EM型預(yù)拌增強瀝青混合料路用性能評價*

張 偉 張爭奇 徐耀輝 王洪海 韓金華 張紹權(quán)

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室1) 西安 710064) (廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司2) 廣州 510042) (唐山市交通運輸局公路管理站3) 唐山 063000)

0 引 言

積極推行節(jié)能減排、綠色發(fā)展的道路建設(shè)模式，是我國公路交通建設(shè)的必然方向.為了降低瀝青混合料路面鋪筑過程中的碳排放并達(dá)到經(jīng)濟環(huán)保的目的，相關(guān)學(xué)者采用在瀝青混合料中加入溫拌劑的溫拌技術(shù)來實現(xiàn)節(jié)能減排，但該技術(shù)會增加建設(shè)成本、需要添加使用特殊的生產(chǎn)設(shè)備，并且還會在一定程度上損害混合料的路用性能[1-2].針對上述問題，國內(nèi)研究學(xué)者曾提出先用高標(biāo)號軟質(zhì)瀝青對礦料進(jìn)行預(yù)拌，使礦料在較低的溫度下拌和時被瀝青充分地裹覆，然后再用粒料狀的巖瀝青粉末對其復(fù)拌來提高混合料的強度，以此達(dá)到既不降低混合料的路用性能，又能實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目的[3-4].但目前高標(biāo)號的軟質(zhì)瀝青在工程上很少大量使用，針對這一問題，本文開發(fā)一種基于表面活性劑的乳狀EM降黏劑[5]，能夠明顯地降低瀝青的黏度，從而顯著降低瀝青與混合料的拌和溫度，以此來實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的.類似于目前的溫拌技術(shù)，將EM降黏劑與SK70號基質(zhì)瀝青混合后得到軟質(zhì)瀝青，如此可降低施工溫度及改善瀝青混合料的施工和易性，然后再用巖瀝青復(fù)拌增強，彌補了有些溫拌技術(shù)對高溫性能的不利影響，而且可使預(yù)拌增強瀝青混合料技術(shù)能在現(xiàn)有的施工條件下得到應(yīng)用推廣.

首先利用正交試驗，通過135 ℃黏度來確定EM降黏劑的配方；然后以瀝青性能指標(biāo)為基礎(chǔ)，確定EM降黏劑在瀝青中的添加比例；最后通過對比預(yù)拌增強瀝青混合料、SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料以及0.3%Asp-SK70#溫拌瀝青混合料的路用性能來評價EM型預(yù)拌增強瀝青混合料路用性能的優(yōu)劣和推廣應(yīng)用的前景.

1 EM降黏劑開發(fā)

1.1 EM降黏劑的原材料

選擇適用于預(yù)拌增強并達(dá)到推廣應(yīng)用的目的，則新開發(fā)的EM降黏劑需要在不損害瀝青性能的前提下具有合適的降黏效果，且其原材料應(yīng)該來源方便、價格低.本文開發(fā)以EM降黏劑添加到SK70#基質(zhì)瀝青后瀝青的性能為評價指標(biāo)來確定EM降黏劑中各組成成分的比例.EM降黏劑由四種材料組成：①硬脂酸(stearic acid)為穩(wěn)定劑，白色片狀結(jié)晶體，無味，凝點不低于54 ℃，碘值小于4，酸值為201～213，具有降低表面張力，保持混合物均勻穩(wěn)定作用；②聚丙烯酸酯(amino resin)為絮凝劑，白色乳液，無味，密度0.95 g/cm3，相對分子量72.06，閃點50 ℃，具有較好的絮凝效果；③脂肪醇聚氧乙烯醚(fatty alcohol polyoxyethylene ether)為表面活性劑，無色透明液體，熔點41～45 ℃，沸點100 ℃，閃點>230 ℃，分子中的醚鍵不易被酸、堿破壞，性質(zhì)穩(wěn)定，易溶于水，不易電解;④卡洛胺(caro)為抗剝落劑，棕色黏稠液體，閃點>200 ℃，可以有效改善瀝青和集料之間的黏附力，從而提高混合料的水穩(wěn)性能.

上述四種原材料中，硬脂酸可以降低降低瀝青表面張力；聚丙烯酸酯具有較好的絮凝效果，能保證新開發(fā)的EM降黏劑以及EM軟質(zhì)瀝青在存儲過程中不產(chǎn)生離析現(xiàn)象；脂肪醇聚氧乙烯醚是一種表面活性劑，能保證新開發(fā)的EM降黏劑不被酸堿物質(zhì)破壞，性質(zhì)穩(wěn)定，起到穩(wěn)定增強作用；卡洛胺是一種抗剝落劑，由于基質(zhì)瀝青在降黏過程中，瀝青與集料的黏附性會變差，進(jìn)而影響瀝青混合料的水穩(wěn)性能，而在EM降黏劑中加入卡洛胺，可以有效改善瀝青和集料之間的黏附力，從而提高混合料的水穩(wěn)性能.與市面上傳統(tǒng)降黏劑相比，新開發(fā)的EM降黏劑所用原材料來源方便，且價格低廉，在綜合考慮性價比與EM軟質(zhì)瀝青性能改善的同時，結(jié)合試驗室測試對比分析，選用上述四種原材料.

1.2 EM降黏劑開發(fā)試驗及結(jié)果分析

正交試驗是一種利用統(tǒng)計學(xué)方法，并依據(jù)實踐經(jīng)驗來快速、高效處理多因素交互作用的問題，找出優(yōu)化的組合方案.運用標(biāo)準(zhǔn)正交表來制定EM降黏劑的開發(fā)試驗方案.

EM降黏劑由硬脂酸、聚丙烯酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、卡洛胺(分別用S，A，F(xiàn)，C表示)四種材料組成，以四種材料作為因素，每種因素各選取四個水平進(jìn)行四因素四水平正交試驗.試驗選用5%的EM降黏劑添加到SK70號基質(zhì)瀝青中，以改性后的基質(zhì)瀝青的針入度、軟化點、15 ℃延度、135 ℃黏度為指標(biāo)對其性能進(jìn)行分析并評價.并運用SPSS軟件對135 ℃黏度正交試驗結(jié)果進(jìn)行分析，各因素對黏度的影響見圖1～2.

圖1 原材料摻量對135 ℃黏度的影響

圖2 不同配比下的黏度

由圖1～2可知，EM降黏劑中的四種材料對SK70號基質(zhì)瀝青的黏度均有影響，并且隨著各種材料含量的增加，瀝青的135 ℃黏度整體上呈現(xiàn)出先下降后上升的凹型曲線變化趨勢，分析認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于四種原材料除了硬脂酸之外均為液體，當(dāng)加入一定量的這些材料之后會使瀝青變稀，表面張力減弱，從而黏度降低，但是當(dāng)這些材料的含量達(dá)到一定界限后，相互之間可能發(fā)生了化學(xué)交互反應(yīng)，從而使黏度又有所增加.依據(jù)黏度試驗結(jié)果，為了使EM降黏劑具有良好的降黏效果，現(xiàn)確定S，A，F(xiàn)，C四種材料的添加比例(質(zhì)量比)為16∶3∶75∶12.

為了得到適用于預(yù)拌增強的軟質(zhì)瀝青，將EM降黏劑以0%～7%的比例添加到SK70號基質(zhì)瀝青中，分別測定各摻量下瀝青的性能指標(biāo)，以此為基準(zhǔn)確定EM降黏劑的摻量范圍.試驗結(jié)果見圖3.

圖3 EM降黏劑的摻量對瀝青性能的影響

由圖3可知，隨著EM降黏劑摻量的增加，瀝青的各性能指標(biāo)變化為：針入度先增大后減小、軟化點先下降后上升、延度持續(xù)增大、各個溫度下的黏度先減小后增加.為了使瀝青的各項性能均符合要求，且能滿足預(yù)拌增強的條件，現(xiàn)推薦EM降黏劑的添加劑量為瀝青質(zhì)量的2%～4%，本文后續(xù)試驗采用3%的添加比例.

2 預(yù)拌增強瀝青混合料制備工藝及試驗方案

2.1 試驗材料

巖瀝青采用青川(QC)和布敦(Buton)兩種不同性能指標(biāo)的硬質(zhì)瀝青，以SK70號石油瀝青作為試驗用基質(zhì)瀝青，對比試驗瀝青采用SK70號基質(zhì)瀝青和遼河石化SBS改性瀝青.通過試驗，在SK70號基質(zhì)瀝青中加入3%的EM降黏劑可制得良好和易性的EM軟質(zhì)瀝青.試驗采用玄武巖為粗集料，石灰?guī)r為細(xì)集料，礦粉作為填料.各檔集料的技術(shù)性能指標(biāo)測試結(jié)果均滿足《公路工程集料試驗規(guī)程》的要求.巖瀝青的性能指標(biāo)見表1.

2.2 制備工藝

基于EM型預(yù)拌增強瀝青混合料的技術(shù)原理，在拌合混合料前先將SK70號基質(zhì)瀝青加熱到135 ℃，然后加入3%(SK70號基質(zhì)瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù))的EM降黏劑，并用高速剪切機攪拌剪切30 min，制得EM軟質(zhì)瀝青，制得軟質(zhì)瀝青后采用黏溫曲線確定EM軟質(zhì)瀝青的加熱溫度為135 ℃左右，根據(jù)規(guī)范要求SK70號HMA拌和溫度為155～165 ℃，采用160 ℃.經(jīng)上述分析可以得到采用自主開發(fā)的EM降黏劑制備出的軟質(zhì)瀝青，可使瀝青加熱溫度降低20 ℃左右.

表1 巖瀝青性能試驗結(jié)果

EM型預(yù)拌增強瀝青混合料與對比試驗拌和工藝為見表2～3.

表2 瀝青混合料的拌和步驟

表3 試驗中混合料成型控制溫度

2.3 試驗方案

試驗采用工程中常用的AC-13級配，礦料級配見表4.

表4 礦料級配

按照規(guī)范要求，采用馬歇爾法對各瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計[6]，確定EM型預(yù)拌增強瀝青混合料的油石比(EM軟質(zhì)瀝青與集料質(zhì)量比)為4.8%,同時為了便于對比分析，將對比組SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的油石比統(tǒng)一采用4.8%.

為了研究巖瀝青的摻量對兩種預(yù)拌增強瀝青混合料性能的影響，并推薦合適的布敦巖瀝青和青川巖瀝青摻量，試驗中對青川巖瀝青的復(fù)拌比例選擇了10%，15%，20%，25%四種，對布敦巖瀝青的復(fù)拌比例選擇了20%，30%，40%，50%四種.采用車轍試驗、半圓彎拉試驗[7]、凍融劈裂試驗來分別評價EM型預(yù)拌增強瀝青混合料的高溫抗車轍、低溫抗裂、抗水損壞性能.

3 路用性能試驗結(jié)果與分析

3.1 高溫性能

采用車轍試驗對混合料的高溫性能進(jìn)行評價，與SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的試驗指標(biāo)進(jìn)行橫向比較，各種瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果見圖4.

圖4 不同巖瀝青摻量下混合料的動穩(wěn)定度

由圖4可知：添加巖瀝青復(fù)拌增強得到的EM型預(yù)拌增強瀝青混合料的動穩(wěn)定度值均遠(yuǎn)大于SK70號基質(zhì)瀝青混合料和溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度.對于添加青川(QC)巖瀝青的預(yù)拌增強瀝青混合料,當(dāng)青川巖瀝青的添加比例為20%時，混合料的動穩(wěn)定度最大;對于添加布敦(Buton)巖瀝青的預(yù)拌增強瀝青混合料，當(dāng)布敦巖瀝青的摻量為30%時，混合料的動穩(wěn)定度值超過了SBS改性瀝青混合料的，并且隨著巖瀝青摻量的繼續(xù)增加，預(yù)拌增強瀝青混合料的動穩(wěn)定度值大體上呈現(xiàn)逐步穩(wěn)定的趨勢.

以上試驗現(xiàn)象說明巖瀝青能夠顯著提升混合料的高溫性能，分析認(rèn)為出現(xiàn)上述結(jié)果是因為巖瀝青是一種經(jīng)過千萬年的高溫高壓、微生物分解、無機物觸媒等各種復(fù)雜的條件而形成的長期與大自然共存的一種物質(zhì)，其組成中氮元素含量很高，并且多以官能團(tuán)的形式存在，而這種形式的官能團(tuán)能夠顯著的增強瀝青與集料間的黏附能力，這就使得混合料能夠形成一個更緊密的整體，在宏觀上就表現(xiàn)為抗車轍能力增強，這也是預(yù)拌增強技術(shù)中“增強”功能的具體體現(xiàn).

為保證EM型預(yù)拌增強瀝青混合料具有良好的高溫性能，推薦青川巖瀝青的摻量為15%～20%，布敦巖瀝青的摻量為30%～40%.

3.2 低溫性能

混合料的低溫性能不良是導(dǎo)致瀝青路面在溫度較低的季節(jié)產(chǎn)生裂縫的主要因素[8].為了評價EM型預(yù)拌增強瀝青混合料的低溫性能，對EM型預(yù)拌增強瀝青混合料、SK70號HMA、SBS瀝青混合料和0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料在-10 ℃的條件下進(jìn)行半圓彎拉試驗(SCB)，采用最大荷載、彎拉強度以及斷裂能密度三個參數(shù)評價混合料的低溫性能，試驗結(jié)果見圖5.

圖5 不同巖瀝青摻量下瀝青混合料的性能圖

由圖5可知：

1) 加入巖瀝青后得到的預(yù)拌增強瀝青混合料的SCB試驗參數(shù)(彎拉強度、最大荷載以及斷裂能密度)相比于目前常用的SK70號基質(zhì)瀝青混合料均有一定程度的提升.分析認(rèn)為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于EM降黏劑是一種近于液態(tài)的乳狀物質(zhì)，在瀝青中添加EM降黏劑后使得瀝青的低溫性能得以提升，從而使得混合料的低溫性能也有所提高.同時巖瀝青的加入可以提高瀝青混合料的低溫抗彎拉強度.

2) 對于添加青川(QC)巖瀝青的預(yù)拌增強瀝青混合料,隨著巖瀝青摻量的增加，其SCB試驗參數(shù)均呈先上升后下降的趨勢，且在青川巖瀝青的摻量為15%時，其低溫性能最佳，當(dāng)摻量超過20%時，就會對混合料的低溫性能有不利影響；對于添加布敦(Buton)巖瀝青的預(yù)拌增強瀝青混合料，在布敦巖瀝青的摻量為30%時，其SCB試驗參數(shù)最大，低溫性能最佳，而隨著巖瀝青摻量的增加，其SCB參數(shù)呈先上升后下降的趨勢.

3) 當(dāng)青川巖瀝青的摻量超過15%、布敦巖瀝青的摻量超過30%時，兩種預(yù)拌增強瀝青混合料的SCB試驗參數(shù)都小于0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的，進(jìn)一步說明巖瀝青的摻量會影響預(yù)拌增強瀝青混合料的低溫性能，拌制預(yù)拌增強混合料時需要控制巖瀝青的摻量.

3.3 水穩(wěn)性能

瀝青混合料的抗水損害性能與路面的使用壽命密切相關(guān)，同時也影響著路面的行車舒適性[9-14].通過對EM型預(yù)拌增強瀝青混合料、SK70號HMA、SBS改性瀝青混合料、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料分別進(jìn)行凍融劈裂試驗來對比評價EM型預(yù)拌增強環(huán)保瀝青混合料的水穩(wěn)性能.凍融劈裂試驗結(jié)果見圖6.

圖6 不同巖瀝青摻量下瀝青混合料殘留強度比TSR

由圖6可知：

1) EM型預(yù)拌增強瀝青混合料的TSR值均顯著大于SK70號HMA和0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料的，并且隨著巖瀝青摻量的增加，其TSR值呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢.分析認(rèn)為EM降黏劑的原材料中含有抗剝落劑卡洛胺，加入EM降黏劑后能改善混合料的水穩(wěn)性能，且?guī)r瀝青有很高的浸潤性，對自由氧化基有顯著的抵抗性，能夠明顯改善瀝青與混合料的黏附性和抗剝離性，從而提高混合料的水穩(wěn)性能.

2) 凍融后的混合料的劈裂強度值R2隨著青川巖瀝青和布敦巖瀝青的摻量增加在不斷的升高，并且當(dāng)青川巖瀝青的摻量為25%時，其R2值已經(jīng)與SBS混合料的相當(dāng)，這說明巖瀝青可提高混合料的抗拉強度.

4 結(jié) 論

1) 自開發(fā)的EM降黏劑中硬脂酸、聚丙烯酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、卡洛胺(S，A，F(xiàn)，C)四種材料的組成比例(質(zhì)量比)為16∶3∶75∶12.推薦預(yù)拌增強瀝青混合料中EM降黏劑的添加劑量為瀝青質(zhì)量的2%～4%，本文采用3%的添加比例.

2) EM型預(yù)拌增強混合料所用的EM軟質(zhì)瀝青的加熱溫度比SK70號降低約20 ℃，具有較好的環(huán)保效果.

3) 基于EM降黏劑的預(yù)拌增強混合料各項路用性能與SK70號HMA、0.3%Asp-SK70號溫拌瀝青混合料相比均有一定改善與提高，并且青川巖瀝青的改善效果優(yōu)于布敦巖瀝青.

4) 當(dāng)青川巖瀝青摻配比例為20%、或者布敦巖瀝青的摻配比例為30%時，EM型預(yù)拌增強瀝青混合料的各項路用性能達(dá)到最佳.