有机温拌添加剂对沥青及混合料性能的影响研究

董延琦 王云进 刘斌 陈军 高伟

摘要 近年来，温拌添加剂由于在沥青混合料生产中具有节能减排的效果而广受欢迎。温拌沥青（WMA）是采用发泡技术或降低黏度的添加剂来提高流变性能而生产的。文章对比分析了两种有机温拌添加剂（CHW-A和CHW-B有机温拌剂）在降低沥青混合料生产黏度和降低温度方面的效果。将两种有机温拌剂分别以1%、2%和3%的掺量与沥青混合，在三种不同温度下，测定了沥青旋转黏度、针入度、软化点和沥青混合料刚度以及复数模量等性能指标。研究表明，温拌剂在降低沥青施工时的旋转黏度方面有积极的影响，预估可使混合料拌和和压实温度降低10 ℃左右。对比沥青混合料性能，当CHW-B掺量达到3%时，混合料动态模量也高于CHW-A配制的混合料。

关键词 温拌沥青；温拌沥青混合料；沥青物理性能；有机添加剂

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0054-03

0 引言

温拌沥青（Warm-mix asphalt， WMA）是近年来由于环保需求而引入的。新技术利用机械手段或添加剂的产品，在施工过程中降低沥青的黏度和抗剪性，从而降低温度，而不会对性能产生负面影响。

Hurley和Prowell[1]研究了降低热拌沥青（HMA）的拌和和压实温度而开发的工艺的适用性，数据表明空隙率总体有所减少，在低至90 ℃的温度下，压实度有所提高。潜在车辙随混合和压实温度的降低而增大，这可能与低温下黏结剂的老化有关。与混合料相比，没有证据表明含有这三种工艺混合料的强度增加随时间的变化而不同，这表明在开放交通之前延长固化时间不是问题。在生产温沥青时使用的较低压实温度可能会增加水损的可能性。

Behnood[2]指出，WMA包括一系列在低于热拌沥青生产中通常使用的温度下（主要是通过降低沥青的黏度）混合和压实沥青混合料的技术。不同的WMA技术以不同的方式影响黏结剂和混合料的性能。对于路面工业中使用的WMA技术及其对WMA混合料的热机械性能和沥青黏结剂的流变性能的影响已有很多研究。

Lushinga等[3]使用两种硅基WMA助剂制备了橡胶颗粒改性（CRM）WMA沥青，测定了在不同温度和剪切速率下黏度的变化，对制备的样品进行了软化点和针入度测试、多重应力蠕变恢复（MSCR）、时间扫描、原子力显微镜、频率扫描和傅里叶变换红外（FTIR）测试。FTIR测试结果证实了Tego XP和Addbit的CRM黏合剂中存在聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS是一种常见的疏水性有机和无机聚合物，可以提高沥青和混合料的抗水损性能。添加WMA和不添加WMA的CRM沥青的形貌显示橡胶颗粒在沥青基体中分布良好。WMA的加入增加了黏结剂的表面粗糙度，这可能与黏结剂微观结构性能的变化有关。

Wang等[4]研究了含WMA添加剂的CRM沥青黏结剂的高、中、低温性能。采用微观和力学方法研究了不同混合温度和时间组合下沥青—橡胶的相互作用，得出了最佳混合工艺。采用MSCR、线性频率扫描和低温频率扫描实验研究了WMA添加剂对黏合剂性能的影响。结果表明，橡胶沥青黏结剂在不同温度范围内均能显著改善基础沥青的黏结性能。WMA添加剂对黏结剂性能的影响随基质沥青和橡胶沥青的不同而不同。此外，发现不可恢复柔量不适合表征橡胶黏合剂的应力敏感性，而不可恢复柔量对于施加应力的增量变化是表征橡胶黏合剂的应力敏感性的更准确的方法。

Yu等[5]研究了回收方法对温拌胶粉改性沥青混合料（WCRMAs）整体使用性能的影响。根据模糊逻辑，采用模糊综合评价法对沥青混合料的性能等级进行量化。结合华南地区的实际情况，运用层次分析法建立了各属性的权重矩阵。实验结果表明，回收方式对WCRMAs的使用性能有显著影响。研究结果表明，对于气候湿热的中国南方地区，将橡胶屑回收为蜡基WCRMAs的最佳方法是先将沥青—橡胶（AR）和Sasobit温拌剂混合，然后将其掺入骨料中。在多雨地区，由AR、Sasobit温拌剂和骨料在160 ℃下直接混合而成的沥青混合料表现出最好的抗湿破坏性能和良好的综合性能，因此性能可能更好。

近年来，人们对各种温拌沥青混合料进行了广泛的评估，但很少有研究探讨有机温拌添加剂。该研究的主要目的是通过对两种有机温拌剂的掺加效果进行对比分析，确定有机添加剂对沥青性能的影响，确定添加剂类型和含量对沥青性能的影响。

1 材料

1.1 温拌剂

该文使用有机添加剂CHW-A和CHW-B，其化学组分由非甘油酯长链羧酸酯、长链醇和游離长链有机酸组成，是一种石化植物蜡。两种添加剂分别按重量计以1%、2%和3%掺量掺入沥青中。添加剂的技术指标如表1所示，熔融温度为80～95 ℃。

1.2 温拌沥青制备方法

以沥青重量的1%、2%和3%三种添加量制备温拌改性沥青。将添加剂加到沥青中，采用带螺旋桨和钢容器的混合器生产改性沥青。

将原沥青在150 ℃下加热并倒入预热过的钢容器中。尽快将添加剂小心地加到原沥青中，并在120转/min下混合10 min、20 min和30 min，使全部添加剂溶于沥青中。然后将改性后的沥青取出，冷却至室温。

2 有机温拌剂对沥青性能的影响分析

2.1 有机温拌剂对沥青旋转黏度的影响

黏度决定了沥青生产、拌和以及压实过程中的流动性，对沥青混合料的施工和易性有显著影响。通过旋转黏度仪测定温拌沥青的黏度值，可以用来确定沥青混合料的拌和和压实温度。沥青的黏度随添加剂种类和含量的变化而变化，如图1所示，其中A1表示CHW-A掺量1%的温拌改性沥青样品，O表示未添加温拌改性剂的原沥青样品。未添加温拌改性剂的原沥青平均拌和温度和压实温度范围分别为163.5～164 ℃和152.8～153.4 ℃。在所有测试温度下，温拌改性沥青的黏度都小于原沥青的黏度。温拌剂的添加使拌和和压实温度降低10 ℃，如表2所示。

2.2 有機温拌剂掺量对沥青针入度和软化点的影响

如图2所示，图2（a）中CHW-A和CHW-B在不同浓度下的针入度和软化点值，其中1%掺量的CHW-B会导致原沥青的针入度值显著增加。随着CHW-B剂量的增加，针入度值逐渐降低，而CHW-A改性剂对沥青的针入度值几乎没有影响。

图2（b）为温拌改性沥青的针入度和软化点相对于原沥青针入度和软化点的百分比。温拌改性沥青的高熔点表明沥青在这样的高温下有流动的趋势。针入度的增加意味着降低施工温度的可能性。

3 有机温拌剂对混合料动态模量的影响分析

对SMA-13和AC-20混合料开展动态模量试验，分别测定了10 Hz加载频率以及0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃8种温度下，沥青混合料动态模量曲线图，如图3所示。

由图3（a）可以看出，随着CHW-B添加剂掺量的增加，沥青混合料的动态模量逐渐升高。CHW-A添加剂掺量对沥青混合料的动态模量影响较小，这与前述沥青胶结料的试验结果规律基本一致，说明CHW-A添加剂掺量对于沥青和混合料性能影响较小，可以考虑采用最低掺量来提升经济效益。与未添加温拌剂的普通沥青混合料相比，添加CHW-A的温拌沥青混合料动态模量略高，而添加CHW-B的温拌沥青混合料动态模量变化范围较大，其中3%掺量下动态模量高于普通沥青混合料和添加CHW-A的温拌沥青混合料。

由图3（b）可以看出，对于AC-20沥青混合料类型，其动态模量的变化趋势与SMA-13较为相似。其中3%CHW-B掺量下混合料动态模量与CHW-A混合料动态模量相近，均高于普通沥青混合料。

4 结论

该文对比分析了两种有机温拌添加剂对沥青与混合料性能的影响，形成了如下结论：

（1）温拌剂在降低沥青施工时旋转黏度方面有积极的影响，预估可使混合料拌和和压实温度降低10 ℃左右。

（2）CHW-A和CHW-B均具有提高软化点和针入度的效果，其中CHW-A对主要影响软化点，对针入度影响较小。

（3）当CHW-B掺量达到3%时，混合料动态模量高于普通沥青混合料和CHW-A配制的混合料。

参考文献

[1] Hurley G C， Prowell B D. Evaluation of potential proce-sses for use in warm mix asphalt （With Discussion）[J]. Journal

of the Association of Asphalt Paving Technologists， 2006（4）：41-90.

[2]Behnood A. A review of the warm mix asphalt （WMA） technologies： Effects on thermo-mechanical and rheological properties[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 259： 120817.

[3]Lushinga N， Cao L， Dong Z， et al. Performance evaluation of crumb rubber asphalt modified with silicone-based warm Mix additives[J]. Advances in Civil Engineering， 2020， 2020： 1-17.

[4]Wang H， Liu X， Zhang H， et al. Asphalt-rubber interaction and performance evaluation of rubberised asphalt binders containing non-foaming warm-mix additives[J]. Road materials and pavement design， 2020（6）： 1612-1633.

[5]Yu H， Chen Y， Wu Q， et al. Decision support for selecting optimal method of recycling waste tire rubber into wax-based warm mix asphalt based on fuzzy comprehensive evaluation[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 265： 121781.