温拌剂对高黏沥青及其混合料性能的影响

2019-08-20郑南翔雷俊安吴传海许新权

筑路机械与施工机械化 2019年7期

郑南翔，骆钒，雷俊安，吴传海，许新权

（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．长安大学公路学院，陕西西安 710064；3．广东华路交通科技有限公司，广东广州 510420）

0 引言

近年来，开级配抗滑磨耗层（OGFC）沥青路面在国内的应用越来越多，有效解决了隧道内的降噪、抗滑等问题。实际应用时，一般采用高黏沥青制备OGFC沥青混合料，使其具备足够的强度和耐久性［1－4］；但同时也提高了材料的黏度，且 OGFC沥青路面较高的空隙率导致混合料施工过程中温度下降过快，对施工温度条件要求苛刻［5］。过高的施工温度还导致沥青混合料摊铺过程中产生大量烟尘，加上隧道内空间狭小封闭，通风差，严重影响施工人员的身体健康［6］。有研究表明，使用温拌剂可有效降低沥青混合料的施工拌合温度［7－9］。

国内外关于温拌技术的研究主要关注温拌剂对基质沥青、SBS改性沥青及其混合料性能的影响［10－15］，而关于温拌剂对高黏沥青及其混合料性能的影响分析鲜有报道。

本文选择Ev3G、Sasobit和EC120这3种常见的温拌剂，研究温拌剂类型和掺量对TPS高黏沥青性能的影响并对其路用性能进行试验验证，为温拌高黏沥青的制备及OGFC沥青混合料的施工提供可靠依据。

1 原材料性质及制备工艺

1．1 沥青

沥青采用壳牌SBS I－D改性沥青，其技术指标如表1所示。

表1 SBS I－D沥青主要性能试验结果

1．2 高黏剂

试验所用的高黏剂TPS（全称TAFPACK－Super）是以少量的增塑剂和黏结性树脂添加到热塑性橡胶中，制成淡黄色、颗粒状、高黏度黏接剂，其比重为0．98。

1．3 温拌剂

试验所用的温拌剂有3种，分别是Ev3G（全称Evotherm3G）、Sasobit和 EC120（全称 Energy Champion 120℃）。Ev3G温拌剂是由 Mead Westvac公司生产的一种表面活性温拌剂，呈深黄褐色黏稠状液体，其工作原理是，通过改变分子之间的极性改变沥青分子和集料间的表面张力，从而实现温拌目的；Sasobit温拌剂是一种窄分布的长链脂肪族烃，主链分子中含有40～115个碳原子，外观呈片状或粉状，融温范围为99℃～116℃，厂家推荐掺量为2%～4%；EC120温拌剂由海川公司生产，是一种合成的直链脂肪族式的碳氢化合物，呈白色细小颗粒状，熔点为100℃左右，温度超过110℃时能完全溶于沥青中。

1．4 集料

试验所用集料均符合《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）的要求，其中细集料和矿粉为石灰岩。粗集料为玄武岩，其技术指标如表2所示。

表2 玄武岩集料技术指标

1．5 温拌高黏沥青制备工艺

将SBS I－D改性沥青加热到175℃±5℃时，加入7%的TPS高黏剂，利用高速剪切乳化机以2 000r·min－1的转速低速恒温剪切10min，再以5 000r·min－1的转速高速剪切45min，使TPS均匀分散于沥青中。然后，向沥青中加入不同种类、不同掺量（占沥青质量的百分比）的温拌剂。根据温拌剂厂家的推荐，选取Ev3G掺量分别为0．4%、0．5%、0．6%，Sasobit和EC120掺量分别为3%、4%、5%。Ev3G人工搅拌均匀即可，Sasobit和EC120采用高速剪切乳化机充分搅拌均匀。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行沥青针入度、软化点、延度和布氏旋转黏度试验。

2 试验结果与分析

2．1 温拌剂对TPS高黏沥青针入度及针入度指数的影响

2．1．1 温拌剂对TPS高黏沥青针入度的影响

Ev3G、Sasobit及EC120三种温拌剂对TPS高黏沥青针入度的影响见图1。

由图1可知以下几点。

（1）在 15 ℃、20 ℃ 和30 ℃下，Sasobit和EC120两种温拌剂对TPS高黏沥青的针入度都有一定影响，掺量越高、针入度越小、温度越高，影响效果越明显。

图1 温拌剂对沥青针入度的影响

（2）Ev3G温拌剂掺量的变化对TPS高黏沥青不同温度下的针入度的影响不大。

2．1．2 温拌剂对高黏沥青针入度指数的影响

Ev3G、Sasobit及EC120三种温拌剂对TPS高黏沥青针入度指数的影响结果如表3所示。

由表3可以看出以下几点。

（1）Sasobit和EC120的掺入都能使TPS改性沥青针入度指数出现明显增加，且掺量越高，增长幅度越大。

（2）Ev3G掺量的变化对TPS高黏改性沥青针入度指数的影响不明显。

由以上分析可知，Sasobit和EC120掺量的变化对TPS高黏沥青感温性能的影响较大，而Ev3G对其影响较小。

2．2 温拌剂对高黏沥青软化点的影响

Ev3G、Sasobit及EC120三种温拌剂对TPS高黏沥青软化点的影响结果如表4所示。

表3 温拌剂对沥青针入度指数的影响

表4 温拌剂对沥青软化点的影响

加入Ev3G型温拌剂后TPS高黏改性沥青的软化点没有显著变化。Sasobit和EC120型温拌剂的加入使得该沥青的软化点出现小幅度增长，说明乳化型温拌剂对TPS高黏改性沥青高温性能的影响不大，而有机降黏类温拌剂能在一定程度上改善TPS高黏沥青的高温性能。

2．3 温拌剂对高黏沥青延度的影响

以5℃延度评价Ev3G、Sasobit及EC120三种温拌剂对TPS高黏沥青低温延度的影响。试验结果如表5所示。

表5 温拌剂对沥青延度的影响

由表5可以看出以下几点。

（1）不同温拌剂对TPS高黏改性沥青的低温延度都有一定的负面影响，影响程度从大到小依次为Sasobit、EC120、Ev3G。

（2）使用同种温拌剂，掺量越高，延度越低。由此可见，3种温拌剂的掺入均不利于TPS高黏改性沥青的低温性能，乳化型温拌剂比有机降黏类温拌剂的负面影响更小。

由以上分析可知，乳化型温拌剂与有机降黏类温拌剂对高黏沥青的性能影响差异非常大。究其原因主要是降黏机理不同。有机降黏类温拌剂加入到TPS高黏沥青中后会发生一系列物理化学变化，形成稳定性良好的空间网状结构，使沥青变硬、变稠，引起针入度下降，针入度指数增加，软化点上升，延度降低。Ev3G属于乳化型温拌剂，掺入后对沥青起微乳化作用，当沥青随着水分蒸发而逐渐破乳后就会恢复原有性质，因此对沥青指标的影响不明显［16－19］。

2．4 温拌剂对高黏沥青黏度的影响

Ev3G、Sasobit及EC120三种温拌剂对TPS高黏沥青布氏旋转黏度的影响结果如图2所示。

由图2可知以下几点。

（1）3种温拌剂对TPS高黏沥青的降黏效果都很明显。

（2）从图2（a）可知，Sasobit温拌沥青的黏度随温度的升高而降低，在150℃左右趋于平缓。在120℃下，Sasobit掺量为2%时沥青黏度降低了18%左右，掺量为3%和4%时的降黏效果相差不大，都在25%左右。在135℃下，Sasobit掺量为2%时沥青的黏度降低了1／3左右，但是掺量继续增加，黏度降低的效果不明显。当温度达到150℃以后，降黏效果趋于平缓。

（3）从图2（b）可知，EC120温拌高黏沥青的黏度随温度的升高而降低，在135℃左右趋于平缓。在120℃下，随EC120掺量的增加，降黏效果出现明显提升。在135℃以上，随温度的升高，掺量的变化对沥青黏度的影响逐渐减弱。

（4）从图2（c）可知，Ev3G型温拌剂在不同温度下对高黏沥青黏度的影响都很明显。当温度低于165℃时，EC120掺量由0．5%增加到0．6%时，降黏效果出现了一定的改善，掺量为0．6%和0．7%的降黏效果相当。当温度大于165℃后，EC120掺量由0．5%增加到0．7%，降黏效果无明显变化。

图2 温拌剂对沥青黏度的影响

（5）135℃时，3种掺量下Sasobit和EC120温拌高黏沥青的黏度都在3Pa·s左右，且掺量大于4%以后，降黏效果已趋于平缓。对于Ev3G型温拌剂，掺量达到0．6%后，沥青黏度就降低到2Pa·s左右。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中规定，改性沥青黏度应不大于3Pa·s，因此使用Ev3G型温拌剂对TPS高黏沥青进行降黏处理更为合理。

（6）采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的方法计算施工温度范围和拌合温度范围，结果如表6所示。由表6可知，Ev3G型温拌剂最多能使TPS高黏沥青施工、拌合温度降低20℃左右。Sasobit和EC120型温拌剂类似，最大能使TPS高黏沥青施工、拌合温度降低10℃左右。乳化型温拌剂比有机降黏类温拌剂对TPS高黏沥青的降黏效果更好。

表6 温拌高黏沥青施工拌合温度范围

3 温拌高黏沥青混合料路用性能验证

对OGFC沥青混合料分别采用TPS高黏沥青、掺0．6%Ev3G的TPS高黏沥青、掺3%Sasobit的TPS高黏沥青、掺3%EC120的TPS高黏沥青进行高温、低温、水稳性能试验以及肯塔堡飞散试验，分析不同温拌剂对高黏沥青混合料路用性能的影响。结合实际经验同时为验证前文试验结果，控制上述4种沥青混合料的成型温度分别为195℃、175℃、185℃、185℃。试验所用级配如表7所示。路用性能试验结果见表8。