不同降黏剂对温拌超薄磨耗层性能影响

庄恢将 李旭豪 李艺博 李本亮 张家伟 黄卫东

(1.广州市高速公路有限公司营运分公司 广州 510000；2.广州大象超薄路面技术开发有限公司 广州 510000；3.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 200092)

超薄罩面是厚度仅为0.8～1.5 cm厚的沥青混凝土路面，是公路工程预防性养护中最有效的技术手段，具有改善平整度，提高抗滑性能，提升行驶质量等一系列优点[1-2]。目前常用的超薄罩面多为热拌超薄罩面技术，混合料的生产拌和温度通常在180 ℃以上[3-4]。如此高的生产温度不仅使得拌和站在加热石料过程中需要耗费大量的能源资源，产生更多的污染排放，而且混合料在高温条件下极易发生老化，造成性能下降，从而降低超薄罩面的使用耐久性。如何解决混合料生产温度过高的问题成为了推广超薄罩面技术的关键。

一般来说，热拌薄层罩面多使用高黏度改性沥青作为胶结料，因而需要较高的温度来保证混合料的施工和易性。为了解决这个问题，可以通过降低沥青胶结料的黏度，使得混合料在较低温度情况下仍具有良好的施工性能，即所谓的温拌降黏技术。目前常用的温拌技术根据温拌机理可分为3大类，分别是以Foaming发泡沥青为代表的发泡类温拌技术[5]，以Evotherm为代表的乳化沥青分散降黏温拌技术[6]和以Sasobit为代表的有机添加剂降黏技术[7]。其中发泡类温拌技术和乳化类温拌技术在降黏过程中均有水分参与，因而混合料会存在后期水稳定性不足的问题。有机降黏剂一般主要成分为蜡，在高温状态下为流动的液体，加入到沥青当中可以起到润滑作用，从而降低沥青在高温条件下的黏度。

目前常用的有机降黏剂有Sasobit、聚乙烯蜡等有机蜡，国外研究学者也曾将棕榈蜡用于沥青混合料中以实现温拌效果[8]，从使用效果来看，有机蜡对普通改性沥青的温拌降黏效果显著。尚金娜等[9]将回收聚乙烯蜡加入到SBS改性沥青当中发现可以有效降低沥青的高温黏度，使其在低温条件下具有良好的施工性能。乐金朝等[10]的研究表明Sasobit改性剂可显著改善沥青的高温性能及施工和易性,同时对沥青的抗老化性能、感温性能也具有一定的改善作用。丁鹏等[11]通过在成品高黏沥青中掺入Sasobit+聚乙烯蜡制备温拌沥青，验证其能够显著改善沥青的高温性能。上述研究表明有机降黏剂不仅能降低沥青的黏度，还能改善高温等方面的性能。

因此，本研究拟通过在高黏度改性沥青中分别添加几种不同的有机降黏剂，评价其温拌降黏效果，并通过室内试验比较不同降黏剂添加前后超薄磨耗层混合料的路用性能变化情况。

1 材料与试验

1.1 材料

1.1.1沥青

本研究中选用某公司生产的高黏度改性沥青作为基础沥青，基本指标见表1。

表1 高黏度改性沥青基本指标

1.1.2有机降黏剂

本研究中有机降黏剂选用Sasobit、聚乙烯蜡和SZ。其中SZ是一种国产新型降黏剂，3种降黏剂基本指标见表2。

表2 3种降黏剂基本指标

3种降黏剂添加量均为2%，其中：降黏剂∶沥青=2∶100，首先将沥青加热至170 ℃以上，而后不断搅拌并缓慢加入降黏剂，待所有降黏剂添加完毕，持续搅拌15 min即制备完成。

1.2 混合料级配

本研究所用混合料为OGFC-5级配，由3档集料组成，分别为3～5 mm玄武岩粗集料，0～3 mm石灰岩细集料和石灰岩矿粉，混合料级配的各档通过率见表3。

表3 混合料级配各档通过率

1.3 试验方法

1.3.1沥青常规指标试验

沥青常规指标测试包括针入度、软化点、5 ℃延度及老化试验。试验参照规范JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。

1.3.2黏度试验

通过布洛克菲尔德黏度(Brookfield viscosity)试验来测定沥青在不同温度下的黏度，选用27号转子，相应的样品质量称取13.5 g，试验从100 ℃开始进行，每上升10 ℃，测试相应温度下的黏度，待黏度结果小于500 mPa·s，停止升温。将沥青在不同温度下的黏度数据绘入对数坐标图中，并以幂函数y=axb进行拟合，得到相应的黏度-温度曲线。其中：a、b为拟合系数；x为测试温度，℃；y为对应的黏度，mPa·s。

1.3.3混合料试验

本研究中混合料试验包括马歇尔试验、冻融劈裂试验(TSR)、肯塔堡飞散试验，以及车辙试验，以上所有试验均参照现行规范JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。

2 试验结果分析

2.1 黏度试验结果

将4种沥青在不同温度下的黏度绘入对数坐标图中，并进行幂函数拟合，结果见图1。由图1可见，4种沥青的黏度-温度曲线幂函数拟合相关系数R2均大于0.96，表明拟合结果非常好。观察4种沥青的黏温曲线，可以发现对于高黏+聚乙烯蜡和高黏+Sasobit 2种沥青，其黏温曲线均在高黏沥青的黏温曲线下方，说明在相同温度下，添加聚乙烯蜡和Sasobit降黏剂的高黏沥青黏度小于原样高黏沥青，即降黏效果比较突出。而对于SZ降黏剂，在温度低于120 ℃时，添加SZ的高黏沥青黏度高于原样高黏沥青，而在较高温度条件下，高黏+SZ沥青的黏度又显著小于原样高黏沥青，说明SZ在高温条件下降黏效果比较显著。沥青黏温曲线拟合函数的幂绝对值，代表了沥青黏度随温度变化的敏感性，即拟合函数幂的绝对值越大说明沥青随温度变化其黏度变化越敏感。

图1 不同沥青的黏度-温度拟合关系

对比4种沥青的黏温曲线拟合函数幂的绝对值发现，添加Sasobit后，沥青的黏度随温度变化的敏感性有所降低；添加聚乙烯蜡可使沥青的黏度随温度变化的敏感性提升 ，然而添加SZ后沥青的黏度随温度变化的敏感性迅速上升，因而出现，在较低温度下高黏+SZ的黏度高于原样高黏

沥青，而在较高温度下黏度又显著低于原样高黏沥青。这种现象可能是由于SZ降黏剂本身的软化点较高(达110 ℃)所致，即在温度超过110 ℃以后SZ开始融化，发挥降黏的作用。

根据不同沥青黏度-温度曲线的幂函数拟合关系式，拟定基准黏度为1 000 mPa·s，通过拟合函数温度反算，计算不同沥青在对应黏度下的温度结果，以原样高黏沥青作为参照，计算添加降黏剂后高黏沥青在对应黏度下的温度改变值作为温拌效果，计算结果见表4。可以发现在基准黏度为1 000 mPa·s的条件下，3种降黏剂均有良好的温拌降黏效果，温度降低幅度在10 ℃以上，其中聚乙烯蜡降温效果最优，达到了16.7 ℃，相比之下，SZ的降温幅度最小，这也与所选基准黏度有关。

表4 不同沥青的降黏效果

2.2 三大指标

添加3种降黏剂后的沥青三大指标结果见表5。

表5 不同沥青的三大指标结果

从针入度指标来看，聚乙烯蜡和Sasobit添加后，沥青的针入度显著降低，表明沥青变硬，相应的5 ℃延度指标也有所下降，说明这2种温拌剂添加后沥青的低温性能有所降低。添加SZ降黏剂后沥青的针入度有些许降低，而同时5 ℃延度指标还有所增加，说明SZ降黏剂的添加对沥青的低温性能有所改善。软化点指标测试结果表明，添加3种降黏剂之后，沥青的软化点均有提升，表明沥青的高温性能得到改善，这是由于3种降黏剂本身的软化点均高于高黏沥青，添加后会提升沥青的软化点，其中SZ降黏剂本身软化点最高，为110 ℃，因而对应的高黏+SZ沥青软化点也最高。

基于前述沥青的降黏结果，拟定对于高黏沥青，其混合料拌和与成型温度为175 ℃，而对于添加降黏剂的高黏沥青，拌和与成型温度统一为155 ℃，温度降低20 ℃。混合料试件通过旋转压实成型，直径为100 mm、高度为63.5 mm，通过高度控制，保证试件具有相同的孔隙率，而车辙板成型采用规范中的轮碾成型方法。对于马歇尔试验、飞散试验及冻融劈裂试验，每组进行3次平行试验，结果取平均值，并以误差棒来表示数据浮动情况。

2.3 马歇尔稳定度

混合料的马歇尔稳定度实验结果见图2。

图2 不同沥青混合料的马歇尔实验结果

由图2可见，当在高黏沥青中添加降黏剂后，混合料的马歇尔稳定度出现不同的变化，对于高黏+聚乙烯蜡和高黏+Sasobit，2组混合料试件的马歇尔稳定度均低于原样高黏沥青，而对于SZ降黏剂，添加到高黏沥青后，混合料的马歇尔稳定度有所增加，表明路用性能强度得到提升。从流值结果来看，高黏沥青添加聚乙烯蜡后，混合料的流值结果有所提升，表明抗变形能力有所增强，而对于SZ和Sasobit 2种降黏剂，添加高黏沥青后会使混合料的流值有所降低，说明混合料在某种程度上变“硬”。

2.4 肯塔堡飞散

沥青混合料的肯塔堡飞散实验结果见图3。

图3 不同沥青混合料的飞散结果

由图3可见，对于原样高黏沥青混合料来讲，飞散损失比较小，仅为5.7%，表明高黏沥青超薄罩面混合料的抗松散性能很好。而加入降黏剂后发现，混合料的飞散结果均变大，然而几种温拌高黏沥青混合料的飞散结果均小于10%，远低于规范中升级配20%的飞散损失上限。说明降黏剂的加入对混合料的抗松散性能有所损害，然而幅度非常有限，加入降黏剂后混合料的飞散指标仍能满足要求。相较之下添加SZ降黏剂的高黏沥青混合料飞散损失低于其他2种降黏剂结果，说明添加SZ的高黏沥青混合料抗松散性能优于添加其他2种降黏剂的混合料。

2.5 冻融劈裂

不同沥青混合料的冻融劈裂试验结果见图4。

图4 不同沥青混合料的冻融劈裂试验结果

由图4可见，高黏沥青添加聚乙烯蜡降黏剂后，混合料的原样劈裂强度和冻融劈裂强度均比高黏沥青混合料低，说明混合料整体强度偏软。添加Sasobit降黏剂的混合料劈裂强度与原样高黏沥青混合料相当而SZ降黏剂的加入能提升混合料的劈裂强度，说明混合料变硬，这一结果与马歇尔稳定度结果比较类似。观察冻融劈裂强度比TSR结果发现，原样高黏沥青混合料的TSR结果能到89%，而添加聚乙烯蜡和Sasobit降黏剂的高黏沥青混合料TSR结果降低，表明抵抗水损害能力下降，而添加SZ降黏剂的混合料的TSR结果上升，说明SZ降黏剂有助于提升超薄罩面混合料的水稳定性能。

2.6 车辙试验

不同沥青混合料的车辙试验结果见图5。由图5可见，对于原样高黏沥青磨耗层混合料，其动稳定度比较低，一方面与沥青的高温性能有关，另一方面也与级配有关，即选用小粒径的级配会导致车辙性能下降。而降黏剂加入之后磨耗层混合料的动稳定度均变大，说明降黏剂有增加混合料高温稳定性的作用。前述沥青三大指标结果也表明降黏剂的加入提高了沥青的软化点，有助于提升沥青的高温性能。观察发现，高黏+SZ沥青混合料的动稳定度最高，达到4 219次/mm，这是由于高黏+SZ沥青的软化点最高，高温性能最好。

图5 不同沥青混合料的车辙试验结果

3 结论

本研究通过在高黏沥青中分别添加Sasobit、聚乙烯蜡和SZ降黏剂，以降低高黏沥青的黏度从而降低混合料的生产拌和温度，并进行混合料性能验证。通过室内试验研究，得出以下结论。

1) 聚乙烯蜡和Sasobit降黏剂对高黏沥青降黏效果明显，两者降黏效果比较接近，而SZ降黏剂在高温条件下降黏效果比较显著，在较低温度下反而会增加沥青的黏度，与聚乙烯蜡和Sasobit降黏剂不同，SZ降黏剂的加入使得沥青的黏度变化敏感性增加。

2) 根据不同沥青拟合的黏-温曲线函数关系式，以1 000 mPa·s为基准黏度进行温度反算，聚乙烯蜡、Sasobit和SZ 3种降黏剂加入可使沥青温度分别降低16.7 ℃，15.8 ℃和13.6 ℃，相应的混合料拌和温度可平均降低20 ℃，达到温拌的效果。

3) 高黏沥青加入降黏剂会提升热拌超薄磨耗层混合料的高温性能，而对抗松散性能有所损害，对于聚乙烯蜡和Sasobit降黏剂，其混合料性能比较接近，添加到高黏沥青当中会使混合料的马歇尔稳定度和TSR结果有所降低，而SZ降黏剂不同于聚乙烯蜡和Sasobit，可提升混合料的马歇尔稳定度和抗水损害性能，是一种高性能降黏剂。