温拌剂对泡沫温拌沥青性能的影响及微观表征研究

黄中文　胡隆

摘要：为研究液态温拌剂对沥青发泡过程的影响，文章采用发泡技术并加入温拌剂制备了泡沫温拌沥青，在123 ℃～163 ℃的温度范围内对其进行短期老化处理，研究施工过程中温度的降低对沥青的性能影响；采用发泡试验、黏度试验、多重应力与蠕变恢复（MSCR）试验以及红外光谱（FTIR）试验评价温拌沥青的性能表征与微观机理。试验结果表明：发泡技术使得沥青的高温稳定性下降，而温拌剂可改善其老化温度敏感性；发泡技术和温拌剂的综合使用不会对沥青高温性能产生负面影响，还能降低其黏度来改善混合料的施工和易性。同时，FTIR试验表明，未发现发泡工艺对沥青的化学结构有明显影响。

关键词：道路工程；泡沫温拌沥青；流变性能；短期老化；红外光谱

0引言

基于绿色、耐久的沥青路面建设背景下，温拌沥青（WMA）技术在沥青路面施工的应用已成为研究热点［1］。一般来说，WMA技术的原理是降低沥青的黏度，从而降低沥青混合料的拌和与压实温度，施工温度的降低也有助于减少建设过程中的能源消耗和废气排放［2］。在此过程中，应确保WMA技术的应用不会损害沥青混合料的路用性能，且保证沥青与集料的粘附性良好。

发泡工艺是一种较为成熟的WMA技术，通过发泡机在一定温度范围内制备温拌沥青，但通常需要使用抗剥落剂来保证沥青与集料的粘附性［3-4］。因此，可以考虑使用发泡工艺并结合其他技术改善泡沫温拌沥青的性能缺陷，即通过将水添加到沥青中形成多相泡沫体系，在此过程中沥青的体积增加，并采用抗剥落剂增强沥青与集料的粘附性，同时由于泡沫中的沥青膜厚度减少，促进了沥青基体的剪切稀化机理，使沥青的黏度下降从而提高施工和易性［5］。近年来的研究结果表明，发泡工艺对沥青性能的影响往往相互矛盾，特别是在老化过程后的结果存在差异性［6］。同时，目前的研究很少从短期老化和高温性能的角度研究泡沫温拌沥青的性能，而这对促进WMA沥青混合料技术发展是至关重要的。

综上所述，基于发泡工艺和液态温拌剂的综合使用，应研究二者的协同作用对泡沫温拌沥青的性能影响。温拌剂的添加可以起到抗剥离剂的作用，进一步改善泡沫温拌沥青的性能。本文通过降低短期老化温度来模拟WMA混合料的施工过程，并对泡沫温拌沥青的高温性能和老化特性进行了一系列试验，研究了含液态温拌剂的泡沫温拌沥青的性能表征。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

选用70#A级道路石油沥青作为基质沥青，其主要技术指标见表1。液态温拌剂选择湖南某公司生产胺类温拌剂，添加量为沥青重量的0.5%。如表2所示为温拌剂的基本特性指标。

1.2 泡沫温拌沥青的制备

将流动态的基质沥青倒入到预热的WLB-10S发泡机中，发泡机的参数设置：水压为500 kPa；气压为400 kPa；沥青温度为155 ℃；用水量为沥青重量的1.5%～3.5%［7］。将温拌剂与沥青共同混合在发泡机中，当沥青达到发泡温度（155 ℃）后开始进行发泡过程，约15 min后停止，并倒入玻璃容器中在室温下冷却。为方便描述不同类型的沥青试样，将本次试验制备的沥青试样加以区分，结果如表3所示。

1.3 沥青性能试验

采用旋转薄膜烘箱试验对沥青试样进行短期老化，并将老化温度分别设置为123 ℃、133 ℃、143 ℃、153 ℃和163 ℃。沥青试样的质量为35g±0.5 g，总加热时间为85 min。采用沥青膨胀率和半衰期作为指标来研究沥青的发泡效果；采用针入度、软化点、布氏黏度作为指标来研究沥青的物理性能。同时，基于64 ℃的多重应力与恢复试验，将不可恢复蠕变柔量作为性能指标，由于泡沫温拌沥青缺乏弹性性质，未对恢复率进行计算。采用红外光谱（FTIR）试验研究了短期老化对泡沫温拌沥青的性能影响，通过计算老化特征官能团（亚砜基和羰基）来评价沥青的化学特性，量化分析了沥青发泡工艺与温拌剂对沥青老化性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 发泡特性

基于沥青的膨胀率和半衰期的计算，评价了温拌剂对基质沥青发泡特性的影响，得到了沥青的膨胀率和半衰期随用水量的变化曲线，并采用线性拟合建立发泡特性与用水量之间的关系模型，见图1。

由图1可知，温拌剂对基质沥青的膨胀率影响不大，而对沥青的半衰期有较大的影响。70A与70A-W的发泡特性差异主要表现在后者的半衰期较低，在其用水量范围内为8～15 s。温拌剂的添加导致沥青发泡稳定性提高，而沥青发泡属于复杂的热力学过程，在所有发泡用水量范围内的沥青半衰期均明显降低。基于这些结果和获得的发泡特性，选择2.5%的发泡用水量用于后续试验的泡沫温拌沥青制备，无论是否使用温拌剂，该发泡水用水量可使沥青具有相近的发泡特性。

2.2 常规性能试验

对发泡前后的未老化沥青进行针入度、软化点和黏度试验，试验结果如表4所示。由表4可知，温拌剂的引入和发泡工艺均对沥青的针入度、软化点和黏度有所影响。发泡处理后沥青的针入度增加、软化点降低，而加入温拌剂后可以在一定程度上弥补其高温性能的衰减。

沥青的布氏黏度是衡量其流动阻力的指标，可用于评价沥青混合料的施工和易性。由表4可知，发泡工艺或使用温拌剂均会降低沥青的黏度，且同时采用两种方法能将其降黏效应最大化。黏度试验结果表明，由于泡沫温拌沥青的自发泡过程和试验旋转过程中的体积膨胀，发泡工艺和温拌剂的综合使用可以在拌和与压实温度下显著降低沥青黏度。然而，应该重视的是70A-W黏度的降低可能仅是因温拌剂化学作用的影响，这种温拌剂的长期使用性能仍需要進一步的研究。

2.3 高温性能试验

如图2所示为沥青试样的不可恢复蠕变柔量（Jnr）随短期老化温度的变化规律曲线。由图2可知，发泡工艺使沥青的Jnr与老化温度拟合曲线的斜率降低，当老化温度较高时，70A-P的Jnr值与70A相比更低，即发泡后沥青的老化温度敏感性提高。这种老化温度敏感性可能与沥青类型有关，其影响程度还有待后续研究。由图2还可以发现，将老化温度从123 ℃增加到163 ℃时，沥青试样的Jnr减少近50%，即老化温度的增加使沥青Jnr值降低，沥青的抗车辙性能提高，而这也意味着老化后的硬化沥青不利于其施工和易性。综上所述，发泡处理对沥青的高温性能具有不利的影响，而通过添加温拌剂可以降低发泡后沥青的温度敏感性。

2.4 FTIR试验

羰基指数和亚砜基指数能表征有机物的老化程度，研究二者对于揭示沥青试样在微观水平上的化学组成至关重要，计算方式如表5所示。根据沥青试样的FTIR试验结果，确定了羰基指数和亚砜基指数的定量分析结果，如图3所示为本次试验的163 ℃短期老化前后沥青的羰基指数与亚砜基指数。

由图3可知，沥青的特征官能团指标（羰基和亚砜基）变化的主要原因是短期老化。短期老化使沥青的羰基指数显著提高约550%～650%，而沥青的亚砜基指数变化较小，约为老化前的35%～95%。换言之，FTIR试验中羰基官能团的变化主要受老化的影响，沥青羰基指数的显著变化是由于该指数在老化前的沥青试样中数值很低，而发泡工艺和温拌剂对于沥青的亚砜基官能团影响不大。结果表明，未老化沥青的羰基指数和亚砜基指数经发泡处理增加，表明在沥青中形成了更强的粘附结构网络。同时，短期老化后基质沥青和泡沫温拌沥青的官能团老化指标相近，这意味着经过短期老化，70A-P中存在的水分和挥发物的影响有所降低，70A-P的分子结构与70A-WP相似。FTIR试验中的老化指数与MSCR研究结果一致，即沥青试样在短期老化后比未老化沥青更硬。沥青的氧化和硬化是沥青降解的关键因素，会导致沥青发生疲劳和低温开裂等病害，因此也需要更多的试验来全面研究老化影响泡沫温拌沥青的性能表征。

3 结语

（1）沥青经发泡工艺处理后黏度降低，而在拌和与压实温度范围内，沥青经过发泡工艺和温拌剂的综合作用也会使沥青黏度显著降低。

（2）MSCR试验结果表明，发泡工艺降低了沥青的高温稳定性，而温拌剂改善了沥青的老化温度敏感性。

（3）在短期老化后，泡沫温拌沥青的亚砜基指数增长幅值不大，且温拌剂的加入进一步抑制了与氧化老化产物形成相关的亚砜基指数增加，而其对羰基指数的影响较小。

（4）后续应研究发泡工艺和液态温拌剂对长期老化和紫外老化后沥青的性能影响，还应验证黏度降低对含液态温拌剂的泡沫温拌沥青施工和易性的影响。

参考文献：

［1］郑炳锋，吉增晖，黄 毅，等.泡沫温拌橡胶沥青混合料施工能耗与碳排放测算［J］.公路，2022，67（2）：16-23.

［2］李 包，李 宁，陈 晨，等.泡沫沥青对热拌沥青混合料路用性能的影响［J］.中外公路，2022，42（5）：178-183.

［3］刘圣洁，谢政专，彭爱红.泡沫温拌沥青的玻璃态转变温度及低温性能［J］.深圳大学学报（理工版），2021，38（2）：163-169.

［4］马在宏，吉增晖，黄 毅，等.泡沫温拌-橡胶沥青混合料压实温度试验研究［J］.公路，2020，65（10）：279-285..

［5］廖维太，任国斌.泡沫温拌沥青水分散失特性研究［J］.中国建材科技，2020，29（3）：46-48.

［6］李 瑞.老化對泡沫温拌沥青混合料性能的影响［J］.材料科学与工程学报，2019，37（1）：149-154.

［7］温彦凯，郭乃胜，王 淋，等.泡沫温拌沥青胶浆的流变特性及微观机制分析［J］.材料导报，2020，34（10）：10 052-10 060.

作者简介：黄中文（1981—），高级工程师，主要从事公路建设监督管理工作。