基于降黏與表面活性的溫拌瀝青及混合料性能對比

黃剛，張霞，黃濤

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶400074；2.中交二航局第二工程有限公司，重慶400042)

基于降黏與表面活性的溫拌瀝青及混合料性能對比

黃剛1，張霞1，黃濤2

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶400074；2.中交二航局第二工程有限公司，重慶400042)

采用70#瀝青、SBS改性瀝青，分別添加有機降黏溫拌劑Sasobit和表面活性溫拌劑DAT，對比評價兩類溫拌劑對瀝青及瀝青混合料性能影響；基于溫拌瀝青性能研究，提出溫拌瀝青混合料施工溫度控制方法，給出參考施工溫度，采用動、靜態(tài)試驗方法系統(tǒng)研究溫拌瀝青混合料性能，評價溫拌混合料的疲勞性能和黏彈特性，建立相應(yīng)疲勞方程和修正Burgers模型。研究表明：Sasobit明顯改善瀝青高溫穩(wěn)定性，在100～135 ℃降黏作用顯著，證明DAT降溫效果更好，對瀝青性能影響小，不具降黏效果；Sasobit和DAT均可減輕瀝青老化，Sasobit瀝青抗老化性能更好；Sasobit顯著提高混合料高溫穩(wěn)定性，DAT對混合料高溫性能沒有影響，兩類溫拌劑均對混合料短期水穩(wěn)定性影響小，但Sasobit會劣化長期水穩(wěn)定性，而DAT則具有改善作用；Sasobit會降低混合料低溫性能，DAT對混合料低溫性能影響??；Sasobit混合料抗疲勞性能優(yōu)于DAT，其疲勞破壞具有脆性特征，DAT混合料疲勞破壞具有塑形特征，證明Sasobit瀝青混合料具有更好的彈性恢復能力和高溫性能。

道路工程；溫拌劑;性能對比;疲勞;黏彈性

0引言

瀝青溫拌技術(shù)作為一種節(jié)能環(huán)保的綠色技術(shù)，在保證路面性能同時，具有在施工中大量減少能源消耗，降低瀝青煙塵等有毒有害氣體排放量，延長施工時間等優(yōu)點。根據(jù)降溫作用機理，國內(nèi)外將溫拌瀝青技術(shù)分為瀝青降黏溫拌技術(shù)、表面活性溫拌技術(shù)、瀝青發(fā)泡溫拌技術(shù)三大主流技術(shù)體系[1-2]。其中瀝青降黏溫拌技術(shù)主要是通過降低瀝青高溫黏度，達到降低瀝青混合料拌合與壓實溫度的效果，該類技術(shù)的代表性產(chǎn)品是溫拌劑Sasobit。表面活性溫拌技術(shù)主要是通過表面活性劑、水與瀝青在拌合過程中的潤滑剪切作用，增加瀝青混合料的低溫工作性，該類技術(shù)的代表性產(chǎn)品是益路(Evotherm)溫拌劑。筆者系統(tǒng)分析和評價Sasobit溫拌劑和益路溫拌劑對瀝青及瀝青混合料性能的影響，揭示其技術(shù)特點，為溫拌技術(shù)在道路工程中更廣泛的應(yīng)用提供參考[3]。研究中采用的Sasobit溫拌劑為白色固體顆粒，屬于長鏈飽和碳氫化合物，主要成分包括正烷烴和異烷烴；DAT溫拌劑屬 Evotherm(益路)第二代產(chǎn)品，為暗黃色溶液?；局笜艘姳?、表2。

表1Sasobit基本技術(shù)指標Table 1Basic technique index of Sasobit

表2DAT基本技術(shù)指標Table 2Basic technique index of DAT

1溫拌劑對瀝青的影響

1.1溫拌劑對瀝青常規(guī)性能的影響

以中海AH70#基質(zhì)瀝青、路安特SBS I-C改性瀝青作為原樣瀝青，分別制備AH70#+Saso、AH70#+DAT、SBS+Saso、SBS+DAT 4種溫拌瀝青，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究和工程實踐，選擇Sasobit摻量為瀝青質(zhì)量的3%，DAT摻量質(zhì)量比為：溫拌劑∶瀝青=5∶95。測試其針入度、軟化點、延度等指標，見表3。

表3溫拌瀝青性能指標Table 3Performance index of warm asphalt

由表3可知，相對于原樣瀝青，Sasobit 溫拌瀝青的針入度、延度明顯降低，軟化點顯著升高，表明Sasobit對瀝青性能影響大，可使瀝青變硬、高溫性能增強，但常溫和低溫變形能力被減弱。這是因為當外界溫度低于Sasobit熔點時，Sasobit在瀝青中形成的網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)能夠提高瀝青高溫穩(wěn)定性，減弱瀝青塑性；由于Sasobit溫拌瀝青針入度、軟化點、延度變化比例均大于SBS改性瀝青，判斷Sasobit對基質(zhì)瀝青的影響大于對SBS改性瀝青的影響。添加溫拌劑DAT后，瀝青的針入度、延度和軟化點變化不大，說明DAT對瀝青整體性能影響小，但DAT對SBS改性瀝青的影響略大于對基質(zhì)瀝青的影響。

1.2溫拌劑對瀝青黏度的影響

測試不同溫度Sasobit和DAT溫拌瀝青的Brookfield黏度，數(shù)據(jù)如圖1、圖2。

圖1溫拌瀝青黏-溫曲線Fig.1Viscosity-temperature curve of warm asphalt

圖2溫拌SBS改性瀝青黏-溫曲線Fig.2Viscosity-temperature curve of SBS warm modified asphalt

由圖1、圖2可知，兩類溫拌瀝青黏度與基質(zhì)瀝青黏度變化趨勢相同，即黏度隨溫度升高而逐漸減低。當溫度低于110 ℃時，Sasobit溫拌瀝青黏度明顯高于基質(zhì)瀝青黏度，而當溫度高于130 ℃，Sasobit溫拌瀝青黏度最低，降黏效果明顯。說明溫度低于Sasobit熔點(110～130 ℃)時，Sasobit在瀝青中形成網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)，增加了瀝青的穩(wěn)定性；溫度高于熔點時，Sasobit已完全熔于瀝青中，起到潤滑作用。而當溫度達到160 ℃后，溫拌瀝青與原樣瀝青的黏度值差異較小。Sasobit溫拌SBS改性瀝青黏度變化也具有類似的特征。表明Sasobit溫拌劑主要在130 ℃左右發(fā)揮降黏作用。摻DAT的溫拌瀝青與原樣瀝青黏度接近，不具降黏效果。我國交通行業(yè)規(guī)范規(guī)定[4]，以(0.17±0.02)和(0.28±0.03)Pa·s對應(yīng)的等黏溫度分別作為普通瀝青混合料的拌合與壓實溫度。參照建立溫拌瀝青黏-溫方程，相應(yīng)參考施工溫度見表4，Sasobit能降低瀝青混合料的拌合與壓實溫度約15 ℃；而DAT溫拌瀝青混合料的拌合與壓實溫度未見降低，證明采用黏溫曲線確定表面活性類溫拌瀝青施工溫度不可靠。

1.3溫拌劑對瀝青老化性能的影響

表4溫拌瀝青的黏溫方程和參考施工溫度Table 4Viscosity-temperature equation and referential construction temperature of warm asphalt

注：t為試驗溫度，℃；η為瀝青黏度，cp。

表5老化后溫拌瀝青性能比較Table 5Performance comparison of warm asphalt after aging

由表5可知，經(jīng)RTFOT老化后，溫拌瀝青軟化點均升高，延度均降低，說明溫拌瀝青在高溫條件下，瀝青與氧發(fā)生聚合反應(yīng)導致瀝青輕質(zhì)油分揮發(fā)，分子量增大，瀝青變硬變脆，黏性降低；老化后，與原樣瀝青相比，兩類溫拌瀝青軟化點增幅均明顯減小，延度減幅也略有降低，表明兩類溫拌劑均可減輕瀝青老化現(xiàn)象；Sasobit溫拌瀝青軟化點增幅及延度減幅均小于DAT溫拌瀝青；說明Sasobit抗瀝青老化作用優(yōu)于DAT溫拌劑。

2溫拌劑對瀝青混合料性能的影響

2.1原材料與混合料材料組成

研究中采用滿足交通行業(yè)規(guī)程要求的重慶地產(chǎn)石灰?guī)r礦料，礦料組成選擇抗車轍性能較好，具有骨架-密實結(jié)構(gòu)的Sup-20型級配，油石比4.6%，相關(guān)數(shù)據(jù)見表6。

表6Sup-20瀝青混合料級配Table 6Gradation of Sup-20 asphalt mixture

2.2溫拌瀝青混合料降溫效果

采用旋轉(zhuǎn)壓實(SGC)方法[5-6]，溫拌瀝青混合料分別選取100、115、130、145 ℃，溫拌SBS改性瀝青混合料分別選取110、125、140、155 ℃為壓實成型溫度成型試件，測算溫拌瀝青混合料各成型溫度下的空隙率，建立溫拌壓實溫度-空隙率回歸方程，以混合料空隙率4%為控制目標，得到對應(yīng)成型溫度見表7。

表7成型溫度與空隙率的回歸方程Table 7Regression equations of molding temperature and porosity

注：x為瀝青混合料成型溫度，℃；y為瀝青混合料空隙率，%；普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料成型溫度分別為145、155 ℃。

由表7可知，目標空隙率為4%時，與普通瀝青混合料成型溫度相比，Sasobit溫拌瀝青混合料降溫約為21 ℃，比瀝青黏-溫曲線確定的降溫幅值大7 ℃左右。DAT溫拌瀝青混合料降溫約為28 ℃；與SBS改性瀝青混合料成型溫度相比，Sasobit溫拌SBS改性瀝青混合料降溫約為15 ℃，DAT溫拌SBS改性瀝青混合料降溫約為21 ℃，說明DAT具有更好的降溫效果，由此可見采用成型溫度-空隙率方程確定溫拌瀝青混合料施工溫度更加可靠和準確。

2.3溫拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗評價溫拌瀝青混合料的高溫性能[7]，數(shù)據(jù)見表8。由表8可知，溫拌瀝青混合料動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，未受拌合與壓實溫度降低的影響。Sasobit能夠顯著提高混合料動穩(wěn)定度，其中對基質(zhì)瀝青混合料的影響尤為明顯，這是由于60 ℃的試驗溫度低于Sasobit熔點，Sasobit仍以網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)均勻分布在瀝青中，增大了混合料勁度。DAT則對瀝青混合料高溫性能影響小。

表8溫拌混合料動穩(wěn)定度Table 8Dynamic stability of warm mixture 次/mm

2.4溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性

采用更能反映混合料長期水穩(wěn)定性的循環(huán)凍融劈裂試驗評價溫拌劑的影響。按照交通行業(yè)規(guī)范規(guī)定[8]：以98.3～98.7 kPa真空條件飽水15 min，然后在-18 ℃下冷凍16 h，最后在60 ℃水中保溫24 h作為一次凍融循環(huán)條件，數(shù)據(jù)見表9。由表9可知，經(jīng)1次凍融后，兩類溫拌劑對瀝青混合料抗水損性能影響并不顯著。但經(jīng)2、3次循環(huán)凍融后，Sasobit溫拌瀝青混合料凍融強度比均為最低，說明Sasobit可能導致混合料長期水穩(wěn)定性的劣化；反之，DAT溫拌瀝青混合料的凍融強度比則有提高，說明DAT能夠改善瀝青混合料長期水穩(wěn)定性，相關(guān)研究證明，DAT溫拌劑能夠改變?yōu)r青的極性分量和Lewis酸堿作用力參數(shù)，改善瀝青的表面自由能，從而增強了瀝青與集料的黏附能力，提高了瀝青混合料水穩(wěn)定性[7]。

表9循環(huán)凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)Table 9Data of freeze-thaw-split cycle test %

2.5溫拌瀝青混合料低溫抗裂性能

采用-10 ℃低溫彎曲小梁破壞試驗評價溫拌瀝青混合料低溫性能，數(shù)據(jù)見表10。由表10可知，除Sasobit溫拌瀝青混合料彎拉應(yīng)變不滿足規(guī)范要求外，其余混合料彎拉應(yīng)變滿足規(guī)范要求。說明DAT對瀝青混合料低溫性能影響??；而極限彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量等指標的變化則進一步說明，Sasobit對混合料低溫性能存在負面影響，尤其對普通瀝青混合料影響較大。這是因為Sasobit主要成分是蠟，溫度較低時，溶解的蠟分子會與小部分被它吸附的瀝青飽和分一起析出，致使瀝青變脆變硬，混合料低溫性能下降。

表10溫拌瀝青混合料低溫彎曲試驗數(shù)據(jù)Table 10Data of bending test of warm asphalt mixture at low temperature

2.6溫拌瀝青混合料疲勞性能研究

參照歐洲規(guī)程PrEN 12697-24[8]，采用UTM-100液壓伺服材料試驗機，間接拉伸疲勞應(yīng)力控制模式(半矢波加載，加載頻率10 Hz，周期500 ms)，設(shè)疲勞破壞極限應(yīng)變6%，對溫拌瀝青混合料進行疲勞試驗。試件(Φ100×H40 mm)由旋轉(zhuǎn)壓實成型，鉆芯得到，設(shè)計疲勞應(yīng)力值根據(jù)同溫間接拉伸強度確定，疲勞試驗數(shù)據(jù)見表11。

表11溫拌瀝青混合料疲勞試驗數(shù)據(jù)Table 11Data of fatigue test of warm asphalt mixture

研究表明[9]，疲勞壽命與溫度間的關(guān)系可用下述方程表示：

lnNf=s-rT

(1)

式中：T為試驗溫度，℃；s，r為和材料、應(yīng)力比有關(guān)的系數(shù)。

式1中，s值越大，表明混合料疲勞壽命越長；r值越大，表明混合料疲勞壽命對溫度變化越敏感；將s/r定義為疲勞反應(yīng)系數(shù)，s/r值越大，表明抗疲勞性能越好。建立溫度-疲勞壽命方程，方程參數(shù)見表12。

表12不同應(yīng)力比溫拌瀝青混合料疲勞方程參數(shù)Table 12Parameters of fatigue equations of warm asphalt mixture with different stress ratios

由表11、表12可知：溫拌瀝青混合料疲勞壽命均隨應(yīng)力增大或溫度升高而降低，相同應(yīng)力比條件，Sasobit溫拌混合料s值均大于相應(yīng)DAT溫拌混合料s值，r值變化規(guī)律性不強，但Sasobit溫拌混合料s/r值均大于相應(yīng)DAT溫拌混合料s/r值，說明Sasobit溫拌混合料抗疲勞性能更好。由于常溫下，Sasobit在瀝青中形成的晶格結(jié)構(gòu)使瀝青變硬，混合料勁度模量提高，承受荷載重復作用次數(shù)相應(yīng)增加，疲勞壽命相應(yīng)延長，抗疲勞性能也就越好。而DAT溫拌瀝青混合料不具此特性，對混合料抗疲勞性能影響較小。

試驗中發(fā)現(xiàn)，兩類溫拌混合料疲勞破壞形態(tài)差異較大。Sasobit溫拌混合料在重復荷載作用下，先期變形增加緩慢，變形速率變化小，但當變形累積一定量后，應(yīng)變速率突增，然后荷載作用僅數(shù)百次，試樣就達到疲勞破壞極限。而DAT溫拌瀝青混合料在整個試驗過程中，豎向變形隨累計疲勞荷載作用次數(shù)緩慢增大，應(yīng)變速率較穩(wěn)定，疲勞曲線斜率基本不變。破壞后，Sasobit溫拌混合料試件裂縫較大，損害嚴重；DAT溫拌混合料試件裂縫較小，損害較輕。因此，認為Sasobit溫拌混合料疲勞破壞具有脆性破壞特征，破壞具有突然性，DAT溫拌混合料疲勞破壞具有塑形破壞特征，破壞具有延續(xù)性。

3溫拌瀝青混合料黏彈性特征

采用UTM-100伺服材料試驗機，試件尺寸Φ100×H60 mm，極限破壞應(yīng)變6%，預壓荷載為設(shè)計荷載15%，預壓時間10 min，方波加載(加載頻率1 Hz，加卸載周期2 s，3 600個周期)，對溫拌瀝青混合料進行動態(tài)蠕變試驗[10]，試驗結(jié)果見表13。

表13不同溫度溫拌瀝青混合料的最大軸向應(yīng)變和動態(tài)蠕變模量Table 13Maximum axial strain and dynamic creep modulus of warm mixture at different temperature

由表13可知，溫度和應(yīng)力水平對溫拌混合料軸向應(yīng)變和動態(tài)蠕變模量影響較大。在20～40 ℃范圍，相同溫度水平，溫拌混合料的軸向應(yīng)變和蠕變模量都隨加載應(yīng)力增大而增大，說明在此溫度范圍，隨著荷載增加，溫拌瀝青混合料剛度并未衰減；相同應(yīng)力水平，軸向應(yīng)變隨溫度升高而增大，蠕變模量隨溫度升高而減小，說明隨著溫度升高，溫拌混合料剛度逐漸衰減，逐漸顯露出黏彈性特征；60 ℃時，溫拌瀝青混合料蠕變模量更小，材料剛度衰減顯著，黏彈性特征更明顯。Sasobit溫拌瀝青混合料抵抗變形的能力優(yōu)于DAT。

選用“四單元五參數(shù)”修正Burgers模型分析溫拌瀝青混合料的黏彈特性，其蠕變方程如式2：

(2)

將試驗數(shù)據(jù)采用1stopt軟件進行擬合計算，得到Burgers模型黏彈性常數(shù)見表14。

表14修正Burgers模型黏彈性常數(shù)Table 14Viscoelastic constants of the modified Burgers models

由表14可知，隨著試驗溫度升高，溫拌瀝青混合料的瞬時彈性模量E1、延遲彈性模量E2減小，黏性系數(shù)η2增大，而Sasobit溫拌瀝青混合料的E1和E2均大于DAT溫拌瀝青混合料。采用松弛時間評價材料松弛能力，松弛時間越長，表明瀝青混合料彈性恢復能力越好，由此可知，試驗溫度升高，溫拌瀝青混合料松弛時間均縮短，但同一溫度下，Sasobit溫拌瀝青混合料松弛時間長于DAT溫拌瀝青混合料；證明Sasobit溫拌瀝青混合料具有更好的彈性恢復能力和高溫性能。

4結(jié)論

1) Sasobit溫拌劑對瀝青性能影響較大，對瀝青高溫性能改善顯著，但常溫和低溫變形能力被減弱；DAT溫拌劑對瀝青性能影響小，但具有更好的降溫效果。Sasobit在100～135 ℃間對瀝青的降黏作用明顯；DAT不具降黏效果。證明Sasobit和DAT都可提升瀝青抗老化性能，Sasobit對瀝青抗老化性能的改善優(yōu)于DAT。

2) 采用黏-溫曲線確定DAT溫拌瀝青混合料施工溫度不可靠。提出采用成型溫度-空隙率方程控制則更準確，給出相應(yīng)施工溫度參考值。

3) Sasobit溫拌劑顯著提高瀝青混合料高溫性能，DAT溫拌劑對瀝青混合料高溫性能無改善作用。Sasobit和DAT均對瀝青混合料短期抗水損性能影響小，但Sasobit會劣化瀝青混合料長期水穩(wěn)定性，而DAT則存在改善作用。Sasobit會減弱瀝青混合料低溫性能，尤其對普通瀝青混合料影響較大，DAT對瀝青混合料低溫性能影響小。

4) 間接拉伸疲勞應(yīng)力控制模式下，溫拌瀝青混合料間接拉伸疲勞壽命均隨應(yīng)力增大或溫度升高而減小，不同類型溫拌瀝青混合料抗疲勞性能差異明顯，Sasobit溫拌瀝青混合料抗疲勞性能優(yōu)于DAT，疲勞破壞具有脆性破壞特征，而DAT溫拌瀝青混合料疲勞破壞具有塑形破壞特征。

5) 采用動態(tài)蠕變試驗討論了Sasobit和DAT溫拌瀝青混合料黏彈特性，建立了不同溫度的修正Burgers模型，通過分析黏彈性參數(shù)變化，證明Sasobit溫拌瀝青混合料具有更好的彈性恢復能力和高溫性能。

6) 建議在重交通道路或夏季炎熱地區(qū)可優(yōu)先考慮采用Sasobit作為路用溫拌劑；在年平均氣溫較低或道路水穩(wěn)定性要求高地區(qū)可優(yōu)先考慮采用DAT作為路用溫拌劑。

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(責任編輯：譚緒凱)

Performance Comparison of Warm Asphalt and Mixture Based on Viscosity Reducer and Surface Activity

HUANG Gang1，ZHANG Xia1，HUANG Tao2

(1.National and Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Materials，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China; 2.The Second Engineering Co.，Ltd.，of the Second Harbor Engineering Company，Chongqing 400042，P. R. China)

H70# asphalt and SBS modified asphalt were adopted，and Sasobit (the warm mix agent with organic viscosity reducing)and DAT (the warm mix agent with surface activity)were added respectively to compare and evaluate their influence on the performance of asphalt and asphalt mixture.Based on the study on the performance of warm asphalt mixture，the control method of construction temperature of warm asphalt mixture was put forward，and the referential construction temperatures were also given.Dynamic and static test methods were adopted to systematically study the performance of warm asphalt mixture.The fatigue performance and viscoelastic characteristics of warm asphalt mixture were evaluated，and the corresponding fatigue equations and the modified Burgers models were established.The study shows that Sasobit obviously improves the high temperature stability of asphalt and its effect of causing viscosity reduction is significant at 100～135 ℃.DAT is proved to have better temperature reduction effect.However，it has a little effect on asphalt performance and has no viscosity reduction effect.Both Sasobit and DAT can reduce the aging of asphalt.Sasobit asphalt has better anti-aging performance.Sasobit can obviously improve high temperature stability of the mixture and DAT has no effect on high temperature stability of the mixture.Both two types of warm mix agents have little effect on short-term water stability of mixture.Sasobit can deteriorate long-term water stability of mixture; however，DAT can improve that.Sasobit can decrease low temperature performance of mixture.DAT has a little effect on low temperature performance of mixture.Sasobit asphalt mixture has better resistance to fatigue performance than DAT does.Fatigue failure of Sasobit mixture has brittle feature and that of DAT mixture has plastic feature.Sasobit asphalt mixture is proved to have better ability of elastic recovery and high temperature performance.

highway engineering; warm mix agent; performance comparison; fatigue; viscoelasticity

U41

A

1674-0696(2017)10-037-08

2016-08-05；

2017-01-15

國家自然科學基金項目(51778096);重慶市基礎(chǔ)科學與前沿技術(shù)研究專項項目(cstc2016jcyjA0119)；重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室開放基金項目(LHSYS-2012-007);

黃剛(1971—)，男，重慶人，教授，博士，主要從事道路結(jié)構(gòu)和材料方面的研究。E-mail： hg_2004@126.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.07