温拌沥青及温拌沥青混合料性能研究

肖 锋

(四川藏区高速公路有限责任公司 成都 610041)

温拌沥青混合料(WMA)能够在温度相对较低的环境下进行施工，具有节能减耗、降低粉尘及有害气体排放量、便于施工、延长施工季节、便于超薄摊铺、降低沥青老化程度从而提高沥青路面的耐久性等特点[1-2]。但温拌剂可能会对沥青路面的路用性能产生不利影响，所以探究温拌剂对沥青及沥青混合料的性能影响规律，研究不同温拌剂的适用范围，对提升温拌沥青路面的路用性能有着重要意义。

任晓刚等[3]运用UTM进行频率扫描试验和间接拉伸疲劳试验对热拌沥青和4种温拌沥青的性能进行对比，频率扫描试验表明热拌沥青混合料(HMA)的高温性能优于温拌沥青混合料，间接拉伸疲劳试验表明热拌沥青混合料和Sasibot温拌沥青混合料的抗疲劳性能优于其他3种温拌沥青混合料。袁飞云等[4]采用一系列PG流变试验及双边缺口拉伸试验来测验2种温拌剂对沥青性能的影响，结果发现第一种温拌剂能显著增强温拌沥青的高温抗车辙性能，对沥青的抗疲劳性能、低温抗裂性能略微不利，对沥青的抗延性断裂性能有减弱效果。第二种温拌剂仅对沥青的低温抗裂性能体现出微小的不利影响。Luo等[5]研制了一种新型硅胶温拌剂，通过临界开裂温度分析发现，该温拌剂能大幅度降低沥青的临界开裂温度，提升了沥青的低温抗裂性能。

在本研究中，2种温拌剂均是高分子聚合物组成的表面活性类温拌剂，但二者有着完全不同的降黏机理。为了探究这2种温拌剂的适用场景，采用3大指标评价其对沥青性能的影响，运用常规的布氏旋转黏度评价其降黏效果。通过车辙试验、四点弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验探究其对沥青混合料的性能影响。

1 沥青胶结料部分

1.1 试验原料

温拌剂A为四川圣翔化工集团生产的External温拌剂ET-3100产品，为暗绿色油状表面活性剂类沥青添加剂，该温拌剂是通过酯化反应生成水，形成水膜在沥青分子间进行润滑作用来降低黏度的；温拌剂B为美国美德维实伟克生产的Evotherm温拌剂M1，为暗黄色油状液体的乳化分散型温拌剂，该温拌剂是与沥青中的羧酸发生缩合反应生成水来达到降黏目的。沥青为厦门华特集团生成的SBS改性沥青，其主要技术指标见表1。

表1 SBS沥青主要性能技术指标

本研究中温拌剂A选用了0.2%，0.5%，0.8% 3个掺量，温拌剂B选用了0.5%，0.8%，1.0% 3个掺量。将SBS改性沥青和不同掺量的温拌剂在165 ℃下用高剪切分散乳化机进行高速搅拌30～60 min后得到温拌沥青胶结料。

为研究方便，将包含0.2%温拌剂A的SBS温拌沥青胶结料表示为SBS+0.2%A，其余沥青的代号以此类推。

1.2 温拌剂对改性沥青三大指标的影响

三大指标法仍是目前最常用的沥青性能检测方法，包括针入度、延度和软化点。

针入度表示针体在一定压力下没入沥青试样的深度，针入度反应了沥青的软硬程度，针入度越高沥青越软。通常在寒冷地区选用针入度较高的沥青，较炎热的地区选用针入度较低的沥青。

延度试验是将沥青做成“8”字形标准试件后以一定速率拉至断裂的长度。延度越高说明沥青的可塑性强，可塑性强的沥青有较好的抗疲劳性能。

试样在规定尺寸的金属环内，上置规定尺寸与质量的钢球，放于有水或甘油的容器内，然后以一定温度加热，钢球接触底部时的温度即为软化点。软化点则是沥青高温稳定性指标，软化点越高，沥青高温稳定性越好[8]。

测得SBS原样沥青及6种温拌沥青的三大指标变化,温拌剂对三大指标的影响见表2。

表2 温拌剂对三大指标的影响

由表2可见，温拌剂的加入对SBS改性沥青的性能有显著影响。根据温拌剂种类及掺量的不同三大指标有如下变化。

1) A温拌剂能提高改性沥青的针入度，A的掺量在0.8%时的针入度最大，较原样沥青提升了18.0%。B的掺量对沥青的针入度略有提高。针入度提高的原因可能是温拌剂使沥青内产生了水，使沥青软化。较软的沥青通常在低温下有足够的黏性，不易发生脆性破坏。

2) A温拌剂和B温拌剂都能增加改性沥青的延度，A的掺量在0.8%时改性沥青的延度值最大，较原样沥青提高了18.6%。随着B温拌剂的掺量的提高，改性沥青的延度值不断增加，延度在0.8%的掺量下较原样沥青提高了26.8%。说明2种温拌剂均能提高沥青的可塑性，沥青的抗疲劳性能得到强化。

3) A温拌剂和B温拌剂都略微降低了改性沥青的软化点。说明2种温拌剂都略微弱化了沥青的高温稳定性，A温拌剂对沥青高温稳定性的弱化程度更小。

1.3 温拌剂对改性沥青降黏效果

布氏旋转黏度是利用转子与流体之间产生的剪切和阻力之间的关系而得出的黏度值。采用布氏旋转黏度来探究这2种温拌剂对改性沥青的降黏效果。试验测得SBS原样沥青及6种温拌沥青在135 ℃和175 ℃的黏度，并绘制它们的黏温曲线测得其拌和与压实温度。布氏旋转黏度测试结果见图1。

图1 布氏黏度测试结果

由图1可见，2种温拌剂均具有良好的降黏效果，2种温拌剂在最大掺量下，使改性沥青在135 ℃时的黏度分别降低了46.0%和58.7%，使175 ℃时的黏度分别降低了48.6%和63.0%。

通过黏温曲线计算，以(0.17±0.02)Pa·s时的温度作为拌和温度范围，以(0.28±0.03)Pa·s时的温度作为压实温度范围。发现2种温拌剂在最大掺量下对改性沥青的拌和温度和压实温度的降低超过了20 ℃。

2 沥青混合料部分

2.1 沥青混合料配合比设计

本研究中热拌沥青混合料与2种温拌沥青混合料采用了相同的配合比设计，粗细集料为玄武岩，填料为石灰岩矿粉。经过测试，所选用的集料与填料的各项指标均满足JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》的要求。木质纤维素与抗剥落剂的掺量均为0.4%。SBS沥青用量为5.7%，A温拌混合料的温拌剂掺量为1%，B为0.8%。

试验采用SMA-13级配，参考了JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》确定每一档矿料的用量。SMA-13的矿料级配见表3。

表3 SMA-13矿料级配

根据原样沥青与温拌沥青的黏温曲线，热拌沥青混合料的拌和与压实温度分别为185 ℃，175 ℃，温拌沥青混合料的拌和与压实温度分别为165 ℃，155 ℃。压实成型后的马歇尔试件和车辙板的各项体积指标均满足设计要求。

2.2 温拌剂对沥青混合料高温稳定性的影响

采用车辙试验来评价沥青混合料的高温稳定性，高温稳定性是指车辙板试件(通常尺寸为300 mm×300 mm×50 mm)，在60 ℃的规定温度下，以一个轮压为0.7 MPa的实心橡胶轮胎在其上行走，测量试件在变形稳定时期，每增加1 mm变形需要行走的次数。按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0719-2011进行沥青混合料车辙试验。沥青混合料的动稳定度计算方法见式(1)。

(1)

式中：DS为沥青混合料的动稳定度，次/mm；d1为对应于时间t1的变形量，mm；d2为对应于时间t2的变形量，mm；C1，C2为试验机类型系数和试件系数，N为试验轮往返碾压速度，通常为42 次/min。

热拌沥青混合料与温拌沥青的动稳定度计算结果见表4，动稳定度越大则混合料的抗剪强度越高，高温稳定性越好。

表4 沥青混合料动稳定度结果

由表4可见，A温拌剂沥青混合料的动稳定度降低了8.7%，B温拌剂沥青混合料的动稳定度提高了2.6%。说明A温拌剂会降低混合料的高温稳定性，B温拌剂会提高混合料的高温稳定性。热拌沥青与温拌沥青均充分满足规范要求，主要原因是SMA混合料的矿料骨架有很大的内摩擦角，从而SMA混合料有优良的抗车辙性能[10]，一定程度上降低了温拌剂对其高温稳定性的影响。

2.3 温拌剂对沥青混合料耐疲劳性能的影响

参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0739-2011进行沥青混合料的四点弯曲疲劳寿命试验。试件两端被固定住，中间的2个夹具会做往复运动，该试验的示意见图2。

图2 4点弯曲试验示意

该试验中需按式(2)～(7)测得一系列力学指标。

σt=(L×P)/(w×h2)

(2)

εt=(12×δ×h)/(3×L2-4×α2)

(3)

S=σt/εt

(4)

φ=360×f×t

(5)

EDi=π×σt×εt×sinφ

(6)

(7)

式中：σt为最大拉应力，Pa；L为梁跨距，即外端两个夹具间距，m；w为梁宽，m；h为梁高，m；P为峰值荷载，N；εt为最大拉应变；δ为梁中心最大应变；α为相邻夹头中间间距,m；S为弯曲劲度模量，Pa；φ为相位角(°)；f为加载频率，Hz；t为应变峰值滞后于应力峰值的时间，s；EDi为单个循环耗散能，J/m3；ECD为疲劳试验过程中累积耗散能，J/m3。

四点弯曲梁的试验结果见图3与图4，初始模量越大则沥青混合料的硬度越高，循环次数和累计耗散能越大则沥青混合料的抗疲劳性能越好。通常较硬的材料，在重复荷载下更容易发生脆性破坏，降低沥青混合料的模量，对提高沥青混合料的疲劳寿命有一定积极作用。

图3 混合料初始弯曲劲度模量

图4 沥青混合料的循环次数和累计耗散能

由图3可见，2种温拌沥青混合料的初始模量均小于热拌沥青混合料，说明温拌剂使沥青软化从而降低了混合料的模量。2种温拌沥青合料的初始弯曲劲度模量较热拌沥青混合料分别降低了14.3%和18.9%，初始弹性模量分别降低了14.2%和19.0%。在图4中，2种温拌沥青混合料的循环次数和累计耗散能都有大幅提升，说明温拌剂使混合料的韧性得到改善，疲劳寿命明显增长。2种温拌剂的循环次数分别增加了86.1%和95.3%，累计耗散能分别增加了52.4%和69.6%。

2.4 温拌剂对沥青混合料水稳定性的影响

国内外研究认为,沥青混合料黏附性越好其抗水损害性能越好。集料的表面越粗糙、碱性越强、带正电荷越多与沥青黏附性越好[11]。在相同配合比设计下，沥青与矿料之间的黏附性成为了沥青混合料水稳定性的关键因素。对混合料进行水稳定性试验，可以探究温拌剂对沥青与矿料的黏附性的影响。

同时采用了浸水马歇尔和冻融劈裂试验来评价沥青混合料的抗水损害性能。浸水马歇尔试验是将圆柱形马歇尔试件(直径：(101.6±0.2) mm，高：(63.5±1.3) mm)在规定温度的恒温水槽里保温48 h后用圆环形夹具将试件夹至破坏。冻融劈裂试验首先对马歇尔试件在水中抽真空使其充分吸收，然后试件在-18 ℃左右保温16 h，再在60 ℃水中保温24 h后用条状夹具将其夹至破坏。浸水马歇尔试验试和冻融劈裂试验分别参照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0709-2011和T 0729-2011的方式进行。

沥青混合料水稳定性的实验结果见表5。

表5 沥青混合料水稳定性试验结果

由表5可见，2种温拌剂对未浸水试件的马歇尔稳定度的提升分别高达51.1%和120%，对未冻融试件的劈裂抗拉强度也有略微提升。这可能是温拌剂提升了沥青混合料的黏聚力。但残留稳定度和冻融劈裂强度比较热拌沥青混合料略有降低，说明两种温拌剂对沥青与矿料之间的黏附性有一定的负面影响。冻融劈裂试验中沥青混合料有更大的拉应力，更能直观地反映沥青与矿料之间的黏附性，所以B温拌剂沥青混合料的水稳性能更好。

2.5 温拌剂对沥青混合料低温抗裂性能的影响

采用低温弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性能，该试验的示意图见图5。试验中首先将沥青混合料板状试件按规定切割成条状，将条状试件在-10 ℃的防冻液里保温至少45 min后测其抗弯性能。参照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0715-2011进行-10 ℃条件下沥青混合料的低温弯曲试验。

图5 低温弯曲试验示意

试件破坏时的抗弯拉强度RB和梁底最大弯拉应变εB计算方法见式(8)～(9)。

(8)

(9)

式中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度，MPa；εB为试件破坏时的最大弯拉应变，μ×10-6；b为跨中断面试件的宽度，mm；h为跨中断面试件的高度，mm；L为试件的跨径，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，N；d为试件破坏时的跨中挠度，mm。

低温弯曲试验的测试结果见图6。沥青混合料低温弯曲破坏时的应变越大、强度越高，则沥青混合料的低温抗裂性能越好[12]。

图6 低温弯曲试验的测试结果

由图6见，A温拌剂沥青混合料最大抗弯拉应变和极限抗弯拉强度较热拌沥青混合料差别很小，说明A温拌剂对沥青混合料的低温性能基本无影响。相比热拌沥青混合料，B温拌剂沥青混合料的最大抗弯拉应变降低了30.8%，极限抗弯拉强度降低了12.7%。说明B温拌剂会对沥青混合料的低温性能产生负面影响。对于严寒地区，JTG D50-2017 《公路沥青路面设计规范》要求沥青混合料的最大弯拉应变不小于3 000，B温拌剂导致沥青混合料不满足该要求。

3 结语

本文通过沥青胶结料试验分析了温拌剂的降黏机理、对沥青性能的影响、降黏效果，再通过沥青混合料试验验证了温拌沥青混合料的各项路用性能。根据这两部分的试验结果得到以下结论。

1) 2种温拌剂均为表面活性类温拌剂，B温拌剂的降黏效果略优，两者均能降低超过20 ℃的施工温度。

2) 对于较炎热的地区，建议选用B温拌剂。虽然B温拌剂沥青的软化点略有降低，但B温拌剂沥青混合料的高温稳定性却有小幅提升。A温拌剂会略微降低沥青的软化点，同时A温拌沥青混合料的高稳定性也被弱化。

3) 对于重载交通路段，对路面疲劳寿命有较高要求的地区，建议选用B温拌剂。B温拌剂沥青的延度高于A温拌剂沥青。2种温拌沥青混合料的疲劳寿命均远长于热拌沥青混合料，但B温拌剂沥青混合料的抗疲劳性能的表现更好。

4) 对常年多雨的地区，建议选用B温拌剂。2种温拌沥青混合料的水稳定性都有一定削弱，但B温拌剂沥青混合料的水稳定性略好于A温拌剂沥青混合料。

5) 对于北方及高寒地区，建议选择A温拌剂。因为A温拌剂几乎不会对沥青混合料的低温性能产生影响，而B温拌剂会一定程度地削弱沥青混合料的低温性能。