溫拌劑對改性瀝青及其混合料性能的影響

范群保，陳朝陽，謝 東，鄭南翔

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064)

0 引言

近幾年隨著全球環(huán)境問題日益突出，環(huán)境保護、能源節(jié)約已成為各行各業(yè)發(fā)展的基本。在公路建設(shè)中，瀝青路面的鋪設(shè)需要消耗大量能源，釋放大量污染氣體，對環(huán)境和作業(yè)人員都存在重大威脅。溫拌劑是一種新型材料，能夠使瀝青混合料的拌合、碾壓溫度降低30℃左右，在節(jié)能、環(huán)保的同時降低瀝青混合料老化程度，延長瀝青路面施工季節(jié)［1-6］。然而，溫拌劑作為一種添加劑摻入瀝青混合料中，同樣會對原有瀝青及其混合料性能造成一定的影響。同時，溫度的降低可能出現(xiàn)一些隱患，如:集料殘余水分含量有增大的可能;在混合料性能方面，可能導(dǎo)致抗水損害性能和抗車轍性能降低［7］。目前，溫拌瀝青混合料技術(shù)主要包括沸石類溫拌技術(shù)、有機降黏劑溫拌技術(shù)、泡沫瀝青溫拌技術(shù)、乳化瀝青溫拌技術(shù)［8-12］。不同類型的溫拌劑對混合料路用性能的影響有所差異。關(guān)于溫拌劑的摻入對瀝青及AC、SMA瀝青混合料性能指標影響的研究已經(jīng)很多［13-14］，而溫拌劑對超薄罩面瀝青混合料技術(shù)指標的影響研究尚少。

本文選擇Ipave-S型溫拌劑和RH型溫拌劑，按照商家提供的最佳摻量加入到SBS 1-C類改性瀝青中，分別檢測并比較瀝青的各項性能指標;基于超薄罩面路面養(yǎng)護項目，根據(jù)超薄罩面特有的級配進行馬歇爾試驗，比較摻加2種溫拌劑的超薄罩面瀝青混合料與原瀝青混合料在各自最佳壓實溫度下成型的馬歇爾試件的空隙率等各項體積指標，分析評價2種溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響，為溫拌劑類型的選取提供參考。

1 原材料選擇

1.1 瀝青和集料

本研究所用瀝青為SBS 1-C類改性瀝青，所用石料為SiO2含量在45%～52%的基性巖輝長巖，改性瀝青技術(shù)指標如表1所示，集料及填料的密度指標如表2所示。集料及填料的其他技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標

表2 集料及填料密度指標

1.2 溫拌劑及溫拌瀝青的制備

1.2.1 溫拌劑及其技術(shù)指標

易鋪Ipave-S型溫拌改性劑和RH型溫拌改性劑的溫拌技術(shù)原理均為:高溫潤滑降黏，低溫晶格增強。其中易鋪Ipave-S型溫拌劑為聚烯烴類溫拌劑，在確保瀝青路面壓實度且不降低路面路用性能的前提下，可使瀝青混合料的施工溫度降低20℃～30℃;RH型溫拌劑利用交聯(lián)聚烯烴，通過反應(yīng)擠出、旋轉(zhuǎn)分散造粒等工藝，制備以裂解聚乙烯為基材的溫拌瀝青材料，用以降低瀝青混合料同溫度下的施工黏度，從而達到較低溫度下順利壓實的效果。2種溫拌劑的技術(shù)指標如表3所示。

表3 易鋪Ipave-S型和RH型溫拌改性劑的技術(shù)指標

經(jīng)測試，這2種溫拌劑的檢測結(jié)果均滿足技術(shù)要求。

1.2.2 溫拌瀝青的制備

根據(jù)使用需求的不同，易鋪Ipave-S型和RH型溫拌改性劑摻量均為瀝青質(zhì)量的2%～4%，本研究取中值3%。一般添加方式包括濕拌法和干拌法，為了使溫拌劑對原瀝青進行充分改性，本文采用濕拌法添加溫拌劑。對于易鋪Ipave-S型溫拌改性劑，將瀝青加熱至約160℃，摻入瀝青質(zhì)量3%的改性劑，然后機械攪拌約10 min;對于RH型溫拌改性劑，按瀝青質(zhì)量3%的摻量投入瀝青后低速攪拌約30 min，形成均勻的穩(wěn)定體系。

2 溫拌劑對瀝青性能的影響

對原SBS改性瀝青及摻加2種溫拌劑的瀝青按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20－2011)的要求進行相應(yīng)的瀝青常規(guī)指標試驗，結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出:溫拌劑的加入對SBS改性瀝青的針入度和延度無明顯影響，表明2種溫拌劑對SBS改性瀝青稠度和低溫性能幾乎無影響;添加Ipave-S型溫拌劑后，SBS改性瀝青的軟化點明顯降低，而添加RH型溫拌劑后，SBS改性瀝青的軟化點無明顯變化，表明RH型溫拌劑對SBS改性瀝青高溫性能影響不大，而Ipave-S型溫拌劑對SBS改性瀝青的高溫性能會產(chǎn)生不利影響;在135℃時，分別加入溫拌劑后的SBS改性瀝青的布氏黏度大幅降低，說明這2種溫拌劑能有效降低改性瀝青黏度，其原因類似于有機降黏類溫拌劑的原理，Ipave-S型和RH型溫拌劑中添加了合成蠟，其熔點較低，在135℃高溫時，合成蠟融化，使得加入這2種溫拌劑的瀝青黏度較原樣瀝青低;添加2種溫拌劑后的瀝青與原樣瀝青老化后的質(zhì)量損失和殘留延度基本持平，而添加Ipave-S型溫拌劑后瀝青老化的殘留針入度比下降幅度大于添加RH型溫拌劑的瀝青，表明Ipave-S型溫拌劑的加入對SBS改性瀝青的抗老化性會產(chǎn)生不利影響。

表4 溫拌劑對SBS改性瀝青常規(guī)指標的影響

3 溫拌劑對瀝青混合料性能的影響

3.1 級配設(shè)計與混合料技術(shù)指標

本文所研究的是超薄罩面特有的UTO-7混合料級配，其特點與SMA-10類似，采用間斷級配，且根據(jù)懸浮密實結(jié)構(gòu)的要求確定了級配要求上下限;但與SMA的不同之處在于添加了一檔7.1 mm粒徑的粒料。其配合比采用與熱拌超薄罩面瀝青混合料相同的設(shè)計方法，級配組成如表6和圖1所示。

表6 UTO-7級配組成

圖1 UTO-7級配曲線

圖2 溫拌劑對SBS改性瀝青黏溫曲線的影響

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)要求進行試驗，并計算得最佳油石比為6.1%。為了提高混合料性能，按混合料總質(zhì)量的0.4%加入木質(zhì)纖維。3種瀝青的黏溫曲線如圖2所示。曲線確定的SBS改性瀝青和分別摻加2種溫拌劑的瀝青混合料的拌合溫度及壓實溫度，如表7所示。在最佳油石 比下對 瀝青混合料進行馬歇爾試驗，技術(shù)指標如表8所示。

表7 瀝青混合料的拌合溫度及壓實溫度

由表7、8可以看出:加入溫拌劑后，混合料的拌合溫度大約降低30℃，壓實溫度降低40℃～50℃，說明溫拌劑的加入有效降低了超薄罩面瀝青混合料的拌合與壓實溫度;加入溫拌劑后混合料穩(wěn)定度改變不大，說明溫拌劑的加入未對混合料強度產(chǎn)生較大影響;加入溫拌劑后混合料空隙率改變不大，仍然能夠滿足道路壓實度要求，其中加入RH型溫拌劑后混合料空隙率等體積參數(shù)與原SBS瀝青混合料基本相同，說明RH型溫拌劑具有較好的降溫效果。

表8 混合料技術(shù)指標

3.2 溫拌劑對混合料路用性能的影響

混合料的路用性能主要包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。本文主要研究Ipave-S型和RH型溫拌劑對超薄罩面瀝青混合料路用性能的影響，其中要求超薄罩面瀝青混合料路用性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中對SMA混合料的技術(shù)要求。

3.2.1 對高溫穩(wěn)定性的影響

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性主要通過車轍試驗來評價，試驗參數(shù)為動穩(wěn)定度，動穩(wěn)定度值越高，表明瀝青混合料的抗車轍能力越強，高溫穩(wěn)定性越好。本研究采用碾輪成型法制備車轍試件，以全自動車轍試驗儀進行車轍試驗，溫度為60℃，試驗時間為1 h，結(jié)果如表9所示。

表9 車轍試驗結(jié)果

由表9可以看出，加入Ipave-S型溫拌劑后，超薄罩面瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯降低，加入RH型溫拌劑后混合料的動穩(wěn)定度基本持平，說明Ipave-S型溫拌劑的加入對超薄罩面瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利影響。其原因是該溫拌劑的加入使得SBS改性瀝青的軟化點降低，混合料的空隙率降低，從而導(dǎo)致混合料的高溫穩(wěn)定性降低。RH型溫拌劑在有效降溫的同時能夠盡量保持超薄罩面混合料的高溫穩(wěn)定性，優(yōu)于Ipave-S型溫拌劑。

3.2.2 對低溫抗裂性的影響

瀝青混合料的低溫抗裂性主要通過低溫彎曲試驗評價，主要參數(shù)是小梁破壞彎拉應(yīng)變。破壞彎拉應(yīng)變越大，表示混合料在低溫狀態(tài)下能夠發(fā)生較大的變形而不被破壞，也就代表混合料的低溫抗裂性越好。用標準車轍板切割小梁制作小梁試件，在－10 ℃±0.5 ℃溫度下，以50 mm·min－1的速率對 SBS改性瀝青混合料小梁試件的跨中位置施加集中荷載至斷裂破壞，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 低溫彎曲試驗結(jié)果

由表10可以看出，添加溫拌劑后，混合料小梁的最大彎拉應(yīng)變與原SBS改型瀝青混合料基本持平，表明這2種溫拌劑的加入對超薄罩面瀝青混合料的低溫抗裂性幾乎無影響。

3.2.3 對水穩(wěn)定性的影響

瀝青混合料的水穩(wěn)定性主要通過凍融劈裂試驗和殘留穩(wěn)定度試驗評價?；旌狭显嚰鋈谇昂髲姸缺仍礁撸瑲埩舴€(wěn)定度越大，表明瀝青混合料的水穩(wěn)定性越強，試驗結(jié)果如表11、12所示。

表11 凍融劈裂強度試驗結(jié)果

表12 殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由表11、12可以看出:添加RH型溫拌劑后，超薄罩面混合料的凍融劈裂殘留強度比和殘留穩(wěn)定度與原SBS改性瀝青混合料基本持平，表明RH型溫拌劑對超薄罩面混合料的水穩(wěn)定性影響不大;而加入Ipave-S型溫拌劑則使得混合料的凍融劈裂殘留強度比和殘留穩(wěn)定度較原SBS改性瀝青有所增加，說明Ipave-S型溫拌劑在有效降溫的同時提高了超薄罩面混合料的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

(1)Ipave-S型和RH型溫拌劑對SBS改性瀝青的針入度、5℃延度和老化后的質(zhì)量損失、殘留延度均無明顯影響，且2種溫拌劑都大幅降低了原改性瀝青的高溫黏度。

(2)RH型溫拌劑可以提高SBS改性瀝青的軟化點，有助于改善瀝青的高溫性能，而Ipave-S型溫拌劑使得瀝青軟化點大幅降低，對SBS改性瀝青的高溫性能會產(chǎn)生不利影響。

(3)添加Ipave-S型溫拌劑的SBS改性瀝青老化后殘留針入度比大幅降低，RH型溫拌劑在保證SBS改性瀝青抗老化性能方面優(yōu)于Ipave-S型溫拌劑。

(4)Ipave-S型和RH型溫拌劑都能夠有效降低混合料的拌合溫度和壓實溫度，其中混合料拌合溫度大約降低30℃，壓實溫度降低40℃～50℃。加入2種溫拌劑后，混合料的穩(wěn)定度與原樣瀝青基本相同，說明2種溫拌劑的加入對超薄罩面混合料強度的影響較小。添加2種溫拌劑后超薄罩面混合料空隙率有所增加，但仍然滿足規(guī)范要求，說明2種溫拌劑的加入能夠保證超薄罩面的路面壓實度。其中，添加RH型溫拌劑后超薄罩面混合料的空隙率更接近于原SBS改性瀝青，說明RH型溫拌劑降溫效果更優(yōu)，能較有效保障路面壓實度。

(5)加入Ipave-S型溫拌劑，對超薄罩面改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，在改善超薄罩面混合料高溫穩(wěn)定性方面，RH型溫拌劑優(yōu)于Ipave-S型溫拌劑;2種溫拌劑的加入對超薄罩面混合料的低溫抗裂性能影響較小;RH型溫拌劑對超薄罩面混合料的水穩(wěn)定性影響不大，Ipave-S型溫拌劑在有效降溫的同時提高了超薄罩面混合料的水穩(wěn)定性。

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