不同类型温拌剂对沥青混合料路用性能影响及其效能评价

张争奇， 张天天， 王相友， 石荣杰

(1. 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西 西安 710064； 2. 浙江公路水运工程监理有限公司， 浙江 杭州 310004； 3. 陕西交通控股集团有限公司， 陕西 西安 710038)

目前，沥青路面施工中常用的热拌沥青混合料在拌和过程中需要达到较高的温度(150～180 ℃).这样不仅消耗了能源，持续的高温加热还使得沥青老化程度更加严重，影响沥青路面的耐久性.同时会释放出一些有害气体，对从业人员的健康造成严重威胁[1].为了降低高温加热的不利影响，温拌技术得到了越来越多的重视.温拌技术是在温度相对较低的情况下进行拌和，一般为80～150 ℃.较低的拌和温度可以减少沥青在生产阶段的老化，同时能够减少排放、降低能耗、缩减能源与治污成本，符合我国绿色、循环、低碳的新型发展模式[2].近年来，国内外对温拌技术的研究日益增多，相继出现了有机添加剂、沸石类、表面活性技术等多种不同作用机理的温拌技术.随着温拌技术不断发展，温拌剂种类越来越多，不同温拌剂的降温效果及温拌剂对于沥青混合料路用性能的影响各有不同.文献[3]研究表明，有机降黏剂能够提高胶粉改性沥青的高温稳定性及低温抗裂性，但是这种温拌剂不利于胶粉改性沥青的抗老化性能.文献[4]综述了沸石材料在温拌沥青技术中的应用研究，探究了沸石类温拌剂对沥青及混合料性能的影响.文献[5]发现添加质量分数为0.6%的SAA对沥青标准性能和发泡特性具有十分有利的影响.文献[6]研究表明，表面活性类温拌剂不仅能够显著降低橡胶沥青的生产温度，而且可以提高橡胶沥青各项性能.当前温拌剂在使用时通常为无差别选择，并未考虑道路所处环境对于温拌沥青混合料提出的技术要求，这就导致特殊严峻环境条件下路面病害不减反增.综上，温拌剂的使用应结合铺筑路段所处环境条件，因地制宜进行优选.另外，温拌剂降温效果如何，是否比热拌沥青混合料更容易压实，对其路用性能是否有不利影响，这些都需要通过试验数据进行量化分析和比较.

为明确不同温拌剂的性能特点和适用条件，笔者采用4种类型温拌剂制备温拌沥青混合料，并进行SGC旋转压实试验、热力学分析及路用性能试验.分析对比降黏机理不同的4种温拌剂的降温效果、能源消耗量及混合料路用性能.同时，基于灰色关联理论分析4种温拌剂性能特点和优势.研究成果可以为温拌沥青混合料的推广应用提供一定参考.

1 材料与方法

1.1 原材料

1.1.1沥 青

沥青选用SBS改性沥青，其主要性能指标测试结果见表1.

1.1.2温拌剂

笔者选用有机降黏剂Sasobit、表面活性剂类HH-XⅡ、沸石类Aspha-min及新型低温施工高性能添加剂PRLT等4种温拌剂.Sasobit为南非Sasol Wax公司生产的一种外观呈白色或淡黄色固体小颗粒的有机降黏类温拌剂，是目前世界范围内最具代表性的基于有机添加剂降黏技术研发的温拌剂产品[7].Sasobit化学组成主要为长链脂肪族烷羟，密度一般为0.94 g·cm-3，熔点为105 ℃，闪点为287 ℃.HH-XⅡ为西安公路研究院研发的一种节能环保型温拌剂，其作用机理主要基于表面活性机理[8].HH-XⅡ为一种棕红色透明液体，密度一般为1.00 g·cm-3，其降温幅度最高可达40 ℃，降温效果十分明显.Aspha-min为一种极细白色粉末状的温拌剂产品，其作用机理主要是基于人工沸石降黏技术，主要构成为结晶水质量分数约为21%的硅铝酸钠[9].PRLT为一种由多种聚合物复合改性而成的灰色圆柱状固体温拌剂，直径一般为3～5 mm.

1.2 温拌沥青混合料制备

笔者选用AC-13型矿料级配，粗集料选用玄武岩，细集料选择石灰岩.粗、细集料主要性能指标满足JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》要求.级配曲线如图1所示.

图1 矿料的合成级配曲线

通过试验最终确定SBS改性沥青混合料最佳油石比为4.9%.根据大量试验进行优化后，确定4种温拌沥青混合料的制备工艺如下：

1) Sasobit温拌沥青混合料制备.先将SBS改性沥青加热至110 ℃以上，将质量分数为0.3%的Sasobit温拌剂加入热沥青中，然后使用高速剪切机以规定转速剪切20 min后，即可制得Sasobit温拌沥青.最后将Sasobit温拌沥青与集料混合制备温拌沥青混合料.

2) HH-XⅡ温拌沥青混合料制备.将SBS改性沥青预热至140 ℃，加入质量分数为0.7%的HH-XⅡ温拌剂.在维持温度不变的情况下，使用高速剪切机剪切至温拌剂与沥青拌和均匀，制得HH-XⅡ温拌沥青.最后加入集料，两者混合后得到温拌沥青混合料.

3) Aspha-min温拌沥青混合料制备.首先将集料投至拌锅中，加热至140 ℃后，干拌1 min.然后在喷入SBS改性沥青的同时，加入Aspha-min温拌剂(质量分数为0.3%)和矿粉，拌和均匀后即可得到温拌沥青混合料.

4) PRLT温拌沥青混合料制备.首先将集料与矿粉分别预热至130 ℃，然后将PRLT(质量分数为5.0%)和集料放入拌和设备中干拌.在规定温度下拌和150 s后，加入改性沥青，进行拌和.最后加入矿粉拌合，制备得到PRLT温拌SBS改性沥青混合料.

2 结果与讨论

2.1 降温效果及能源消耗的量化分析

2.1.1降温效果

改性沥青与基质沥青在黏度特性和流变特性上存在着较大差异.若采用基质沥青常用的黏温曲线法确定改性沥青混合料的拌和温度与压实温度，最终得到的压实温度不够准确，且容易导致沥青路面老化现象加剧[10].为了确保改性沥青混合料的压实效果，笔者采用SGC旋转压实试验对不同温度下成型的混合料试件进行压实，用表干法及真空法分别测量混合料试件的毛体积相对密度及理论最大密度，计算不同压实温度条件下不同温拌剂混合料的孔隙率[11].以Superpave设计体系中规定的空隙率4%作为控制指标，最终确定SBS改性沥青混合料的压实温度，然后根据经验确定拌和温度.图2为改性沥青混合料空隙率随压实温度变化曲线.利用试件的空隙率和压实温度散点数据拟合压实温度-空隙率曲线如图3所示.其中SBS、S-SBS、A-SBS、LT-SBS和H-SBS分别为普通的热拌SBS改性沥青混合料、添加Sasobit温拌剂的SBS改性沥青混合料、添加Aspha-min温拌剂的SBS改性沥青混合料、添加PRLT的SBS改性沥青混合料和添加HH-XⅡ温拌剂的SBS改性沥青混合料.

图2 改性沥青混合料空隙率随压实温度变化曲线

由图3可知，4种温拌剂均能降低沥青混合料的压实温度.将空隙率为4%代入5种改性沥青混合料拟合函数中，得到的拌和温度与压实温度汇总于表2，其中温差为温拌沥青在拌合与压实过程中较普通改性沥青所降低的温度值.

图3 改性沥青混合料压实温度与空隙率关系拟合曲线

表2 SBS改性沥青混合料拌和温度与压实温度 ℃

分析表2中数据可知，相较传统热拌沥青混合料的拌和温度与压实温度，S-SBS、A-SBS、H-SBS和LT-SBS沥青混合料的拌和温度均值与压实温度均降低约11、16、20和27 ℃，降温效果由小到大依次为S-SBS、A-SBS、H-SBS和LT-SBS.可见温拌剂Sasobit对SBS改性沥青混合料的降温效果最差，PRLT对SBS改性沥青混合料的降温效果最好.其原因在于温拌剂能够显著降低沥青黏度，从而使得沥青混合料在较低温度下进行拌和.其中Sasobit温拌剂与沥青混合后，温拌剂分子游离至沥青质与胶质分子间，三者形成新的分子基团，沥青分子的高层次系统解体转化为低层次系统，释放出原本覆盖在沥青胶团结构中的饱和分，增加了结构的分散度，改善了沥青流动性，最终达到降黏效果.Aspha-min属于人工沸石类温拌剂，将温拌剂与沥青、热集料混合时，Aspha-min中含有的结晶水通过结构中相互连通的通道挥发出水蒸气，降低了沥青混合料的拌和温度与压实温度.HH-XⅡ温拌剂主要是通过其分子中的疏油基团和亲油基团分别与沥青分子相结合，降低其表面张力达到降黏效果，最终增加混合料的施工和易性.PRLT外加剂的软化点较低，当外界温度升高时，其会逐渐融化，并产生流动，其润滑作用产生的泡沫能够填充至混合料的间隙，降低混合料黏度，使得添加PRLT的沥青混合料成型试件要求的温度较低，因此LT-SBS的拌和温度最低，降温效果最显著.

综上可知，在温拌剂作用下，SBS改性沥青混合料的施工温度明显降低，其摊铺温度降低大大延长了施工时间.同时，摊铺温度较低时缩短了其冷却时间，减少交通封闭时间，对道路工程建设意义重大.

2.1.2能源消耗量化分析

结合表2中沥青混合料的拌和温度与压实温度数据，采用热力学方程式(1)计算上述沥青混合料降低的能耗量，即

Q=cmΔt，

(1)

式中：Q为降低的能耗量，kJ；c为混合料比热容，KJ·(kg·℃)-1；m为混合料质量，kg；Δt为降低的温度，℃.

文献[12]提出了一种沥青混合料生产过程的能源消耗量化计算方法，计算节省的燃油量结果如表3所示.由表3可知，4种温拌剂节约燃油量由大到小分别为LT-SBS、H-SBS、A-SBS和S-SBS，与降温效果的排序相同，这是因为在制备沥青混合料过程中主要的耗能环节是材料加热过程.采用SBS改性沥青作为生产原材料时，相比热拌沥青混合料，降温幅度最大的PRLT温拌沥青混合料可以节约燃油量0.544 kg，节省能耗较多，可以大幅降低路面铺筑过程中的能源消耗.

表3 不同温拌沥青混合料节能效果对比

2.2 试验结果

温拌技术降黏机理主要是在确保沥青混合料能在较低温度下施工的同时，仍然能够进行充分压实，但不能对沥青混合料各项性能产生不利的影响.为了考察各类温拌剂对沥青混合料性能的影响，分别对其高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性进行试验，分析温拌剂的影响及其原因，并给出其适用范围.

2.2.1高温稳定性

采用车辙试验来评价混合料的高温稳定性，评价指标为动稳定度.车辙试验的条件为60 ℃、0.7 MPa，计算动稳定度的时间为试验开始后的50 min.动稳定度是指沥青混合料在60 ℃的高温条件下每产生1 mm变形所能够承受标准轴载的行走次数.动稳定度试验结果见图4.

图4 车辙试验动稳定度

由图4可知，5种类型改性沥青混合料的动稳定度均满足JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求，动稳定度从小到大依次为LT-SBS、H-SBS、A-SBS、SBS和S-SBS.由此可见S-SBS沥青混合料的动稳定度最大，抗车辙性能最优.原因可能是当温度较高时，Sasobit温拌剂与沥青中的蜡相互作用，形成稳定且不会离析的温拌沥青溶液.当温度低于Sasobit熔点时，温拌沥青内部发生结晶作用形成空间网状结构，从而使得其软化点和黏度升高，而针入度和延度下降，因此其高温稳定性优异，适用于高温重载地区.LT-SBS、H-SBS和A-SBS混合料的动稳定度均低于热拌SBS改性沥青混合料，这3种温拌混合料的动稳定度较热拌沥青混合料降低幅度分别为36.2%、13.2%和5.7%.可见LT-SBS对SBS改性沥青混合料的抗车辙性能损害最大，不利于在高温地区使用.分析可能是因为温拌剂的加入降低了沥青的高温黏度，使得沥青与石料间的黏附性变差，从而使得混合料高温稳定性降低.

2.2.2低温抗裂性

在温度较低的北方地区，路面容易出现裂缝，严重影响了道路的耐久性，因此有必要对沥青混合料的低温抗裂性进行评价.混合料的低温抗裂性采用最大弯拉应变作为评价指标.沥青混合料的最大弯拉应变越大，低温柔韧性越好，抗裂性能越好.采用低温弯曲试验方法，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm·min-1.抗弯拉强度、最大弯拉应变和劲度模量的试验结果如表4所示.

表4 不同SBS沥青混合料低温性能试验结果

由表4可知：添加HH-XⅡ温拌剂后温拌混合料的最大弯拉应变相较于热拌混合料降低了5.3%，主要是因为HH-XⅡ温拌沥青的延度较低，导致沥青混合料的低温抗裂性不佳；Sasobit温拌混合料与热拌SBS改性沥青混合料的最大弯拉应变十分接近，可以认为其对混合料低温抗裂性几乎没有影响；温拌剂Aspha-min和PRLT加入温拌沥青混合料后，最大弯拉应变提高了7.3%和5.1%，可见低温抗裂性改善效果十分显著，原因是这两种温拌剂均能够显著降低结合料的老化，增加沥青延度，从而改善SBS改性沥青低温柔韧性，从而提高混合料的低温抗裂性，因此可以用于北方严寒地区.

2.2.3水稳定性

沥青混合料的水稳定性采用浸水条件下沥青混合料物理力学性能的变化来表征.因此笔者采用浸水马歇尔试验得出的残留稳定度和浸水汉堡车辙试验得到的剥落点作为评价指标，评价不同温拌改性沥青混合料的水稳定性.浸水马歇尔试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》.采用美国PMW汉堡车辙仪进行浸水汉堡车辙试验.试件成型选用圆柱形模具，在水浴温度为60 ℃，加载频率为5.2×10-5Hz，频率变化范围为3.6×10-5～7.0×10-5Hz，固定车辙深度为20 mm条件下,模拟行车荷载对沥青混合料的耐久性.

图5为沥青混合料浸水马歇尔试验结果对比.浸水马歇尔残留稳定度表征沥青混合料经受水损害时抵抗剥落变形的能力，其值越大，说明沥青混合料的水稳定性越好.由图5可知：5种沥青混合料残留稳定度由大到小的顺序为LT-SBS、H-SBS、S-SBS、SBS和A-SBS，说明PRLT、HH-XⅡ及Sasobit这3种温拌剂显著提高了SBS改性沥青混合料的水稳定性；A-SBS与热拌SBS改性沥青混合料的残留稳定度比较接近，仅相差0.6%，两者的水稳定性相当，因而A-SBS不会对改性沥青混合料的水稳定性产生影响.

图5 浸水马歇尔试验结果对比

图6为沥青混合料浸水汉堡车辙试验结果对比.剥落点为沥青混合料在轴载作用下开始产生剥落时对应的荷载作用次数，其值越大，说明混合料水稳定性越强.

图6 浸水汉堡车辙试验结果

由图6可知，5种沥青混合料在试验过程中均产生剥落现象，按照剥落点由大至小的顺序依次为LT-SBS 、H-SBS 、S-SBS、SBS和 A-SBS，与浸水马歇尔试验排序一致.其中PRLT的加入能够降低改性沥青中的油分含量，增加沥青的黏度，从而改善了沥青混合料的水稳定性.人工合成沸石Aspha-min温拌剂的作用机理主要是基于降黏技术，因此A-SBS混合料的剥落点最小，水稳定性最差，不建议用于南方多雨地区或者北方季冻区.

2.3 基于灰色关联分析法的温拌效果分析

2.3.1灰色关联理论

灰色关联分析法是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度作为衡量因素间关联度的一种方法[13].操作步骤如下：

1) 数据的收集与分析.设n个数据形成比较序列Yi(j)={Yi(1)，Yi(2)，…,Yi(n)}，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n.Yi(j)指代第i个因素的第j个样本，m为因素数.

2) 对数据进行量纲一处理.为保证数据的准确性及结果的可靠性，采用均值法对数据进行量纲一处理.Xi(k)为处理后的样本，其均值法公式为

(2)

3) 关联度系数ξi(j)的计算.公式如下：

(3)

4) 关联度γi的计算.公式如下：

(4)

2.3.2温拌效果综合评价

为选取一种具有普遍适用性的温拌剂，采用灰色关联理论对4种温拌剂的温拌效果进行综合分析评价，分析指标包括降温幅度(Y1)、节约燃油量(Y2)、动稳定度(Y3)、最大弯拉应变(Y4)、残留稳定度(Y5)和剥落点(Y6).A0表示不同温拌类型的混合料最佳性能，A1表示SBS热拌改性沥青混合料，A2-A5分别表示掺加Sasobit、Aspha-min、HH-XⅡ和PRLT的沥青混合料.参考序列与对比序列如表5所示.按照式(2)-(3)进行量纲一处理后，计算得到关联度系数见表6.

依据式(4)和表6中数据，计算得到Sasobit、Aspha-min、HH-XⅡ和PRLT的关联度分别为0.783 3、0.769 2、0.820 0及0.928 6，关联度由小到大的顺序依次为Aspha-min、Sasobit、HH-XⅡ和PRLT.该结果表明：PRLT添加剂比其他温拌改性剂具有比较理想的降温节能效果及路用性能，特别是降温效果方面表现更佳；虽然PRLT添加剂在高温稳定性方面存在不足，但亦能很好地满足JTG E20—2011要求.

表5 参考序列与对比序列的分析指标

表6 关联度系数

3 结 论

1) 4种温拌剂的降温效果由大到小依次为PRLT、HH-XⅡ、Aspha-min 和Sasobit.其中PRLT的降温效果最好，并且能够大幅度降低能源的消耗.

2) 有机温拌剂Sasobit能够很好地改善SBS改性沥青混合料的高温稳定性，温拌沥青低温抗裂性和水稳定性较热拌SBS改性沥青混合料也有小幅提升，可推荐应用于高温重载地区；沸石类的Aspha-min能够改善SBS改性沥青混合料的低温抗裂性，适用于北方严寒地区；表面活性类的HH-XⅡ对混合料的高温稳定性、低温抗裂性均产生不利影响，但对水稳定性有利，考虑用于降雨量大的地区；低温成型高性能添加剂PRLT改善了SBS沥青混合料的水稳定性和低温抗裂性，对沥青混合料的高温稳定性产生一定影响，但仍满足规范要求，推荐用于北方季冻区.

3) 4种温拌剂在降温效果、节能降耗及路用性能等方面表现各不相同，通过灰色关联理论进行综合分析对比后，发现PRLT添加剂对SBS改性沥青混合料的温拌效果最好，且综合性能较好，具有普遍适用性.