温拌沥青混合料技术简述

王 涛 肖飞鹏 侯向导

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

在过去20多年中，沥青混合料在生产和设备应用方面都取得了长足的发展，尤其实现了经济与环境双重目标。近些年，人们将注意力转移到在不改变沥青混合料力学性能的前提下，尽可能降低沥青混合料生产过程中能耗上。由于沥青混合料在生产过程中消耗大量的化石原料并排放大量的温室气体。因此沥青混合料生产过程也承受着须减少温室气体排放的国际压力。

在保护环境背景下，欧洲研发出了温拌技术，成为在全球能源短缺、气候变暖大背景下快速发展起来的一种路面材料新技术，并且在欧洲得到了迅速发展和应用。2002 年，美国在欧洲温拌技术应用的基础上，在美国联邦公路管理局(FHWA)的组织下，成立了由全美沥青技术中心(NCAT)、美国国家公路和运输协会(AASHTO)以及若干州运输部参与的温拌技术工作小组。目前，美国由NCAT 等机构专门从事温拌技术的研究和应用工作。

采用温拌技术可使沥青混合料的拌和与碾压温度比常规热拌技术降低20～60℃，其通常生产温度范围在100～140 ℃，节能减排效果十分显著。同时与热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料技术还有其他优势，如环保及经济，但温拌沥青混合料也存在着一些缺点。

1 温拌沥青混合料的优点和缺点

1.1 优点

由于温拌沥青混合料技术采用较低温度，因此具有环保优势，而这些优势在实际应用过程中均得到了证实。

使用温拌沥青混合料技术可有效降低污染物和温室气体的排放，根据相关报告[1]，在施工现场，各种有害气体排放量减少情况如下：减少30%～40%的CO2和SO2的排放量，减少50%挥发性有机化合物的排放量，CO的排放量降低了10%～30%，氮氧化物的排放量降低了60%～70%，粉尘排放量减少25%～55%；同时还可降低30%～50%的沥青烟或沥青气溶胶等有害气体排放量，这对暴露在施工现场的施工人员及周边环境均有积极意义。

1.2 缺点

温拌沥青混合料技术的应用虽取得了较大成功，但在实际应用过程中仍有许多问题需要解决。

温拌沥青混合料在研制和使用初期生产成本较高。一方面，工厂需增添额外的设备以适应特殊技术要求和添加剂的需要；另一方面，添加剂的使用也会带来额外的成本。同时，在沥青路面存在水分的条件下，交通荷载及温度胀缩的反复作用使水分逐步侵入沥青与集料的界面，由于水动力的作用，沥青膜逐渐从集料表面剥离，导致集料间的黏结力丧失，从而引发路面损坏[2]。由于温拌沥青混合料在拌和过程中会有水的存在，并且这些水往往会在拌和成型后继续存在于混合料中，集料和沥青胶浆之间的黏附性会被削弱，并且沥青胶浆本身也会受到不利影响。总的来说，沥青混合料中水的存在会影响混合料的构造强度，因此，温拌沥青混合料往往被认为更易发生水损害[3]。

2 温度降低的主要机制

温拌沥青混合料技术有很多种，就其工作原理而言，一般可分为3大类：有机降黏型温拌技术、发泡沥青降黏温拌技术和乳化分散沥青温拌技术。

2.1 有机降黏型温拌技术

对于有机降黏技术，主要是向沥青或沥青混合料中添加有机化学产品，这种产品的熔点通常高于沥青，可以提高沥青在60 ℃时的黏度，降低沥青在135℃时的黏度，因此，可在高温拌和时降低其黏度，使沥青具有更好的工作性，并提高其高温性能(使沥青在60 ℃时的黏度降低，硬度增大)。

目前常用的有机添加剂是沙索必德(Sasobit)，能显著降低沥青的高温黏度，从而降低混合料拌和温度，沥青混合料的生产温度一般可降低10～30 ℃。添加温拌剂Sasobit的温拌沥青混合料水稳定性较好，但Sasobit添加剂会提高沥青结合料的软化点、降低其针入度指标，在应用中应多注意对低温抗裂性能的控制。另一种有机添加剂褐煤蜡(Asphaltan-B)是褐煤中甲苯提取物的副产品，主要成分为褐煤蜡，是一种熔点大约在99 ℃的低熔点硬蜡，与Sasobit接近，功能上也与Sasobit类似，在降低温拌沥青工作温度的同时，能提高混合料的可压实性和抗车辙能力，一般推荐用量是2%～4%。图1是在橡胶改性沥青中掺入不同剂量的温拌剂时的劲度模量变化，可以看到温拌剂的含量越高，橡胶改性沥青的劲度模量越大，说明加入Sasobit和Asphaltan-B对橡胶改性沥青的低温性能产生不利影响[4]。

图1 改性沥青掺加不同剂量温拌剂时低温情况劲度模量

2.2 发泡沥青降黏温拌技术

发泡沥青降黏技术主要包括化学发泡类和机械发泡类2种。化学发泡类主要有沥青-矿物法(Aspha-min)和Advera 2种，其作用机理是将亲水材料加入热沥青中，当水分扩散到沥青中形成水蒸汽，会导致沥青体积的迅速膨胀，黏度降低，从而降低沥青的拌和温度。机械发泡类的代表技术主要有双滚筒技术，其作用机理是利用沥青泵、空气压缩机和发泡水泵分别将高温液态沥青、压缩空气和水输送到发泡室混合，就地产生并喷洒泡沫沥青生产温拌沥青混合料。

2.3 乳化分散沥青温拌技术

乳化类温拌技术主要有益路温拌(Evotherm)、Cecabase RT和Iterlow-T等多种类型。其化学外加剂包含了乳化剂、提高裹覆能力及混合料和易性、提高黏附力等多种作用的改性剂。其作用机理是在沥青中添加少量的表面活性添加剂、水和热沥青在拌和过程中共同作用，借助拌和的分散作用彼此交织。表面活性剂富集于残留微量水与沥青的界面，在胶结料内部形成较为稳定的结构性水膜抵消沥青黏度的增大，当它与热集料拌和的时候，乳液中的水以蒸汽的形式释放出来，达到拌和效果[5]。

3 温拌沥青混合料试验配合比设计

2011年，NCHRP 9-43温拌沥青混合料设计方法研究完成，成为多国温拌沥青混合料推荐使用的标准设计方法，用于保证设计的温拌沥青混合料达到和热拌沥青混合料相近的路用性能。该设计主要包括以下步骤：选择材料、混合料体积性质的研究、选择黏结剂、评价诸如施工和易性、水稳性、压实性及混合料的力学性能，在沥青混合料组成成分已知情况下，这一过程可以适当简化。在美国，Superpave(AASHTO R 35)是用于温拌沥青混合料设计的指导规范。温拌沥青混合料以回旋压实为设计基础，同时使用一些参数评估压实的程度。通过测试回旋次数得到体积参数，例如孔隙率或是从级配曲线获得压实能量。温拌沥青混合料的骨料及沥青的选择、试件制作、混合料各种压实性能的测试均与热拌沥青混合料类似[6]。

添加剂在常温下通常是固体形态，因此，通常以颗粒或晶粒形式掺加到混合料当中。部分添加剂也可是液态形式，不过其有效期很短。掺入添加剂在实际规模生产过程中应尽可能遵循温拌沥青混合料配合比设计方法。一般而言，出于混合料设计目的，在加入粗集料之前添加剂需和加热后的沥青在低速剪切容器中提前混合。某些情况下，添加剂可在沥青投入到搅拌容器后直接加入到混合料当中[7]。

一般情况下，添加剂供应商会推荐加入添加剂的含量。表1从文献[8]中总结了各种添加剂的推荐含量。

表1 温拌沥青混合料添加剂推荐含量

4 温拌沥青混合料力学性能研究

温拌沥青技术被广泛应用于各种沥青混合料生产中，诸如密级配沥青混凝土，聚合物改性沥青,SMA，橡胶改性沥青混凝土，含有再生集料的沥青混凝土等。因此，温拌沥青混合料力学性能会因温拌沥青技术应用范围及材料制作类型的不同而有很大的变化。

4.1 水敏感性

沥青混合料在长期有水状态下会导致结构本身强度持续降低，这种现象被称为水敏感性或水损害。这是由于在水的作用下，集料与沥青胶浆之间的黏附性会被削弱，进而影响混合料的构造强度。对于温拌沥青混合料而言，由于在温拌沥青混合料拌和过程有水存在，在建设过程中遗留的水分会增加沥青混合料的水敏感性。因此，添加剂在沥青黏结料与骨料表面充当桥梁作用，促进黏结以抵抗水的作用[9]。Kim等[10]指出虽然现场测试性能数据表明温拌沥青混合料与热拌沥青混合料有着相似的性能，不过在其服务期限内，应该仔细观测，这是因为水损害会随着车辙及裂缝的产生而发展。Arabani等[11]对骨料对温拌沥青混合料性能的影响进行了研究，指出采用动态模量试验来估计温拌沥青混合料的水敏感性，水敏感性比越大表示其具有更高的抗水损害能力。相关研究表明，湿集料对于混合料的抗水损害能力是不利的，因此，要确保集料的干燥[12]。Khodaii等[13]发现生石灰能够降低混合料的水敏感性，使用抗剥离剂对于改善温拌沥青混合料的水稳定性具有积极意义。

4.2 耐疲劳性

文献表明，在测试温度为20 ℃、频率为10 Hz下进行弯曲试验时，在低应力水平下温拌沥青混合料能比热拌沥青混合料承受更多的疲劳损害。也就是说温拌沥青混合料对于持续增加的拉伸应变水平敏感度较低。因此，温拌沥青混合料能够很好地应用到重交通路面结构中。肖飞鹏等[14]通过研究发现，温拌沥青混合料添加剂对于橡胶改性沥青温拌混合料的疲劳性能并没有显著的影响。

4.3 抗永久变形性能

在美国按照AASHTO TP 63和AASHTO T324相关规定来进行车辙试验。车辙深度随车轮通过次数的增加而增加，测试温度相对也较高，一般维持在50 ℃或60 ℃。

在温拌沥青混合料中加入有机添加剂，例如Sasobit，可改变黏结料的高温性能，增强其抗车辙能力。然而在使用泡沫技术时，温拌沥青混合料比热拌沥青混合料性能差很多[15-16]。

研究发现，混合料抵抗永久变形能力随生产温度的下降而下降[17]，抗车辙能力与添加剂和使用温拌技术类型有直接的关系。正因如此，美国一些州政府机构划定了生产温拌沥青混合料的最低生产温度，以防止出现车辙病害。

5 我国温拌沥青混合料的应用

我国于2005年引入温拌技术，进行了部分路面的摊铺和科研研究。例如，在2006年北京铺筑了改性SMA温拌试验路，2008年我国建造了温拌橡胶沥青路面。目前，经过十多年的发展，在国内温拌沥青技术已用于超过21个省、自治区或直辖市，多个地区颁布了温拌沥青技术的地方性标准。大量的工程应用实践表明，使用温拌沥青混合料产生的节能减排效果是十分明显的。每吨温拌沥青混合料可节省燃油20%～30%，减少温室气体排放30%以上，可减少90%的沥青烟，极大地减轻对环境的污染和对施工人员的健康危害。并且，使用温拌沥青混合料可延长施工季节，有利于提高路面质量，延长道路使用寿命。

国内外针对温拌沥青技术的研究日益成熟和完善。在国外，温拌沥青技术已大规模应用于实际工程中。且已经拥有了一套较成熟的制备技术和设备。对于我国而言，对于温拌沥青技术的研究课题很多，但在实际工程的运用有限，还有许多需要进一步研究的问题，诸如不同温拌剂的选择、掺量、老化性能等方面。因此研究温拌沥青技术的实际推广应用，对于建设资源节约型、环境友好型社会有着十分重要的意义。

6 结语

温拌沥青混合料技术种类繁多，主要通过使用添加剂或发泡技术以降低实际所需温度。温拌沥青混合料与热拌沥青混合料相比具有诸多优势，如可以节约能源，减少温室气体和其他污染物的排放。在节能减排、低碳环保的大环境下，温拌沥青技术以其节能环保的优势正在获得越来越多的关注，今后必然会得到更好的应用，从而推动温拌沥青混合料技术的发展。

[1] JULLIENU A, BBUDRU Y, TAMAGNY P, et al.A comparison of environmental impacts of hot and warm mix asphalt[J].Routes/Roads,2011,350:81-85.

[2] KAKAR M R, HAMZAH M O, VALENTIN J. A review on moisture damages of hot and warm mix asphalt and related investigations[J].Journal of Cleaner Production,2015,99:39-58.

[3] DAS P K, TASDEMIR Y,BIRGISSON B. Evaluation of fracture and moisture damage performance of wax modified asphalt mixtures[J].Road Materials and Pavement Design,2012,13(1):142-155.

[4] WANG T, XIAO F P, AMARKHANIAN S N, et al. A review on low temperature performances of rubberized asphalt materials[J].Construction & Building Materials,2017,145:483-505.

[5] ZHANG Z, LIU L P, TANG W. Research on performance of Evotherm warm-mix asphalt[J].Journal of Building Materials,2009,12(4):438-441.

[6] BONAQUIST R F. Mix design practices for warm mix asphalt[M]. Washington,D.C,Transportation Research Board,2011.

[7] GOH S W, HASAN M R M, YOU Z P. Performances evaluation of Cecabase RT in warm mix asphalt technology[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences,2013,96:2728-2790.

[8] SANCHEZ-ALONSO E,VEGA-ZAMANILLO A,CASTRO-FRESNO D,et al. Evaluation of compactability and mechanical properties of bituminous mixes with warm additives[J]. Construction and Building Materials,2011,25(5):2304-2311.

[9] XIAO F P, AMIRKHANIAN S N. Effects of liquid antistrip additives on rheology and moisture susceptibility of water bearing warm mixtures[J].Construction and Building Materials,2010,24(9):1649-1655.

[10] KIM Y R, ZHANG J, BAN H. Moisture damage characterization of warm-mix asphalt mixtures based on laboratory-field evaluation[J].Construction and Building Materials,2012,31:204-211.

[11] ARABANI M, ROSHANI H, HAMEDI G H. Estimating moisture sensitivity of warm mix asphalt modified with zycosoil as an antistrip agent using surface free energy method[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2011,24(7):889-897.

[12] SHIVAPRASAD P V, XIAO F P, AMIRKHAN-IAN S N. Moisture and rutting resistances of foamed asphalt mixtures containing recycled coal ash or shingles with moist aggregates[J].Journal of ASTM International,2011,9(2):1-11.

[13] KHODAII A, TEHRANI H K, HAGHSHENAS H F. Hydrated lime effect on moisture susceptibility of warm mix asphalt[J].Construction and Building Materials,2012,36:165-170.

[14] XIAO F P, ZHAO W B, AMIRKHANIAN S N. Fatigue behavior of rubberized asphalt concrete mixtures containing warm asphalt additives[J].Construction and Building Materials,2009,23(10):3144-3151.

[15] 石晨光,罗蓉,樊向阳,等.GA-10沥青混合料动态模量及预估模型的验证研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(6):1047-1050.

[16] ZELELEW H, PAUGH C, CORRIGAN M R. Warm-mix asphalt laboratory permanent deformation performance in state of pennsylvania:case study[C].Transportation Research Board 90th Annual Meeting，Washington,D.C,2011.

[17] BENNERT T, MAHER A, SAUBER R. Influence of production temperature and aggregate moisture content on the initial performance of warm-mix asphalt[J].Transportation Research Record,2011(2208):97-107.