高黏沥青用温拌剂的优选及其性能评价

刘 武，汪 婷，孙 啸

(1 南京市路桥工程有限公司，江苏南京 211131；2河海大学水利水电学院，江苏南京 210098)

传统沥青路面在雨天因积水会产生溅水和喷雾现象，导致路面抗滑能力大大降低，给行车安全造成较大隐患，造成大量交通事故[1-2]。而排水沥青路面的出现可有效解决以上问题，具有防滑、降噪等优点，可提高行车安全、舒适性，提升沥青路面的品质[3-5]。

排水沥青路面的空隙率在20%左右，且实质为单一粒径碎石按照嵌挤机理形成骨架-空隙结构的开级配沥青混合料，骨料之间为点点接触[6-7]。因此对关键核心材料胶结料-高黏沥青提出了更高的要求，要求高黏沥青具有较好的高温性能、粘附性、热存储稳定性等，即软化点高、60℃动力黏度大、离析温度差小等特点[8]。但以上要求会导致高黏沥青存在高温黏度大、泵送困难的问题，进而要求其施工温度高，碳排放较大，与当前国家倡导的节能减排、绿色施工的理念不符。本文拟引入温拌技术，选取并考察了三种类型的温拌剂，制备温拌高黏沥青以达到降低其高温黏度的目的，在保证其关键性能指标的同时改善施工和易性，从而起到节能环保的作用。

1 试验部分

1.1 材料

1.1.1 基质沥青

选用韩国进口的SK 70#沥青作为基质沥青，其性能指标见表1。

表1 SK 70#基质沥青性能检测结果Table 1 Performance properties of SK 70# asphalt

1.1.2 聚合物改性剂

选用巴陵石化生产的YH-791 SBS高分子改性剂，其性能指标见表2。

表2 SBS改性剂的主要技术指标Table 2 Technical properties of SBS modifier

1.1.3 相容剂

在改性沥青体系中，对于SBS和基质沥青本身而言，其组成和结构存在很大差异，进而导致二者相容性较差，尤其是体现在热储存稳定性上，容易出现相分离和分层现象。故本文采用掺加相容剂的方法来改善SBS与沥青的相容性。相容剂选用橡胶油，其成分为富芳类的馏分油，芳烃含量大于70%。

1.1.4 温拌剂

本研究引入温拌技术进行温拌高黏沥青的制备，以改善传统的高黏沥青高温黏度大、存储稳定性差的问题，进而有效改善其施工和易性并降低其碳排放。拟选取Sasobit、Evotherm和LQW-0400三种类型温拌剂进行探究，各材料性能指标详见表3。

表3 温拌剂的性能指标Table 3 Properties of warm mixing agents

1.2 温拌高黏沥青的制备

改性沥青的制备过程中搅拌速度、剪切温度、剪切速度、剪切时间、发育温度、发育时间以及加料顺序等都将会对改性沥青的性能产生很大的影响，本研究在传统成品高黏沥青制备工艺的基础上进行了优化，开展了大量温拌改良高黏沥青制备工艺的考察工作，获得了优化的温拌改良高黏沥青的制备工艺条件，具体制备工艺如图1所示。

图1 掺温拌剂的高黏改性沥青制备工艺Fig.1 Preparation of high viscosity modified asphalt with warm mixing agent

1.3 试验方法

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对所制备的高黏沥青的软化点、25℃针入度、5℃延度、60℃动力黏度、135℃布什黏度和离析度等指标进行评价。其中，60℃动力黏度、135℃布什黏度、热存储稳定性作为温拌改良高黏沥青的关键技术指标。

2 结果与讨论

2.1 温拌剂类型优选

本论文基于前期工作的筛选，并结合厂家的推荐值和前期的研究基础，确定了三种温拌剂的掺量分别为2.5%、2.5%、0.6%。此外，SBS改性剂的掺量为7.0%，相容剂掺量为5.5%，稳定剂掺量为0.2%。对所制备的温拌改良高黏沥青进行了性能测试，结果见表4。

表4 温拌剂种类对高黏沥青性能的影响Table 4 Inf luence of warm mixing agent on the properties of high viscosity asphalt

软化点是沥青从黏塑状态向黏流状态转变的临界温度，它在实质上反映了沥青的等黏温度，常用于评价沥青的高温性能。由表4看出，对于有机蜡类温拌剂（Sasobit、LQW-0400）而言，温拌剂的加入可以提高高黏沥青的软化点，掺温拌剂Sasobit和LQW-0400的高黏沥青的软化点参数比基准组沥青分别提高了2.57%和4.39%，且LQW-0400温拌剂对软化点的提升幅度比Sasobit温拌剂高1.82%；而表面活性剂类的温拌剂Evotherm对高黏沥青的软化点影响不大，甚至略有降低。故从软化点的角度来看，温拌剂LQW-0400的效果较好。

25℃针入度可以间接表征沥青的高温性能，针入度越高，沥青的抗高温性能越差，抗低温性能越好。不同种类的温拌剂对高黏沥青25℃针入度均造成降低。掺温拌剂Sasobit、Evotherm、LQW-0400的高黏沥青的25℃针入度参数比基准组沥青分别降低了6.45%、1.61%、4.84%。从结果可见，表面活性剂类的温拌剂对25℃针入度影响程度远小于有机蜡类温拌剂。

5℃延度可以表征改性沥青的低温性能。Sasobit和LQW-0400两种有机降黏类的温拌剂对高黏沥青的延度影响较大，分别比基准组降低了24.31%和15.97%，且温拌剂Sasobit对其延度的衰减幅度比温拌剂LQW-0400大8.34%。而Evotherm表面活性剂类温拌剂对其5℃延度基本没有影响，仅比基准组降低了1.39%。出现以上现象的原因是两类温拌剂的作用机理不同，其中有机降黏类温拌剂会在高温环境(＞100℃)下液化，从而增加了高黏沥青中的轻质组分，使得高黏沥青的高温流动性增加；表面活性类温拌剂的作用机理类似乳化沥青，使高黏沥青形成油包水的状态，从而降低其黏度。

135℃布什黏度作为高黏沥青的关键性指标，其大小可以反映高黏沥青的施工和易性，黏度越小，其施工和易性越好，即温拌剂对高黏沥青的温拌效果越好，反之越差。由表4可知，Sasobit和LQW-0400两种有机降黏类的温拌剂对高黏沥青135℃运动黏度降低幅度较大，分别比基准组沥青降低了12.5%和21.63%，其中温拌剂LQW-0400降低最为明显，降低幅度比Sasobit温拌剂大9.13%，说明其温拌效果最好。而由于降黏机理的不同，温拌剂Evotherm对135℃运动黏度的降低不明显，仅比基准组降低了3.13%。

60℃动力黏度是评价高黏沥青高温性能和粘附性的重要指标，温拌剂的加入在提高沥青混合料施工和易性的同时不能损伤其60℃动力黏度。由表4可知，Sasobit和LQW-0400有机降黏类温拌剂可以大大提升高黏沥青的60℃动力黏度，分别比基准组提高了28.89%和43.77%，且LQW-0400较Sasobit的提升幅度高14.88%。而Evotherm温拌剂会降低其60℃动力黏度，对高黏沥青高温性能和粘附性产生不利的影响。为此，从60℃动力黏度的角度考虑，应选择LQW-0400作为温拌高黏沥青的温拌剂材料，其在改善高黏沥青施工和易性的同时还提高了高黏沥青的高温性能和粘附性。

离析度可反映体系相容性和配伍性的好坏。三种温拌剂都降低了高黏沥青离析度，具体表现为：Sasobit、LQW-0400有机蜡类温拌剂对高黏沥青离析度的影响较大，分别比基准组沥青降低19.61%和25.49%；表面活性类温拌剂对离析度的影响仅比基准组降低了11.76%。从离析度角度来看，LQW-0400温拌剂的效果较好，其有效降低了高黏沥青离析度参数，避免了高黏沥青发生凝聚、离析现象。

综上，得出较佳的温拌剂为LQW-0400，为后续温拌高黏沥青的研发提供了合适的温拌剂材料。

2.2 温拌剂掺量的确定

根据以上研究，确定了温拌剂类型为LQW-0400，在此基础上考察该温拌剂的掺量对高黏沥青性能的影响规律，以此确定其合适掺量，其中温拌剂的掺量分别选取2.0%、2.5%、3.0%、3.5%。

2.2.1 软化点

由图2可知，随着温拌剂掺量的增加其软化点逐渐升高。这是因为温拌剂不仅可以作为改善高黏沥青施工和易性的材料，还可以明显提升其高温性能。同时发现，当温拌剂掺量为2.5%时，软化点的提升幅度最高，达到97.5℃，已经满足相关技术指标的要求，继续提升掺量会造成材料成本的大幅增加。

图2 温拌剂掺量对高黏沥青存储稳定性的影响规律Fig.2 Relationship between the amount of warm mixing agent and thermal storage stability

2.2.2 25℃针入度

由图3可以看出，随着温拌剂掺量的增加，其高黏沥青的针入度逐渐减小。这是由于温拌剂加入至沥青中后会吸收沥青中的轻组分而溶胀，进而提高沥青材料抗剪切破坏的能力，温拌剂掺量越多其吸附的轻组分越多，最终呈现出高黏沥青抗高温性能逐渐变优，抗低温性能逐渐变差。同时发现，随着温拌剂掺量的增加，其25℃针入度降低幅度逐渐变大。考虑后期材料的低温性能和高温性能的协同性，温拌剂的最优掺量选取2.5%。

图3 温拌剂掺量对高黏沥青25℃针入度的影响规律Fig.3 Relationship between the amount of warm mixing agent and the penetration depth at 25℃

2.2.3 5℃延度

由图4可知，随着温拌剂掺量的增加，其5℃延度逐渐降低，材料的低温性能逐渐变差且降低幅度逐渐变大。考虑到5℃延度的技术指标要求和材料成本，确定温拌剂的掺量为2.5%。

图4 温拌剂掺量对高黏沥青5℃延度的影响规律Fig.4 Relationship between the amount of warm mixing agent and elongation at 5℃

2.2.4 135℃布什黏度

由图5可以看出，随着温拌剂掺量的增加，其135℃布什黏度逐渐降低。当温拌剂掺量大于2.5%时其降低幅度逐渐减小，故选取温拌剂的合适掺量为2.5%。可见温拌剂的加入可以降低高黏沥青的135℃布什黏度，改善高黏沥青的施工和易性，降低其施工温度。

图5 温拌剂掺量对高黏沥青135℃布什黏度的影响规律Fig.5 Relationship between the amount of warm mixing agent and 135℃ kinematic viscosity

2.2.5 60℃动力黏度

由图6可知，随着温拌剂掺量的增加其60℃动力黏度逐渐升高，当温拌剂掺量大于2.5%时，其60℃动力黏度增加幅度逐渐降低。故从60℃动力黏度的角度来看，温拌剂的最优掺量选为2.5%。

图6 温拌剂掺量对高黏沥青60℃动力黏度的影响规律Fig.6 Relationship between the amount of warm mixing agent and 60℃ dynamic viscosity

2.2.6 热存储稳定性

由图7可知，温拌剂的加入可有效降低高黏沥青离析度，增强高黏沥青热存储稳定性，减少高黏沥青发生凝聚、离析现象。当温拌剂掺量小于2.5%时，随着其掺量的的增加，对高黏沥青离析度的影响逐渐增大；但当温拌剂掺量大于2.5%时，掺量的增加对高黏沥青离析度的影响逐渐减少。故考虑温拌剂对高黏沥青离析度的影响程度及经济成本，温拌剂的最优掺量定为2.5%。

图7 温拌剂掺量对高黏沥青离析度的影响规律Fig.7 Relationship between the amount of warm mixing agent and segregation

综合以上温拌剂掺量对其高黏沥青软化点、25℃针入度、5℃延度、135℃布什黏度、60℃动力黏度和离析度的影响研究结果，确定温拌剂的最佳掺量为2.5%。

3 结论

（1）温拌剂的加入可降低高黏沥青施工温度、提高其施工和易性，从而达到节能减排的效果。

（2）有机蜡类温拌剂可以显著改善高黏沥青的软化点、25℃针入度、60℃动力黏度、135℃布什黏度和离析度等参数，但降低了其5℃延度，即该类型温拌剂在改善高黏沥青施工和易性的同时，还提高了其高温性能、粘附性和热存储稳定性，但对其低温性能产生不利影响。而表面活性剂类的温拌剂在改善高黏沥青25℃针入度、135℃布什黏度和离析度的同时降低了其软化点、5℃延度和60℃动力黏度参数，对高黏沥青的高温性能、粘附性、低温性能和热存储性能产生不利影响。

（3）随着温拌剂掺量的增加，高黏沥青的软化点、60℃动力黏度逐渐升高，25℃针入度、5℃延度、135℃运动黏度和离析度逐渐降低。说明随着温拌剂掺量的增加，高黏沥青的高温性能、粘附性、施工和易性和热存储性能越来越优，但对其低温性能的损害不断增大。

（4）温拌剂的类型和掺量对高黏沥青的性能影响较大，综合性能分析，确定温拌剂的种类为LQW-0400、最佳掺量为2.5%。