基于温拌沥青性能的不同温拌剂效能评价

张 苛，张争奇

（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）

基于温拌沥青性能的不同温拌剂效能评价

张 苛，张争奇

（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）

为研究不同温拌剂对沥青性能的影响，促进温拌沥青技术的推广应用，选择Sasobit、Aspha-min、ZYF三种温拌剂和SK90#沥青、SBS改性沥青，通过针入度、软化点、延度试验、旋转黏度试验、动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验系统地研究不同温拌剂对沥青性能的影响，并根据沥青指标的变化确定ZYF温拌剂的合理掺量。结果表明：Sasobit和Aspha-min可以改善沥青的高温性能，但对低温性能不利;ZYF温拌剂略微降低沥青的高温性能，但能显著改善其低温性能;Sasobit和ZYF温拌剂可显著降低沥青的高温粘度，Aspha-min温拌沥青的粘度略微增大;ZYF温拌剂的合理掺量为沥青用量的4％。

道路工程;温拌剂;沥青性能;合理掺量

1 引 言

沥青混凝土路面由于具有良好的性能而在我国公路建设中得到大规模的应用［1-2］。然而，沥青混合料尤其是改性沥青混合料的拌和及压实温度较高，需要消耗大量能源并排放沥青烟、粉尘颗粒、氮氧化物和大量的温室气体［3］。沥青路面建设已成为我国能源消耗和污染物排放的大户之一，严重背离当前节能减排的社会主题。如何降低混合料的拌和及施工温度而又不损害其路用性能引起工程技术人员的广泛关注。温拌沥青混合料可以实现较低温度下的拌和及压实（通常较热拌沥青混合料低20℃～30℃），达到节能减排的目的，具有良好的经济与社会效益［4-6］。目前，道路界专家学者对温拌沥青混合料的路用性能及应用技术开展了大量研究，但关于温拌剂对沥青性能的影响方面缺乏系统的研究［7-11］。

沥青的性能是影响沥青路面质量的关键因素，为系统研究基于不同作用机理的温拌剂对沥青性能的影响，本文选择Sasobit、人工沸石（Aspha-min）和ZYF三种温拌剂，其中ZYF为作者开发的一种新型温拌剂［11］。通过常规试验和SHRP试验分别研究不同温拌剂对SK90#沥青和SBS改性沥青性能的影响，并根据沥青指标的变化确定ZYF温拌剂的合理掺量，以期为温拌沥青技术的推广应用提供一定的参考依据。

2 原材料性能及温拌沥青的制备

2.1 沥青

选用SK90#沥青和SBS成品改性沥青，其主要技术指标如表1～表2所示。

表1 SK90#沥青技术指标Table 1 Technical indexes of SK90#asphalt

表2 SBS改性沥青技术指标Table 2 Technical indexes of SBS modified asphalt

2.2 温拌剂

选用Sasobit、人工沸石（Aspha-min）和ZYF三种温拌剂，其中，Sasobit为南非Sasol Wax公司生产的有机降粘类温拌剂，外观为白色或淡黄色的颗粒状物质，其各项技术指标如表3所示。

表3 Sasobit温拌剂的技术指标Table 3 Technical indexes of sasobit warm-mixed agent

Aspha-min为德国Eurovia公司生产的人工合成沸石，外观为超细白色粉末，是含有自身重量21％结晶水的连通多孔硅铝酸钠矿物。ZYF为作者基于表面活性原理自主开发的一种新型温拌剂，外观为淡黄色液体，p H值为6～8，密度为0.99～1.03g/cm3。

2.3 温拌沥青的制备

参考国内外相关研究，文中Sasobit和Aspha-min的掺量分别为沥青质量的3％和5％［12-13］，ZYF温拌剂的掺量取沥青质量的2％、3％、4％和5％。将SK90 #沥青和SBS改性沥青置于100℃的恒温箱中保温2h使沥青充分融化，分别取6份规格为500g的试样。通过恒温加热设备将沥青试样维持在合适的温度（基质沥青140℃，改性沥青155℃），在设定掺量下将三种温拌剂分别加入热沥青中，然后置于FLUKO FM300高剪切分散乳化机下搅拌均匀。

3 试验方案

目前，国内关于温拌沥青性能的研究大多集中在针入度、软化点、延度等常规指标。本文在国内常规沥青试验的基础上，借助美国SHRP计划的旋转粘度试验、动态剪切流变（DSR）试验和弯曲粱流变（BBR）试验系统评价不同温拌剂对沥青性能的影响。

3.1 常规沥青试验

从沥青的常规指标入手，分析不同作用机理的温拌剂对沥青性能的影响。按照中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的相关规定，分别对SK90#沥青、SBS改性沥青和不同温拌沥青进行针入度试验、软化点试验和延度试验。

3.2 SHRp试验

3.2.1 旋转粘度试验 采用Brookfield DV-Ⅱ型旋转粘度仪，选择合适型号的转子并调节转速使扭矩百分数介于10％～98％之间后，分别测定SK90#沥青、温拌SK90#沥青、SBS改性沥青和温拌SBS改性沥青在不同温度下的粘度，其中SK90#沥青和温拌SK90#沥青的试验温度为110℃、120℃、135℃、140℃和150℃，SBS改性沥青和温拌改性沥青的试验温度为110℃、120℃、135℃、150℃、160℃和175℃。

3.2.2 动态剪切流变试验 通过动态剪切流变仪（DSR）在设定的温度和加载速率条件下测定沥青的复数模量G*和相位角δ，以车辙因子G*/sinδ评价沥青的高温性能，以疲劳因子G*·sinδ评价沥青的抗疲劳性能。G*/sinδ越大，G*·sinδ越小，沥青抵抗永久变形和疲劳开裂的能力越强。本文采用美国TA公司生产的AR1500型动态剪切流变仪，分别对原状、RTFOT短期老化和PAV长期老化后的SK90#沥青、SBS改性沥青和温拌沥青进行动态剪切流变试验［14］。基质沥青和温拌基质沥青的试验温度为28℃和64℃，改性沥青和温拌改性沥青的试验温度为28℃和76℃，加载速率为10rad/s。

3.2.3 弯曲梁流变试验 通过弯曲梁流变仪（BBR）测量沥青的劲度模量S和蠕变速率m，其中S值越大说明沥青抵抗低温开裂的能力越差，m值越大沥青抵抗低温开裂的能力越强。Superpave PG规范规定，试验过程中60s时沥青的劲度模量S应小于300MPa，蠕变速率m应大于0.3。本文采用美国Cannon公司生产的TEBBR型弯曲梁流变仪，分别对经过长期老化后的SK90 #沥青、SBS改性沥青和几种温拌沥青进行弯曲梁流变试验，试验温度为-12℃和-18℃。

4 试验结果及讨论

4.1 不同温拌剂对沥青常规指标的影响

Sasobit、Aspha-min和ZYF温拌剂对SK90#沥青和SBS改性沥青常规指标针入度、软化点、延度的影响如表4和表5所示。

表4 不同温拌剂对SK90#沥青常规指标的影响Table 4 Influence of different warm-mixed agents on conventional indexes of SK90#asphalt

表5 不同温拌剂对SBS改性沥青常规指标的影响Table 5 Influence of different warm-mixed agents on conventional indexes of SBS modified asphalt

从表4和表5可以看出，向SK90#沥青和SBS改性沥青中掺入温拌剂后，沥青的针入度发生不同程度的变化。掺入Sasobit和Aspha-min后，两种沥青的针入度均出现不同程度的下降，其中Sasobit温拌沥青针入度的降幅较大;掺入ZYF温拌剂后，随着温拌剂掺量的增加沥青针入度先逐渐增大并在掺量超过4％后趋于稳定，针入度的变化均在规范允许的范围内。

Sasobit和Aspha-min两种温拌剂对沥青软化点的影响较大。掺入Sasobit、Aspha-min后，SK90#沥青的软化点分别上升18.4℃、4.3℃，SBS改性沥青的软化点分别上升9.2℃、4.5℃。Sasobit和Aspha-min均可以改善沥青的高温性能，但Sasobit的影响更显著。加入ZYF温拌剂后，两种沥青的软化点略有降低，ZYF温拌剂对沥青的高温性能无明显影响。

掺入Sasobit和Aspha-min后，SK90#沥青的延度分别下降44.7％、14.1％，SBS改性沥青分别下降16.8％、11.8％，Sasobit和Aspha-min对沥青的低温性能不利;ZYF温拌剂在几种掺量下，SK90#沥青的延度均能达到150cm以上;ZYF温拌剂的掺量为4％时SBS改性沥青的延度达到最大值，较未掺温拌剂时增大19.5％，ZYF温拌剂可显著改善沥青的低温性能。

不同温拌剂对沥青针入度、软化点和延度指标的影响程度不同，这主要与温拌剂的作用机理不同有关。Sasobit属于有机降粘温拌剂，高温时吸附沥青中的饱和组分，而当温度低于其熔点时会在沥青中形成网状的晶格结构，使沥青变硬、不易发生变形，表现为针入度、延度下降，软化点升高。Aspha-min是一种含有大量结晶水的超细硅铝酸钠矿物，其在热沥青中会释放出结晶水使沥青发泡，当结晶水挥发后沸石矿物会充当填料的作用，增加对沥青的吸附作用，使沥青的稠度增大，引起沥青的针入度、延度下降，软化点升高。ZYF属于表面活性剂类温拌剂，将ZYF温拌剂掺入热沥青后，随着水分蒸发表面活性剂成分残留在沥青中，表面活性剂对沥青有增塑作用［15］，导致其针入度和软化点略微变化，延度大幅增加。

4.2 不同温拌剂对沥青粘度的影响

Sasobit、Aspha-min和ZYF温拌剂对SK90#沥青和SBS改性沥青粘度的影响如图1和图2所示。

图1 不同温拌剂对SK90#沥青粘度的影响Fig.1 Influence of different warm-mixed agents on viscosity of SK90#asphalt

图2 不同温拌剂对SBS改性沥青粘度的影响Fig.2 Influence of different warm-mixed agents on viscosity of SBS modified asphalt

从图1和图2中可以看出，掺入Sasobit后，SK90#沥青在110℃～150℃的粘度均出现明显的下降，SBS改性沥青在110℃～120℃的粘度略微增大，随着温度的升高沥青的粘度出现明显的下降。Sasobit可以降低沥青的高温粘度，主要是因为高温时熔化的Sasobit以液体形式均匀分散在沥青中，以较强的形成H键能力和分散能力增加沥青胶团的分散度［16］，从而引起沥青高温粘度的降低。

掺入Aspha-min后，两种沥青的粘度均略有增加，Aspha-min对SK90#沥青的影响程度大于SBS改性沥青。Aspha-min引起沥青粘度的增加，究其原因是添加到沥青中的Aspha-min在结晶水挥发后起到了填料的作用，吸附沥青中的轻质组分引起沥青的粘度增大。事实上，Aspha-min温拌沥青的粘度是沥青与失去结晶水的硅铝酸钠矿物形成的沥青胶浆的粘度。因此，并不能说Aspha-min沥青混合料不宜低温施工，其温拌机理依赖于沥青、集料和Aspha-min释放出的结晶水间的相互作用［17］。

掺入ZYF温拌剂后，SK90#沥青和SBS改性沥青的粘度均出现下降。随着ZYF温拌剂掺量的增加，两种沥青的粘度先逐渐减小，在掺量超过4％时SK90 #沥青的粘度略有回升，SBS改性沥青粘度的降幅减小。沥青的粘度降低主要是因为ZYF温拌剂中的表面活性剂分子破坏了沥青中原有的胶束状态，分子间的摩擦力减小，沥青的流动性得到改善。总体来说，掺量为4％的ZYF温拌剂与3％的Sasobit温拌剂的降粘效果基本相当。

4.3 不同温拌剂对沥青流变性的影响

在不同温度下对SK90#沥青、SBS改性沥青和温拌沥青进行动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验，动态剪切流变试验的结果见图3～图4，弯曲梁流变试验结果见图5～图6所示。

图3 SK90#沥青和温拌沥青动态剪切流变试验结果Fig.3 DSR test results of SK90#asphalt and warm-mixed asphalt

图4 改性沥青和温拌沥青动态剪切流变试验结果Fig.4 DSR test results of SBS modified asphalt and warm-mixed asphalt

从图3～图4可以看出，向沥青（未老化）中掺入Sasobit和Aspha-min后，SK90#沥青和SBS改性沥青的车辙因子G*/sinδ均出现不同程度的增大，这两种温拌剂均能改善沥青的高温性能［18］，其中以Sasobit的改善效果较为显著。掺入ZYF温拌剂后，两种沥青的车辙因子均随着温拌剂掺量的增加逐渐减小，但直至掺量为5％时，仍能满足Superpave PG规范中老化前沥青的G*/sinδ不小于1.0kpa的要求。

图5 温拌剂对SK90#沥青劲度模量和蠕变速率的影响Fig.5 Influence of different warm-mixed agents on stiffness modulus and creep rate of SK 90#asphalt

图6 温拌剂对SBS改性沥青劲度模量和蠕变速率影响Fig.6 Influence of different warm-mixed agents on stiffness modulus and creep rate of SBS modified asphalt

RTFOT短期老化后，不同温拌剂对SK90#沥青和SBS改性沥青车辙因子的影响趋势同老化前一致。Sasobit和Aspha-min改善沥青高温性能的幅度减小，其中Aspha-min仅能略微改善两种沥青的高温性能。ZYF温拌剂对沥青的高温性能产生一定的不利影响，但不同掺量下ZYF温拌沥青的车辙因子仍满足短期老化后沥青的G*/sinδ不小于2.2kpa的要求。

PAV长期老化后，掺有Sasobit的SK90#沥青和SBS改性沥青的疲劳因子G*·sinδ较各自的原样沥青分别减小7.2％和5.5％，Sasobit可以改善沥青的抗疲劳性能。掺加Aspha-min后，SK90#沥青和SBS改性沥青的抗疲劳性能分别下降3.8％、2.4％。随着ZYF温拌剂掺量的增加，两种沥青的抗疲劳性能均逐渐下降，至最大掺量5％时分别下降4.4％和4.3％，仍远满足沥青的G*·sinδ不大于5000k Pa的要求。Aspha-min和ZYF温拌剂对沥青的抗疲劳性能的影响并不显著。

从图5和图6中可以看出：（1）掺入Sasobit和Aspha-min后，SK90#沥青和SBS改性沥青的劲度模量S均出现不同程度的增加，Sasobit和Aspha-min对沥青的低温性能产生不利影响。在-18℃时，掺有Sasobit的SK90#沥青的劲度模量大于300MPa，已不能满足规范要求，掺有Aspha-min的SK90#沥青也达到296.5MPa。掺有Sasobit和Aspha-min的SBS改性沥青的劲度模量出现一定幅度的增加，但仍能满足规范要求，说明SBS改性沥青的低温性能优于SK90#沥青。而掺入ZYF温拌剂后，随着掺量的增加SK90#沥青和SBS改性沥青的劲度模量逐渐下降，至掺量为4％时劲度模量趋于稳定，ZYF温拌剂可显著改善沥青的低温性能。

（2）掺入Sasobit和Aspha-min后，SK90#沥青和SBS改性沥青的蠕变速率m均出现一定幅度的下降，沥青的低温性能劣化，掺有Sasobit的SK90#沥青在-18℃时的蠕变速率小于0.3，已不能满足规范要求。而掺入ZYF温拌剂后，SK90#沥青和SBS改性沥青的蠕变速率均随着掺量的增加逐渐增大，至掺量为4％时两种沥青的蠕变速率（-18℃）分别增大25.6％和13.7％，说明ZYF温拌剂的掺入可以改善沥青的低温性能，采用蠕变速率指标得到的评价结果同劲度模量指标一致。

5 结 论

1.掺入Sasobit后，SK90#沥青和SBS改性沥青的针入度、延度下降，软化点升高;Aspha-min对沥青三大指标的影响规律同Sasobit一致，各指标的变化幅度均小于Sasobit;ZYF温拌剂对两种沥青的针入度和软化点影响不大，但可使延度显著增大。

2.Sasobit可显著降低沥青的高温粘度，掺量为4％的ZYF温拌剂对沥青的降粘效果同3％的Sasobit基本相当;掺入Aspha-min后，SK90#沥青和SBS改性沥青的粘度略有增大。

3.Sasobit和Aspha-min能改善沥青的高温性能，ZYF温拌沥青的高温性能略有下降，但仍满足规范要求;疲劳因子的变化情况表明，Sasobit可改善沥青的抗疲劳性能，Aspha-min和ZYF温拌剂对抗疲劳性能影响不大;Sasobit和Aspha-min对沥青的低温性能不利，ZYF温拌剂可显著改善沥青的低温性能。

4.综合ZYF温拌剂的掺量对沥青三大指标、粘度、车辙因子及劲度模量等指标的影响，推荐ZYF温拌剂的合理掺量为沥青用量的4％。

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Efficiency Evaluation of Different Warm-mixed Agents Based on Warm-mixed Asphalt performance

ZHANG Ke，ZHANG Zheng-qi
（Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

To study the influence of different warm-mixed agents on asphalt performance and promote the application of warm-mixed asphalt technology，sasobit，aspha-min and ZYF warm-mixed agents，SK90# asphalt and SBS modified asphalt were selected.The penetration，softening point and ductility test，rotational viscosity test，dynamic shear rheometer test and bending beam rheometer test were carried out to study the influence of different warm-mixed agents on the properties of asphalt.Reasonable mixing amount of ZYF warm-mixed agent was determined by the change of asphalt indexes.The results show that sasobit and asphamin can improve the high temperature performance of asphalt，but reduce the low temperature performance significantly;ZYF warm-mixed agent reduces the high temperature property of asphalt slightly，but improves the low temperature performance significantly;Sasobit and ZYF warm-mixed agents can significantly reduce the high temperature viscosity of asphalt.The viscosity of aspha-min warm-mixed asphalt increases slightly. The reasonable mixing amount of ZYF warm-mixed agent is 4％.

highway engineering;warm-mixed agent;asphalt performance;reasonable mixingamount

U416.217

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.011

1673-2812（2016）03-0389-06

2015-05-15;

2015-06-29

国家自然科学基金资助项目（51008031）;河北省交通运输厅科技计划资助项目（090201）

张 苛（1989-），男，安徽宿州人，博士研究生，研究方向：沥青路面结构与材料。E-mail：15114820709@126.com。