYD-4508G-1数显型沥青延度试验器测定了不同温拌橡胶沥青在5 ℃、10 ℃的拉力-延度试验曲线，分析橡胶沥青的低温韧性以及温度、温拌剂对橡胶沥青低温性能的影响.

延度试验器测量范围：1.5 m(±10 mm)，控温范围：5～50 ℃可调节，数字显示，温度显示分辨率0.01 ℃，控温精度：±0.1℃，拉伸速度：1，5 cm/min两档，测量精度：±1 mm.各试验方法均严格按照文献[8]规定执行.所有的路用性能试验每组样品进行三次平行试验，取其平均值为代表值，并取三次平行试验结果的标准差SD评价试验误差.

1.3 试验段概况

试验段铺筑于G341线甘肃省环县二(十里沟口)至车(路崾岘[甘宁界])公路HCGL1合同段刘园子互通立交A2匝道(起讫桩号：A2K0+000—A2K0+495.802)、E匝道(起讫桩号：EK0+000—EK0+388.059)，总长度884m.试验段路面结构为：4cm高性能改性沥青混凝土Superpave-13上面层，8cm密级配改性沥青碎石ATB-25下面层，36 cm水泥稳定碎石基层加20 cm水泥稳定碎石底基层，匝道设计横断面见图1.采用温拌橡胶沥青碎石封层用作路面结构下封层，在水泥稳定碎石基层表面先洒布乳化沥青透层油，之后施作温拌橡胶沥青碎石下封层.原路面设计封层方案为热熔改性沥青碎石封层.

图1 试验段匝道横断面示意图(单位：cm)

2 DWMA-S型温拌剂对橡胶沥青基本路用性能的影响

2.1 针入度、软化点及弹性恢复率

试验得到不同温拌橡胶沥青的针入度、软化点与弹性恢复率见图2.

图2 温拌剂对橡胶沥青针入度、软化点和弹性恢复率指标的影响

由图2a)可知：掺加DWMA-S型温拌剂后橡胶沥青25 ℃针入度增大，嘉峪关、天水两种橡胶沥青样本掺加温拌剂后针入度分别增加31.0%、3.73%，说明温拌橡胶沥青的常温稠度有所降低.由图2b)可知：掺加DWMA-S型温拌剂后橡胶沥青软化点略有降低，两种样本降幅均不足5%，说明DWMA-S温拌剂对橡胶沥青软化点影响不大.由图2c)可知：掺加DWMA-S型温拌剂后橡胶沥青25 ℃弹性恢复率变化不显著，数据表明嘉峪关样本掺加温拌剂后弹性恢复率增加1.1%，而天水样本则降低2.2%，两组样本的数据变化不显著，说明本项目碎石封层橡胶沥青所用复合型温拌剂在降低橡胶沥青高温黏度时，对橡胶沥青的弹性几乎没有影响.图2c)中四组橡胶沥青样本的弹性恢复率与工程中常用SBS改性沥青相当，说明该复合型温拌剂不会对橡胶沥青弹性产生负面影响.

2.2 温拌剂对橡胶沥青低温延度及韧性的影响

测定不同温拌橡胶沥青在5、10 ℃的力-延度试验曲线，低温延度试验结果见图3.

图3 掺加不同温拌剂橡胶沥青的低温延度

由图3可知：掺加DWMA-S型温拌剂后橡胶沥青低温延度变化规律不明显；数据表明嘉峪关样本掺加温拌剂后5 ℃延度增加13.1%，而天水样本则降低15.8%，当试验温度升高后，掺加温拌剂嘉峪关样本10 ℃延度增加6.9%，而天水样本则降低23.0%，考虑到试验样品制备及温度控制方面可能存在的误差，嘉峪关样本温拌前后延度变化率不足15%，可以认为温拌剂对其延度影响不显著；而天水样本掺加温拌剂前后延度降低率均大于15%，说明温拌剂对其延度影响较显著.文献中表面活性剂类温拌剂会在一定程度上降低橡胶沥青高低温性能，本项目所用复合型温拌剂可能会对橡胶沥青低温塑性变形能力产生较大的负面影响，且胶粉掺量越大，负面影响越显著.原因可能在于，复合型温拌剂中的表面活性剂成分降低了溶胀后胶粉颗粒与基质沥青之间的黏附性能，从而导致低温延度值降低.

掺加温拌剂前后橡胶沥青5，10 ℃的力-延度试验曲线见图4.依据弹性模量和断裂伸长率的不同，高分子材料单轴拉伸条件下的力-变形曲线可划分为五种类型：硬而脆型、硬而强型、硬而韧型、软而韧型和软而弱型，五种力-变形曲线各有不同的形状.

图4 掺加温拌剂橡胶沥青的低温力-延度试验曲线

由图4可知：掺加温拌剂橡胶沥青的低温力-延度曲线具有硬而韧的特点.该类型材料力-延度曲线在加载初期力与变形呈线性关系增长，且弹性模量很高，当材料屈服后可以产生较大的变形，因而具有较大的断裂伸长率，材料断裂能高、韧性优良.此外，温度对橡胶沥青力-延度曲线形状影响较温拌剂显著，表现在试验温度为5 ℃时，试样力-延度曲线经过弹性区间后，出现了明显的屈服现象，随后力略有降低，延度持续增加，发生屈服软化；而试验温度为10 ℃时，屈服现象和屈服软化不明显，试样的屈服力和断裂力均大幅下降，橡胶沥青的韧性降低.

表3为掺加DWMA-S型温拌剂后不同橡胶沥青试样的低温韧性指标.数据表明温度对橡胶沥青的低温韧性具有极其显著的影响，试验温度越高，屈服力、断裂力及断裂能均大幅降低；不同温度下橡胶沥青的屈服延度变化不大，均在12 mm左右，断裂延度也即延度试验值差别较大，10 ℃延度大于5 ℃延度.此外，温拌剂对橡胶沥青的低温韧性具有一定影响，表现在掺加DWMA-S型温拌剂后，屈服力、断裂力降低，断裂能降低，与升高温度对橡胶沥青低温韧性的影响一致.

表3 温拌橡胶沥青的低温韧性指标

3 DWMA-S型温拌剂对碎石封层橡胶沥青表观黏度的影响

橡胶沥青用作封层胶结料时常在高温条件下洒布，为了降低橡胶沥青高温洒布时的二氧化碳排放量，常掺加温拌剂减低黏度，从而降低橡胶沥青洒布温度.为考察DWMA-S型温拌剂对本研究碎石封层橡胶沥青施工黏度的影响，采用布氏旋转黏度计测定了不同橡胶沥青样本的180℃表观黏度，试验结果见表4.

表4 掺加DWMA-S温拌剂橡胶沥青的表观黏度试验值

由表4可知：掺加DWMA-S型温拌剂后橡胶沥青180 ℃表观黏度降低.其中，嘉峪关、天水两种橡胶沥青样本掺加温拌剂后黏度分别降低50.8%、40.0%，与文献中有机降粘剂的降粘效果相当.说明掺加DWMA-S温拌剂后橡胶沥青的高温表观黏度大大降低.

4 温拌橡胶沥青碎石封层试验段降温效果分析

温拌橡胶沥青碎石封层主要施工工艺包括三部分：同步碎石封层车标定(根据设计碎石撒布量和沥青洒布量，确定碎石布料口以及沥青喷嘴的开启度)、下承层准备、温拌橡胶沥青同步碎石封层施工.在封层施作前，从同步碎石封层车的沥青储存罐内取样进行了橡胶沥青的路用性能指标试验，文中2.1、2.2温拌橡胶沥青基本路用性能试验结果即为取样后测定值.

综合室内试验及试验段实测数据可知：掺加DWMA-S型温拌剂后橡胶沥青的洒布温度在160～165 ℃，在满足部颁标准路用废胎胶粉橡胶沥青技术要求(寒区)的前提下，洒布温度比未掺温拌剂时降低30～35 ℃，降温效果显著.主要原因在于DWMA-S型温拌剂几乎不改变橡胶沥青高温路用性能，却能大大降低其表观黏度，降幅可达40%～50%，因此采用DWMA-S型温拌橡胶沥青作碎石封层胶结料，能显著降低施工阶段的二氧化碳排放量.值得注意的是，该型温拌剂对橡胶沥青低温韧性有一定负面影响，在寒区公路工程中应用时应格外注意.

5 结 论

1) 掺加DWMA-S型温拌剂后橡胶沥青25 ℃针入度增大，软化点略有降低，25 ℃弹性恢复率变化不显著，该复合型温拌剂对橡胶沥青针入度和软化点的影响规律与稀释类温拌剂类似.

2) 掺加DWMA-S型温拌剂后，橡胶沥青低温延度降低，表明其可能会对橡胶沥青低温塑性变形能力产生较大负面影响，且胶粉掺量越大，影响越显著.

3) 橡胶沥青低温力-延度曲线具有硬而韧的特点.且温度升高，橡胶沥青、温拌橡胶沥青的屈服力分别降低54.3%、57.5%，断裂力降低46.5%、48.3%，断裂能则降低25.56%、35.90%，说明温度对温拌橡胶沥青低温韧性具有极其显著的影响.

4) 掺加DWMA-S型温拌剂后，橡胶沥青屈服力、断裂力降低，断裂能降低，与升高温度对其低温韧性的影响规律一致.

5) DWMA-S型温拌剂可降低橡胶沥青180 ℃表观黏度40%～50%，故采用温拌橡胶沥青作碎石封层胶结料，能显著降低洒布温度，进而降低施工阶段的二氧化碳排放量.