不同温拌技术对沥青及其沥青混合料性能影响分析

2021-10-27张慧生

山西建筑 2021年21期

张慧生，吴凡

(苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211100)

十四五期间，为减轻环境污染，节约地球资源，国家出台了一系列政策，这些政策也较大程度促进了道路交通领域新材料、新工艺的发展，例如，近年较流行的温拌沥青技术，就属于节能减排的新材料、新工艺。当前流行的温拌沥青主要是将原始沥青发泡或者在原始沥青中添加温拌剂，从而达到降低施工拌和温度，且有研究表明当施工温度每降低10 ℃，每吨沥青混合料将减少0.9 kg的二氧化碳等有害气体的排放。

目前，常用的温拌剂类型有表面活性剂类、有机添加剂类、沥青-矿物类。不同的温拌剂降低施工温度的机理也不尽相同，本文主要研究了添加表面活性剂Evotherm M1，Redise LQ110C以及有机降黏剂Sasobit Redux三种温拌剂对沥青性能影响。再通过研究体积参数与温度的关系，得到最佳拌和压实温度，在最佳压实温度的条件下，通过相关实验评价不同温拌类型对沥青混合料性能的影响，从而对温拌技术实际应用提供指导。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青

本文所采用的原始沥青为SBS改性沥青，主要技术指标见表1。

表1 原始SBS改性沥青技术指标

1.1.2 温拌剂

本研究选用三种温拌剂，第一种是Sasobitbit Redux(下文简称Saso)，第二种是Redise LQ-1102C(下文简称1102C),第三种是Evotherm M1(下文简称M1)。其中本研究温拌剂Saso的添加量为沥青质量的1.5%，温拌剂1102C的添加量为沥青质量的0.75%，温拌剂M1的添加量为沥青质量的0.5%。

1.1.3 矿料级配

本文所选用粗细矿料均为石灰岩，按照《公路工程集料试验规程》[1]对矿料进行检测，各技术指标均满足规范要求，且本文所选用沥青混合料级配为Sup-20。

1.2 实验方法

1.2.1 沥青性能实验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[2]的实验方法和《公路沥青路面施工技术规范》[3]的技术指标，分别检测SBS,SBS-Sasobit,SBS-1102C,SBS-M1四种沥青老化前后的针入度、软化点、延度及135 ℃黏度，研究各种温拌技术对沥青性能的影响。

1.2.2 沥青混合料性能实验

首先通过研究沥青混合料体积参数与压实温度的关系，从而得出各温拌技术的最佳压实温度。通过各性能实验验证在最佳压实温度下各温拌沥青混合料的高温性能、水稳定性、低温性能以及抗疲劳断裂性能是否能满足要求，讨论各种温拌沥青混合料相关性能的变化规律。

2 温拌剂对沥青性能影响分析

根据相应温拌剂掺量，添加温拌剂Saso，1102C，M1。研究各温拌剂对原始SBS改性沥青性能影响，实验结果如表2所示。

表2 各温拌沥青技术指标

由表2结果可知，在添加温拌剂Saso后，原SBS改性沥青针入度、延度以及135 ℃黏度有着较大幅度的降低，而软化点有着较为明显的上升。主要原因为温拌剂Saso为合成蜡物质，熔点为102 ℃，常温下呈现固态。当沥青温度较低时，其在沥青中形成连续且稳定的网状结构，使得沥青变硬、变脆，并提高了沥青的稳定性，降低温度敏感性。而当沥青温度高于其熔点时，Saso能充分的分布在沥青中，因此降低了沥青黏度。

而在添加了温拌剂1102C以及M1后，原SBS改性沥青各项性能都变化较小，究其原因，表面活性剂类温拌剂，在与沥青充分搅拌后内部的水溶液基本挥发，只剩下少量对沥青影响很小的活性剂成分[4]。

经旋转薄膜烘箱试验短期老化后，掺入温拌剂Saso的沥青相较于原SBS改性沥青的各项指标变化幅度较小，可见温拌剂Saso对沥青抗老化性能的影响较小。而掺入温拌剂1102C与M1的沥青各项指标变化比例皆明显减小，可见温拌剂1102C，M1能明显增加沥青的抗老化性能[5-6]。

3 不同温拌剂对沥青混合料性能影响分析

3.1 不同温拌沥青混合料降温效果评价

选用级配为SUP-20，最佳沥青用量为4.16%。在最佳沥青用量的条件下确定各温拌类型的沥青混合料的最佳压实温度。选用四种拌和温度(165 ℃，150 ℃，135 ℃，120 ℃)制备旋转压实试件，并测定体积参数，以孔隙率4.0%时所对应的压实温度作为最佳压实温度,实验结果见图1。空隙率与成型温度的线性回归方程见表3。

表3 空隙率与成型温度的线性回归方程

结合图表分析可知，各温拌沥青混合料试件空隙率与压实温度的线形关系较好。以空隙率4.0%作为目标空隙率时，通过线形回归方程得到，原SBS压实温度为160 ℃，SBS-Saso压实温度为146 ℃，降温幅度为14 ℃，SBS-1102C压实温度为142 ℃，降温幅度为18 ℃，SBS-M1压实温度为132 ℃，降温幅度为28 ℃。可见温拌剂M1的降温效果要优于温拌剂1102C与温拌剂Saso[7-8]。

3.2 不同温拌沥青混合料路用性能评价

在最佳压实温度条件下，通过相关实验验证各温拌沥青混合料的高温性能、水稳定性、低温性能以及抗疲劳断裂性能是否能满足要求，讨论各种温拌沥青混合料相关性能的变化规律[9]。

3.2.1 不同温拌沥青混合料高温性能

采用车辙实验评价温拌沥青混合料的高温性能，实验结果如表4所示。

表4 各温拌沥青混合料高温性能次/mm

由表4可知，相较于原SBS沥青，添加温拌剂Saso的沥青混合料的动稳定度增加了17.4%，有了较为明显的上升，究其原因是车辙实验的温度为60 ℃，远低于温拌剂Saso的熔点，此时温拌剂Saso仍以固体的形式均匀分布在沥青形成网状稳定结构，提高了混合料的稳定性。而添加温拌剂1102C与M1的温拌沥青混合料动稳定度增加比例较小，表明温拌剂1102C,M1对混合料影响较小[10-11]。

3.2.2 不同温拌沥青混合料水稳定性

采用浸水马歇尔实验与冻融劈裂实验评价温拌沥青混合料水稳定性能(见表5，表6)。

表5 各温拌沥青混合料残留稳定度

表6 各温拌沥青混合料冻融劈裂强度比

结合浸水马歇尔实验与冻融劈裂实验结果，三种温拌沥青混合料的残留稳定度与冻融劈裂强度比均满足规范要求，与SBS改性沥青相比，添加温拌剂Saso的温拌沥青混合料残留稳定度上升了1.3%，冻融劈裂强度比下降了2.2%，变化比例较小，可见温拌剂Saso对沥青混合料水稳定性能影响较小。而添加温拌剂1102C，M1的温拌沥青混合料残留稳定度上升6.2%，6.8%，冻融劈裂强度比上升3.2%，3.9%，可见温拌剂1102C，M1能够提升混合料的抗水毁能力，主要是因为沥青混合料中的沥青薄膜可以在温拌剂1102C，M1的帮助下驱离并取代石料表面的残留水分，并且帮助沥青薄膜与石料表面形成牢固的化学作用力，提高沥青混合料的抗水毁能力。

3.2.3 温拌沥青混合料低温性能

采用低温小梁实验验证温拌沥青混合料的低温性能，实验结果见表7。

表7 各温拌沥青混合料低温性能

由表7可知，三种温拌沥青混合料皆能满足规范要求，相较于SBS沥青混合料，添加温拌剂Saso后极限弯拉应变下降了17.0%，有着较为明显的下降，主要原因为当混合料长时间处在0 ℃以下的环境时，溶解在沥青中的温拌剂Saso与一小部分被它吸附的沥青饱和分一起析出，使得沥青变得又脆又硬，降低沥青混合料的低温性能。而添加温拌剂1102C与M1的沥青混合料仅上升了1.6%，2.8%，表明温拌剂1102C，M1对沥青混合料的影响较小。

3.2.4 温拌沥青混合料疲劳抗裂性能

采用带切缝半圆弯曲疲劳实验评价温拌沥青混合料疲劳性能，疲劳实验温度选为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载波形为半正失波，试件直径为150 mm、厚度为50 mm，底部切缝深度为15 mm、宽度为1.5 mm。

首先要进行半圆弯曲强度试验，从而确定半圆弯曲疲劳试验的荷载水平与应力比。

通过半圆强度实验结果发现SBS，SBS-Saso，SBS-1102C，SBS-M1的破坏荷载平均值8.73，9.13，8.83，8.62(见表8)。半圆疲劳实验需要选择合适的应力比，将疲劳寿命控制在几千到几十万次之间，通过多次尝试确定半圆弯曲疲劳实验的应力比，见表9。

表8 各温拌沥青混合料破坏荷载

表9 各温拌沥青混合料荷载水平与应力比

通过确定的荷载水平，对试件加载，从而得到疲劳寿命，见表10。

表10 在不同应力比下各温拌沥青混合料疲劳寿命

结合之前的研究，应力比与疲劳寿命可用式(1)表示：

(1)

其中，Nf为疲劳寿命，次；t为应力比；k，n均为待拟合的系数。

为了使数据更加的直观，将式(1)两边取对数，得到式(2)：

lnNf=lnk-nlnt

(2)

对表9，表10的数据进行拟合得到各温拌沥青混合料疲劳系数,见表11。

表11 各温拌沥青混合料疲劳系数

lnk为曲线的截距，lnk值越大，表明该半圆试件抗疲劳性能越好；n为曲线的斜率，反映半圆试件的疲劳寿命对应力比的敏感程度，n值越大，则表示疲劳寿命对应力比变化越敏感，疲劳性能越差，因此本研究用lnk/n值来评价各种温拌沥青混合料的抗疲劳性能[12-13]。

由表11可见，将各温拌沥青混合料lnk/n值由大到小排列，SBS-Saso>SBS-1102C>SBS-M1>SBS。且SBS-Saso的lnk/n值为SBS的1.75倍，SBS-1102C的lnk/n值为SBS的1.25倍，SBS-M1的lnk/n值为SBS的1.20倍，可见温拌剂Saso能够较大幅度的提升混合料的疲劳性能，温拌剂1102C以及M1对混合料的疲劳性能影响较小[14-15]。