溫改性瀝青添加劑AA的最佳摻量與施工溫度研究

舒利平， 陳 民

(1.貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，貴州 銅仁 554300；2.貴州省銅仁公路管理局，貴州 銅仁 554300)

熱拌瀝青混合料(Hot Mix Asphalt,HMA)在生產(chǎn)時(shí)需要通過將瀝青加熱至150～180 ℃甚至更高的溫度以滿足施工要求，伴隨產(chǎn)生大量的有害氣體，消耗大量的燃料，造成環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，這與我國(guó)近年來倡導(dǎo)的“節(jié)能”、“環(huán)境友好”的施工理念相違背。另外，瀝青路面在施工時(shí)對(duì)于環(huán)境溫度要求較為嚴(yán)苛，氣溫較低會(huì)造成HMA溫度下降過快，難以壓實(shí)，這極大地限制了瀝青路面的施工有效時(shí)間。在這一背景下，溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt,WMA)應(yīng)運(yùn)而生。WMA是指通過添加外加劑等技術(shù)方法，降低瀝青之間或者瀝青與集料間的黏度以降低瀝青混合料施工溫度，同時(shí)保證路用性能不低于甚至高于HMA[1]。

AA(全稱：Asphalt Additional)是一種新型聚烯烴類石油瀝青改性劑，可以采用“濕法”或“干法”外摻，用以降低拌和及施工溫度，有效延長(zhǎng)路面的使用壽命。為研究最佳溫拌效果下的摻量，直觀體現(xiàn)AA的作用效果，特選用了進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的兩種常用的效果類似的溫拌劑W-1(進(jìn)口)、W-2(國(guó)產(chǎn))作為對(duì)比材料，還設(shè)計(jì)了SBS改性瀝青+2%AA的瀝青及混合料對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證AA對(duì)于改性瀝青的降黏效果。結(jié)合2019年貴州省銅仁公路管理局S203線預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的應(yīng)用，驗(yàn)證了AA是一種具有優(yōu)良綜合效益的瀝青溫拌改性劑。

1 AA溫拌改性瀝青室內(nèi)試驗(yàn)研究

1.1 AA溫拌改性瀝青的制備

AA溫拌改性劑(見圖1)為乳白色的固體小顆粒。試驗(yàn)時(shí)按比例稱取瀝青及AA，將AA緩慢加入熱瀝青中并攪拌均勻。由于采用人工攪拌的方式耗時(shí)費(fèi)力，因此采用了高速剪切儀，在140 ℃(基質(zhì)瀝青)/160 ℃(SBS I-D改性瀝青)左右以3 000 r/min的剪切速率剪切20 min即可制得溫拌改性瀝青。W-1(見圖2)、W-2(見圖3)兩種材料按照廠家建議摻量及要求進(jìn)行制備。

圖1 AA溫拌改性劑 圖2 W-1溫拌劑(進(jìn)口) 圖3 W-2溫拌劑(國(guó)產(chǎn))

對(duì)不同摻量的AA進(jìn)行熒光顯微鏡觀測(cè)，結(jié)果見圖4。圖中的暗點(diǎn)是AA分散在瀝青中的狀態(tài)，可以看出，AA并沒有因?yàn)閾搅康脑黾佣霈F(xiàn)積聚的現(xiàn)象，在瀝青的分散狀態(tài)是均勻有序的，表明AA與瀝青之間具有優(yōu)良的相容性[2]。

圖4 不同摻量瀝青顯微鏡觀測(cè)照片

1.2 溫拌降黏機(jī)理

瀝青中含有-OH(羥基)、-NH2(氨基)等，其中O、N等原子呈強(qiáng)電負(fù)性，因此與H原子之間共用的電子云偏向電負(fù)性強(qiáng)的原子，所以H原子變成近乎H正離子狀態(tài)。AA內(nèi)部存在大量的-C=O(羰基)，當(dāng)-C=O與熱瀝青中的極性基團(tuán)相遇時(shí)，H會(huì)與O原子發(fā)生靜電吸引，形成H鍵[3]。AA分子借助H鍵通過滲透以及分散作用進(jìn)入瀝青質(zhì)—膠質(zhì)之間，拆散平面重疊堆砌而成的瀝青聚集體，形成新的聚集體，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)之間的作用變得不規(guī)則。如此一來，瀝青中的大分子轉(zhuǎn)化為較低層次的分子，同時(shí)釋放出膠團(tuán)結(jié)構(gòu)中的飽和分子，引起膠團(tuán)體系的分散度增加，使得瀝青高溫黏度降低，達(dá)到溫拌效果[4]。

1.3 Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

Brookfield(布氏)旋轉(zhuǎn)黏度屬于美國(guó)SHRP計(jì)劃的Superpave評(píng)價(jià)指標(biāo)，表示特定溫度下流體間剪應(yīng)力與應(yīng)變的比值[5]。本文通過測(cè)定特定溫度下不同外加劑下瀝青的布氏黏度，研究溫拌瀝青黏度與溫度的關(guān)系，分析溫拌改性瀝青中AA的最佳摻量，為后期施工溫度及摻量的選擇提供依據(jù)。試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 不同溫度下不同種類溫拌瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度 Pa·s

將不同溫度下AA溫拌瀝青的黏度繪制成黏溫曲線，見圖5及圖6。

圖5 90～160 ℃ AA溫拌瀝青黏溫曲線

由圖5可以看出，不同摻量的AA對(duì)基質(zhì)瀝青的降黏趨勢(shì)是相似的。在90～100 ℃之間，基質(zhì)瀝青與AA溫拌瀝青存在“交匯點(diǎn)”，90 ℃之前AA溫拌瀝青的黏度高于基質(zhì)瀝青，這主要是由于AA的熔點(diǎn)為96 ℃，熔點(diǎn)溫度之前AA是以軟固態(tài)的形式存在于瀝青之中，“改性作用”占主導(dǎo)地位，因此黏度較大。超過熔點(diǎn)溫度后，在130 ℃之前，基質(zhì)瀝青的黏度迅速下降。

圖6 130～160 ℃ AA溫拌瀝青黏溫曲線

由圖6可以看出，不同AA摻量的溫拌瀝青在130～160 ℃之間存在微妙的區(qū)別?！豆饭こ虨r青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)中采用布氏黏度為0.17±0.02 Pa·s和0.28±0.03 Pa·s的對(duì)應(yīng)溫度作為瀝青混合料拌合與碾壓溫度，由此可以得出不同摻量下溫拌瀝青的適宜拌合和碾壓溫度，見表2。

表2 不同AA摻量溫拌瀝青建議施工溫度

可以看出，2%AA摻量下的溫拌降黏作用為最佳效果，可以使基質(zhì)瀝青的碾壓溫度降低27 ℃。隨著摻量繼續(xù)增加，降黏效果有稍許“反彈”，這主要是因?yàn)閾搅吭黾訉?dǎo)致瀝青中的析出微晶蠟增加，因此黏度略微增加，但是其溫拌效果較基質(zhì)瀝青也是十分明顯的，3%、4%摻量下，AA可使基質(zhì)瀝青碾壓溫度下降24 ℃左右。綜上所述，從最佳降黏效果結(jié)合經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議AA摻量控制在2%～3%、碾壓溫度為130～135 ℃。

為比較AA與其他同類型產(chǎn)品的區(qū)別，將2%AA、3%AA、W-1以及W-2數(shù)據(jù)繪制黏溫曲線，見圖7、圖8。

通過比較可以看出，2%AA、3%AA可使基質(zhì)瀝青碾壓溫度下降24～27 ℃，W-1可使施工溫度下降22 ℃左右，W-2可使施工溫度下降15 ℃左右，因此單看溫拌效果，AA的效果更明顯。

圖7 90～160 ℃不同溫拌瀝青黏溫曲線

圖8 130～160 ℃ 不同溫拌瀝青黏溫曲線

另外，由表1中SBS、SBS+2%AA的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，2%AA可以使SBS的施工溫度由原來的163～172 ℃降至139～152 ℃，下降幅度為20 ℃以上，證明了AA對(duì)于改性瀝青同樣具有優(yōu)良的溫拌效果。

2 馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)

溫拌瀝青試驗(yàn)表明，AA對(duì)于瀝青降黏作用比較明顯，AA溫拌改性的效果在瀝青混合料層面上的表現(xiàn)同樣需要通過室內(nèi)瀝青混合料試驗(yàn)加以驗(yàn)證[6,7]。本節(jié)采用AC-13C型級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，油石比為5.0%，目標(biāo)空隙率4.0%，采用W-1(進(jìn)口)、W-2(國(guó)產(chǎn))兩種溫拌劑作為對(duì)比。

設(shè)計(jì)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)來驗(yàn)證AA的降黏效果[8]，設(shè)定4%為目標(biāo)空隙率，對(duì)不同溫拌瀝青混合料在130～160 ℃下進(jìn)行擊實(shí)，測(cè)定試件的空隙率，結(jié)果見表3。

表3 不同AA摻量、擊實(shí)溫度下溫拌瀝青混合料馬歇爾試件空隙率

將表中數(shù)據(jù)繪制成空隙率與溫度折線圖，見圖9，以4.0%的空隙率作為混合料最佳的壓實(shí)效果，將每種瀝青混合料在最佳空隙率對(duì)應(yīng)的擊實(shí)溫度在圖中標(biāo)出。

從圖中可以很方便地看出，最佳空隙率下對(duì)應(yīng)的擊實(shí)溫度從低到高對(duì)應(yīng)的溫拌瀝青種類分別是：

圖9 不同溫拌瀝青混合料浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2%AA、3%AA、4%AA、1%AA、W-1、W-2，其實(shí)這也間接表明了溫拌效果的順序，這與前文的瀝青試驗(yàn)結(jié)果相吻合。2%以上%摻量的AA能夠明顯降低基質(zhì)瀝青的施工溫度，在2%摻量時(shí)，降溫效果到達(dá)最佳，擊實(shí)溫度在135 ℃左右最佳。另外，SBS改性瀝青在2%AA的作用下，擊實(shí)溫度也降至了141.5 ℃，甚至低于正?；|(zhì)瀝青的施工溫度，說明了AA對(duì)基質(zhì)瀝青和改性瀝青都能起到很好的降黏溫拌作用。

3 工程應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)段情況

依托貴州省銅仁公路管理局2019年預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程，2019年8月22日至25日，貴州省S203線采用AA溫拌改性瀝青完成了4 km路面鋪裝，以驗(yàn)證AA的溫拌改性在實(shí)際應(yīng)用中的效果。過程中發(fā)現(xiàn)，由于施工溫度的降低，瀝青拌合站和施工現(xiàn)場(chǎng)沒有煙塵和明顯的刺激性氣味，較常規(guī)瀝青現(xiàn)場(chǎng)，施工環(huán)境得到了很大的改善。

試驗(yàn)段采用AC-13C級(jí)配，瀝青為茂名石化70#瀝青，油石比5.0%，設(shè)置了0%、2%、3%和4%四種AA的摻量。在瀝青拌合站和前場(chǎng)施工隊(duì)伍的配合下，針對(duì)0%摻量的混合料采用了165 ℃的出料溫度，初壓溫度為160 ℃，在非主干道處鋪筑了100 m試驗(yàn)段用于科研對(duì)比。2%、3%和4%摻量的試驗(yàn)段設(shè)置了140 ℃、150 ℃、150 ℃的出料溫度，保證初壓溫度能夠控制在130～135 ℃之間，以滿足科研數(shù)據(jù)采集的要求，試驗(yàn)段當(dāng)天分派專人對(duì)初壓溫度及樁號(hào)進(jìn)行測(cè)量記錄。

針對(duì)不同初壓溫度，現(xiàn)場(chǎng)科研人員于施工當(dāng)天取混合料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，施工次日進(jìn)行壓實(shí)度、滲水等現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)大致情況見圖10～圖11。

3.2 試驗(yàn)段檢測(cè)

試驗(yàn)段檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

圖10 施工現(xiàn)場(chǎng) 圖11 試驗(yàn)段檢測(cè)

表4 試驗(yàn)段檢測(cè)數(shù)據(jù)

可以看出，150 ℃下0%摻量的混合料壓實(shí)效果不佳，密水效果雖然滿足要求，但是相比較而言仍有改善空間，其余幾種條件下壓實(shí)度均較為理想，密水效果也十分優(yōu)秀。其中135 ℃下2%、3%、4%這三種情況下壓實(shí)度接近預(yù)期效果，130 ℃初壓溫度下壓實(shí)效果相對(duì)差一些，說明135 ℃的初壓溫度和3個(gè)摻量下的混合料更容易壓實(shí)，驗(yàn)證了AA的溫拌效果，數(shù)據(jù)也與室內(nèi)瀝青及混合料試驗(yàn)契合度很高。按照以往經(jīng)驗(yàn)，以98%左右的壓實(shí)度控制壓實(shí)溫度，因此建議AA對(duì)應(yīng)的最佳初壓溫度為135 ℃。

整體而言，此次試驗(yàn)段很好地驗(yàn)證了AA的溫拌降黏效果，所得結(jié)果與室內(nèi)研究結(jié)果吻合度較高，結(jié)合本工程，驗(yàn)證了AA的最佳摻量以及作用效果。

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)室內(nèi)瀝青及混合料試驗(yàn)，依托實(shí)體工程，驗(yàn)證了AA溫拌改性劑的溫拌降黏作用效果，主要得到了以下結(jié)論：

(1)AA與瀝青具有較好的相容性，AA加入到瀝青中分散效果較好，不易離析。

(2)黏溫曲線、馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)表明，2%～3%摻量的AA對(duì)基質(zhì)瀝青和改性瀝青的降黏效果非常明顯，能使基質(zhì)瀝青混合料的碾壓溫度降低24～27 ℃，使改性瀝青混合料的碾壓溫度降低20 ℃以上，以135 ℃為宜。

(3)AA作為一種新型溫拌改性劑，能明顯降低施工溫度，減少能耗和煙塵污染。與部分同類型產(chǎn)品相比，溫拌改性效果相對(duì)更加明顯，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。