温拌橡胶改性沥青混合料性能研究

王立志，王承献，王鹏，梁槚

（1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101；2.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）

温拌橡胶改性沥青混合料性能研究

王立志1，王承献1，王鹏1，梁槚2

（1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101；2.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）

温拌沥青混合料具有热拌沥青混合料的路用性能优异和冷拌沥青混合料的节能环保等优点，其温拌技术逐渐成为业内研究的热点。文章采用自主研发的APTL温拌剂和稳定型橡胶改性沥青为原材料制备温拌沥青混合料，研究了温拌橡胶改性沥青混合料的毛体积相对密度和孔隙率，分析了 APTL浓缩液的稀释比例、温拌剂掺量以及温拌橡胶改性沥青混合料的降温幅度，通过对温拌沥青混合料和热拌沥青混合料路用性能的差异比较，阐明了 APTL温拌剂的温拌效果。结果表明：APTL浓缩液的稀释比例为10%和温拌剂掺量为10%时，混合料的孔隙率最小；APTL温拌剂可使马歇尔击实成型和旋转压实成型的混合料集料加热温度分别降低了40和60℃，且不会对混合料的路用性能造成显著影响。

沥青混合料；APTL温拌剂；橡胶改性沥青；温拌沥青混合料；热拌沥青混合料

0 引言

随着我国公路事业的迅速发展，热拌沥青混合料HMA（Hot Mix Asphalt）因其优异的路用性能成为主流的道路铺装技术。然而，HMA在拌和、运输及摊铺过程中会消耗巨大的能量，同时释放出大量有害气体，不仅严重污染环境，也威胁施工人员的身体健康［1-2］。在转变交通增长方式、落实环保政策的背景下，温拌技术应运而生，以期解决HMA高能耗、高污染的问题。

温拌沥青混合料WMA（Warm Mix Asphalt）技术，是指通过一定的措施，使沥青混合料能在相对较低的温度下进行拌和及施工，性能达到（或接近）热拌沥青混合料的技术。沥青混合料温拌技术主要有三种：沥青发泡技术、有机降粘技术和基于表面活性平台的温拌技术。沥青发泡技术可能对混合料低温和水稳定性等路用性能造成影响［3-5］；有机降粘技术开发成本高且损伤沥青低温性能［6-8］；基于表面活性平台的温拌技术一般不影响混合料的路用性能，且降温幅度通常可达30℃以上，因而成为温拌技术的研究热点［9］。表面活性剂具有固定的亲水亲油基团，可以在液体表面定向排列。向沥青混合料中加入适宜的表面活性剂，能够显著降低沥青的表面张力，使沥青在较低生产施工温度下仍具有较小的高温粘度，从而有利于沥青在集料表面的铺展，达到降低沥青混合料施工温度的目的。

APTL温拌剂是基于表面活性技术的产品，其有效成分是一种醇胺类表面活性剂，表观状态为乳白偏黄色粘稠液体，其分子由亲油基和亲水基组成，能在沥青混合料拌和时形成润滑性结构水膜，从而降低沥青混合料的拌和及压实温度。试验采用自主研发的 APTL温拌剂，以稳定型橡胶改性沥青为本体沥青，研究 APTL对本体沥青的影响；根据已有成功案例选取代表性 AC-13型沥青混合料对 APTL温拌橡胶改性沥青混合料进行室内评价，以混合料体积指标毛体积相对密度γf和孔隙率VV确定APTL浓缩液的稀释比例、掺量以及不同压实方式下（马歇尔击实和旋转压实）温拌橡胶改性沥青混合料成型过程中温度控制范围；通过车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验、四点弯曲疲劳试验分析比较橡胶改性沥青 WMA和 HMA高温性能、低温性能、水稳定性和疲劳性能的差异，对APTL温拌剂的温拌效果进行评价。

1 材料与方法

试验采用的橡胶改性沥青遵照稳定型橡胶改性沥青的技术要求进行质量控制，其主要技术指标见表1。

表1 橡胶改性沥青技术指标

集料选用福建地区优质石料，采用石灰岩磨细矿粉作填充料，其技术指标均满足规范的技术要求。结合已有成功工程案例，采用由马歇尔设计方法确定的AC-13级配组成及最佳沥青用量，其配合比设计见表2。

表2 AC-13配合比设计表

文中相关试验均参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。为确保数据的可靠性，试验过程中同等条件下均进行多次重复试验取其平均值，若出现离散性较大的试验，则剔除该次试验，重新进行。

2 结果与分析

2.1 APTL浓缩液的稀释范围

表面活性剂和水作为实现温拌必不可少的两个条件，二者共同作用确保拌和过程中形成润滑水膜结构。纯净的 APTL是粘稠的液体，为确保温拌剂的均匀性和流动性，按要求使用纯净水对 APTL温拌剂浓缩液进行稀释，稀释比例分别为 5%（浓缩液：水=5：95，下同）、8%、10%、12%、15%和18%时溶液的状态图如图1所示。

图1 稀释比例对温拌剂溶液状态的影响图

由图1可以看出，当稀释比例小于10%时，温拌剂稀释液具有良好的流动性和分散性。随着稀释比例的增加，温拌剂溶液越来越粘稠，流动性逐渐变差。根据界面化学理论，表面活性剂的界面活性与其浓度有关。水是一种强极性液体，当表面活性剂溶于水中时，亲水基有进入水中的倾向，疏水基（亲油基）则有逃离水而伸向空气中的倾向，结果使得表面活性剂分子在水表面发生聚集（也就是常说的表面活性剂在界面的吸附），当表面吸附达到饱和时，继续增大表面活性剂的浓度，就会在溶液中形成多种多样的缔合结构，包括各种形态的胶团、囊泡、液晶和微乳等，这些缔合体系使得溶液中存在无数的疏水微区。根据相似相溶原理，这些微区可增溶有机物质。因此，在一定程度上增加表面活性剂的含量是有益的，但如果浓度过大，就会影响溶液的流动性，表面活性剂就难以完全发挥作用从而造成浪费。可以看出，当浓缩液：水=12：88时，溶液已经较为粘稠，对沥青混合料拌和时水膜润滑结构的形成是不利的。因此表面活性剂的含量应该控制在合理的范围内，推荐温拌剂稀释比例为10%。

2.2 APTL对沥青性质的影响

向橡胶改性沥青中加入10%的 APTL温拌剂稀释液，其稀释比例为5%，考察温拌橡胶改性沥青三大指标、粘度特性及旋转薄膜烘箱 RTFOT老化后沥青残留物的延度变化，并与原始沥青样本进行对比。温拌橡胶改性沥青的制备方法是：将橡胶改性沥青加热至流动状态，在恒定温度下，将APTL温拌剂稀释液加入到热沥青中，保持温度150℃左右，加热试样至质量不再变化时判定为温拌剂中的水分已蒸发完全，所得即为温拌橡胶改性沥青。温拌橡胶改性沥青的相关指标试验结果见表3，添加 APTL的温拌橡胶改性沥青与原样橡胶改性沥青的粘度对比图如图2所示。

表3 添加 APTL的温拌橡胶改性沥青的指标对比

图2 添加 APTL的温拌橡胶改性沥青与原样橡胶改性沥青的粘度对比图

由表3和图2可以看出，与原样沥青相比，掺加了 APTL的温拌橡胶改性沥青的三大指标（针入度、软化点和延度）略有变化，变化量均在试验误差范围内；经过 RTFOT短期老化后的温拌沥青的延度值较原样沥青变化了1个单位，可认为两种沥青的三大指标基本保持一致。随着温度的提高，两种沥青的粘度值逐渐降低，但在相同温度下，温拌沥青与原样沥青粘度值基本相当。说明在橡胶改性沥青中加入 APTL温拌剂不会对沥青的技术性质造成实质性影响。

2.3 APTL温拌沥青混合料组成设计

结合已有成功工程案例，采用马歇尔设计方法确定的热拌沥青混合料 AC-13的级配组成及其最佳沥青用量（配合比设计见表2），以混合料体积指标作为控制参数，确定 APTL温拌剂的稀释比例及其在沥青混合料中的掺量；对比马歇尔击实法和旋转压实法对温拌降温效果的影响，给出温拌沥青混合料拌和温度控制范围。其中，APTL温拌剂稀释液添加方式如图3所示。

图3 APTL温拌剂稀释液添加方式示意图

2.3.1 APTL稀释比例确定

鉴于马歇尔击实法在我国的应用范围较广，且研究表明相同条件下旋转压实比马歇尔击实可获得更好的压实度［10］，因此在温拌剂掺量选择过程中只需采用马歇尔击实法成型试件即可。试验过程中混合料拌和及成型温度控制参数见表4。

表4 沥青混合料室内拌和及成型温度参数值／℃

配制稀释比例为5%、8%和10%的温拌剂稀释液，稀释液掺量为 10%（以沥青质量计），考察稀释比例对沥青混合料毛体积相对密度 γf和空隙率 VV的影响。试验结果如图4所示，其中稀释比例0%是指同批次下 HMA的试验数据。

图4 APTL温拌剂稀释比例对混合料体积指标的影响图

可以看出，在试验稀释比例范围内，WMA的 γf和 VV与温拌剂稀释比例大致呈现直线关系，且WMA的 γf和VV保持良好的一致性。稀释比例为10%时，WMA的γf为2.396，VV为4.78%，与HMA的 γf和 VV大致相当。结果表明 APTL浓缩液稀释比例为10%时混合料的孔隙率最小。

2.3.2 温拌剂稀释液掺量确定

在推荐APTL浓缩液稀释比例10%条件下，考察温拌剂掺量分别为10%、15%及20%（以沥青质量计）时对混合料 VV和 γf的影响，结果如图5所示，其中稀释比例 0%的数据为同批次HMA数据。混合料拌和及成型过程中温度控制参数见表4。

图5 APTL温拌剂掺量对混合料体积指标的影响图

如图5所示，随着 APTL稀释液掺量的增加，WMA的 γf逐渐降低，而 VV逐渐增大。当温拌剂稀释液掺量为20%时，混合料的VV已达到6.62%，超过HMA规范［11］要求的孔隙率上限6%，说明此时稀释液掺量过大，已经对压实效果造成不利影响。究其原因，温拌剂 APTL的加入虽然可以在沥青内部形成具有润滑功能的结构水膜而有助于集料骨架结构的形成和混合料的压实，但是加入过多的温拌剂稀释液，水分蒸发带走过多热量，从而影响压实效果。因此，为确保沥青混合料的有效压实，推荐温拌剂稀释液的掺量为10%。

2.3.3 拌和及压实温度范围确定

沥青是一种粘弹性材料，其自身性能跟温度有很大关系，确定WMA的压实温度是非常重要的。混合料的压实方式也会对混合料的压实效果造成一定影响，故分别研究马歇尔击实法和旋转压实法下的降温幅度［12］。集料作为沥青混合料热量的主要供应者，对WMA的压实温度起着决定性作用，因此以集料加热温度降低幅度作为 WMA的降温幅度，并以此确定室内 WMA的拌和及压实温度控制范围。

（1）马歇尔击实法

采用推荐温拌剂稀释比例10%和推荐掺量10%（以沥青质量计），集料加热降温幅度0～40℃，分别拌制WMA及直接降低温度的空白样HMA，比较两者γf和 VV随降温幅度 ΔT的变化情况。图6给出直接降温的HMA（不加入APTL的空白试验）和WMA的γf和 VV随集料降温幅度的变化情况，其中 HMA中ΔT=0时是正常的热拌数据，空隙率控制在4.5%左右。

图6 马歇尔击实法混合料体积指标随降温幅度 ΔT的变化趋势图

稳定型橡胶改性沥青粘度相对较大，直接降温40℃的 HMA拌和出料已相对松散，胶结料的粘结作用不明显，在马歇尔击实时有的试件已不能成型，出现缺角现象。图6表明，无论HWA还是WMA，其 γf均随着 ΔT的增加而降低，并且相同降温幅度情况下WMA的 γf一直大于直接降温的HMA；无论HWA还是 WMA，其 VV均随着 ΔT的增加而升高，并且相同降温幅度情况下 WMA的 VV一直小于直接降温的HMA。另外，WMA的 γf和VV随 ΔT的变化趋势较为平缓，而 HMA的 γf和 VV随着 ΔT的增加变化速率不断加快。当降温幅度到达40℃时，直接降温的HMA的VV已经达到7.74%，远远超过了规范中 AC类沥青混合料空隙率不超过6%的要求；而此时加入了APTL的WMA孔隙率只有5.29%，仍然符合热拌沥青混合料的规范要求，说明 APTL的确改善了稳定型橡胶改性沥青在拌和及压实过程中的润滑作用，有利于混合料的压实。因此，对于 AC类混合料，若采用马歇尔击实法进行室内试验，采用APTL作为温拌剂时，稳定型橡胶改性沥青混合料的集料加热温度至少可降低40℃。

（2）旋转压实法

虽然马歇尔击实法是公认的沥青混合料设计方法之一，但是通过马歇尔击实法得到的沥青混合料各项指标难以真实地表征实际路面使用状态下的性能。Superpave设计方法的成型过程采用旋转压实仪（SGC）搓揉成型，力图将混合料试件压实到实际路面的气候和荷载作用下所达到的密实度。许多研究文献中均建议在WMA设计中采用旋转压实法成型试件，而在缺少旋转压实仪时，室内成型仍可按照马歇尔试验来制备，但应适当提高成型温度［13-14］。鉴于此，基于马歇尔击实温度控制范围，采用旋转压实法研究集料加热温度降低40～60℃时WMA的压实情况。

图7为旋转压实法下橡胶改性沥青HMA和WMA的 γf和VV随 ΔT的变化趋势，其中 HMA中ΔT=0的数据为正常热拌数据。

图7 旋转压实法混合料体积指标随降温幅度 ΔT的变化趋势图

由图7可以看出，随着 ΔT增加，直接降温的HMA的 γf逐渐减小，VV逐渐增大，且变化幅度较大；而对于加入 APTL温拌剂的 WMA，无论 γf还是VV的变化都很缓慢。当集料降温45℃时，WMA的VV仍比常规 HMA要低；降低50℃时 WMA空隙率大致与常规HMA相当；而降低60℃时，WMA的VV也只有4.77%，其增长幅度仅为1.25%，完全满足常规HMA孔隙率的要求，而直接降温的HMA的VV已达到 6.32%，其增长幅度达 2.05%，已超出了HMA规范的要求。因此，对于 AC类混合料，若采用旋转压实法进行室内试验，采用APTL作为温拌剂时，稳定型橡胶改性沥青混合料的集料加热温度至少可降低60℃。

2.4 温拌橡胶改性沥青混合料 WMA技术性能分析

为了确定APTL的温拌效果，通过车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验和疲劳试验分析验证WMA的路用性能。混合料拌和及压实温度控制条件见表5。其中，APTL温拌剂稀释比例及掺量均采用前文的推荐值。

表5 沥青混合料室内性能试验温度控制条件／℃

车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验和四点弯曲疲劳试验的试验结果见表6。

表6 WMA和 HMA路用性能技术指标对比

车辙试验中以动稳定度表征混合料的高温抗车辙性能，由表6可知，加入 APTL温拌剂后 WMA的动稳定度为 5157，要高于 HMA的动稳定度 4485。对温拌沥青混合料而言，在压实过程中 APTL温拌剂在沥青内部形成水膜结构，增加了沥青的润滑作用，有助于骨料在压实过程中调整骨架结构，提高沥青混合料高温抗剪强度。因此，在集料加热温度降低40℃的情况下，WMA仍然具有比常规 HMA更好的高温稳定性。

低温弯曲试验中以破坏应变表征混合料的低温拉伸性能，由表 6可知，橡胶改性沥青HMA与WMA的破坏应变基本相当，HMA的破坏应变值为2660，而WMA的为2652，均满足规范中冬冷区和冬温区对沥青混合料破坏应变的要求［11］。说明 APTL的加入并没有对混合料的低温抗裂性造成影响。

冻融劈裂试验中以残留强度比表征混合料的水稳定性，由表6可知，WMA和HMA的残留强度比均满足 HMA相关规范［11］残留强度比不小于 80%的要求［11］，且 WMA的残留强度比较 HMA略有提高，说明WMA比HMA具有更好的水稳定性，其原因可能是 APTL的润滑作用使沥青更容易铺展更充分的裹附集料，从而沥青膜与集料粘结更牢固不易剥离。

四点弯曲疲劳试验中以疲劳寿命表征混合料的疲劳性能，由表6可知，WMA的疲劳寿命为 23390，优于HMA的疲劳寿命21589，究其原因，是由于加入 APTL后，WMA的拌和温度比 HMA降低了40℃，降低了沥青在拌和过程中的短期老化程度，使得沥青胶结料具有较好的疲劳特性。这也与国内外研究中温拌沥青混合料疲劳性能优于热拌的结论相 吻合［15-16］。

综上所述，在集料加热温度降低 40℃的情况下，相比较热拌沥青混合料，APTL温拌橡胶改性沥青混合料的路用性能并没有降低，动稳定度和疲劳寿命反而有一定程度的提高，完全满足当前热拌沥青混合料规范要求。说明APTL温拌剂可以显著降低混合料的生产施工温度而不对其路用性能造成不利影响。

3 结论

通过上述分析可知：

（1）APTL温拌剂由 APTL浓缩液和水组成，通过混合料体积指标分析，APTL浓缩液的稀释比例为10%和温拌剂掺量为10%（以沥青质量计）时，混合料的孔隙率最小。

（2）采用马歇尔击实法进行设计时，温拌橡胶改性沥青混合料的集料加热温度可降低40℃；采用旋转压实法进行设计时，温拌橡胶改性沥青混合料的集料加热温度可降低60℃。

（3）APTL温拌剂不会对橡胶改性沥青及其混合料的技术指标造成显著的影响。在集料加热温度降低40℃时，温拌橡胶改性沥青混合料的低温性能与热拌沥青混合料基本持平，而其高温性能、水稳定性和疲劳性能均优于热拌沥青混合料。

［1］ 李君强，王立志，徐强.温拌沥青混合料施工质量与减排效果测试分析［J］.山东建筑大学学报，2014，29（3）：246-249.

［2］ 陈俊彦.高温对传统热拌橡胶沥青混合料的影响［J］.山西交通科技，2013（6）：51-53.

［3］ 杨通明.Aspha-min温拌橡胶沥青混合料路用性能试验研究［J］.公路交通技术，2014（3）：23-27.

［4］ Wang C.，Hao P.W.，Ruan F.，et al..Determination of the production temperature of warm mix asphalt by workability test ［J］.Construction and Building Materials，2013（48）：1165-1170.

［5］ Shao W.D.，Shan S.L..The effect of different warm additives on performance properties of HMA［J］.Applied Mechanics and Materials，2012（178）：1369-1372.

［6］ Qin Q.，Farrar M.J.，Pauli A.T..Morphology，thermal analysis and rheology of Sasobit modified warm mix asphalt binders ［J］.Fuel，2014（115）：416-425.

［7］ 姚城熙，徐波，于新.Sasobit在 SMA沥青混合料中的应用研究［J］.华东交通大学学报，2014（4）：16-20.

［8］ 杨波，张幸杰，李占军.2种温拌沥青路用性能对比分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2014（4）：128-131.

［9］ 黄文元，秦永春.沥青温拌技术在国内外的应用现状［J］.上海公路，2008（3）：1-4.

［10］王伟，孟庆营，陈仲良，等.基于GTM设计方法的AC-13C型沥青混合料应用研究［J］.公路交通科技（应用技术版），2011 （5）：95-98.

［11］JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［12］张永平.旋转压实和马歇尔击实试件体积特性差异的试验研究［J］.城市道桥与防洪，2012（6）：291-293.

［13］郭平，祁峰，弥海晨.温拌沥青混合料的路用性能［J］.长安大学学报（自然科学版），2010（3）：10-13.

［14］吴超凡，钟梦武，黄开宇，等.用旋转压实设计法设计SMA-13沥青混合料［J］.公路，2004（12）：112-115.

［15］吕振北，荣丽娟，韩之栋，等.温拌沥青混合料降温效果及路用性能对比研究［J］.石油沥青，2012（3）：9-12.

［16］ Ziari H.，Behbahani H.，Izadi A.，et al..Long term performance of warm mix asphalt versus hot mix asphalt［J］.Journal of Central South University，2013（1）：256-266.

（学科责编：吴芹）

Research on the performance of warm mix rubber asphalt

Wang Lizhi，Wang Chengxian，Wang Peng，et al.
（1.School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Warm mix asphalt，which has the advantages of excellent road performance of hot mix asphalt and energy saving of cold mix asphalt，becomes the focus of research in the industry gradually.The experiment adopted the self-developed products warm agent APTL and asphalt rubber to prepare warm mix asphalt，analyzed the relative density and porosity of warm mix asphalt，explored the dilution ratio and the dosage of APTL and also the scale of drop in temperature of warm mix asphalt，and evaluated the effectiveness of APTL by comparing the difference of road performance between warm mix asphalt and hot mix asphalt.The results indicate that APTL concentrate dilution ratio should be controlled in the range of 5～10%，recommend that the dilution ratio of warm agent APTL concentrate is 10%and the dosage is 10%；and on the basis of adopting Marshall compactor or Superpave gyratory compactor（SGC），the mixture aggregate heating temperature can be decreased by 40℃ and 60℃ respectively by employing APTL agent，and it would not have a significant impact on road performance of mixture.

asphalt mixture；APTL warm agent；asphalt rubber；warm mix asphalt；hot mix asphalt

U416.217

A

1673-7644（2015）03-0224-07

2014-12-22

山东建筑大学博士科研基金项目（XNBS1284）

王立志（1965-），男，副教授，博士，主要从事道路沥青及道路新材料等方面的研究.E-mail：wlz85503＠126.com