韓春利，黃維蓉，楊玉柱，何 霞

(1.保利長大工程有限公司，廣州 510620；2.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074)

瀝青混合料是由瀝青、礦料和空隙組成的復合結構。按照拌和工藝可分為熱拌瀝青HMA(Hot Mix Asphalt)技術、冷拌瀝青技術和溫拌瀝青WMA(Warm Mix Asphalt)技術。我國高速公路基本上采用傳統的熱拌瀝青混合料(HMA)[1-2]，在生產過程中，其拌和溫度需在150 ℃～190 ℃之間。在如此高的溫度下拌和、攤鋪以及碾壓瀝青混合料，不僅需消耗大量的能源，還會釋放出大量的CO2等溫室氣體、有毒氣體以及粉塵，嚴重影響現場施工作業(yè)人員的身體健康以及周圍大氣環(huán)境[3]。

為了改善HMA技術伴生的耗能和環(huán)境污染問題，WMA技術被認為是瀝青路面建設的一種經濟和環(huán)保的選擇。WMA技術用溫拌添加劑對瀝青混合料進行改性，以降低生產和施工溫度[1，3-7]，采用的溫拌劑有降粘型溫拌劑[8-9]、發(fā)泡型溫拌劑[10]和表面改性型溫拌劑[11-13]。本文提出將降粘型與發(fā)泡型2種不同類型的溫拌劑摻入瀝青中，分別研究基質瀝青粘溫曲線的變化，將其摻入瀝青混合料中，通過不同溫度下的空隙率來反映壓實度，得到壓實度與壓實溫度的關系，進而找到瀝青混合料的最佳壓實溫度，并在此溫度下，進行高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性[14-15]研究，以期得出2種溫拌劑對瀝青混合料高溫車轍、水穩(wěn)定性的影響。

1 原材料與配合比

1.1 瀝青

試驗選用70號基質瀝青，其各項性能指標見表1。

表1 基質瀝青性能指標

1.2 溫拌劑

試驗選擇ASMIN、EC-120作為溫拌添加劑，ASMIN是一種堆積密度約為650 g/L、pH值為10～11的白色多孔硅鋁酸鹽結晶粉狀物；EC-120是一種半透明狀固態(tài)碳氫化合物，熔點約為100 ℃。摻量統一為瀝青質量的3.5%。

1.3 礦料

試驗礦料采用滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]要求的10 mm～20 mm、5 mm～10 mm的石灰?guī)r碎石，0～5 mm的石灰?guī)r機制砂，石灰?guī)r礦粉。

1.4 配合比

選用中粒式瀝青混凝土GAC-20為研究對象進行混合料級配組成設計。對所選集料水篩后，按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]推薦的方法進行配合比設計，得到合成級配，見表2，各材料比例為10 mm～20 mm∶5 mm～10 mm∶0～5 mm∶礦粉=20∶44∶33∶3。在此配合比下，溫拌劑摻量較少，對瀝青混合料油石比的影響可以忽略不計，根據馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.3%。

表2 GAC-20合成級配

2 試驗

2.1 拌和、碾壓溫度確定

通過測試基質瀝青、摻不同溫拌劑的瀝青旋轉粘度試驗來確定溫拌瀝青混合料的拌和與壓實溫度；通過Brookfiled粘度計測量其表觀粘度，得到粘溫曲線，見圖1。

圖1 瀝青粘溫曲線

由圖1可以看出，摻入溫拌劑后，瀝青粘度都有所降低，其中摻入EC-120溫拌劑后的粘度降低非常明顯，而摻ASMIN溫拌劑的瀝青粘度降低幅度較小，主要原因是EC-120為降粘型溫拌劑，通過直接降低瀝青的粘度來達到溫拌目的；而ASMIN為發(fā)泡型溫拌劑，其工作原理是摻入瀝青混合料中，水分會隨著時間的延長而慢慢釋放出來，從而產生連續(xù)的發(fā)泡反應，因此，在與熱的集料拌和時會出現薄薄的水氣對結合料中的發(fā)泡反應起到潤滑劑的作用，從而使混合料在較低溫度下具有可工作性，混合料的拌和溫度亦顯著降低，該溫拌劑只有在與骨料拌和過程中才能明顯發(fā)揮降粘作用。由圖1的粘溫曲線擬合出方程，見表3。

表3 粘溫曲線擬合方程

JTG E20—2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]中規(guī)定，在粘度值為(0.17±0.02) Pa·s 時為混合料的拌和溫度，粘度值為(0.28±0.03) Pa·s 時為混合料的壓實成型溫度，根據擬合方程得到壓實溫度、碾壓溫度，見表4。

表4 瀝青的拌和、碾壓溫度 ℃

由表4可知，EC-120可降低基質瀝青混合料拌和溫度約15 ℃，降低碾壓溫度10 ℃左右；ASMIN的拌和碾壓溫度與基質瀝青相當，原因是當溫度大于100 ℃時，ASMIN會緩慢釋放結晶水，過程中產生的氣泡在一定程度上擾動了瀝青，從而影響其粘度的變化。

2.2 溫拌瀝青混合料馬歇爾試驗

將基質瀝青、摻EC-120和ASMIN溫拌劑的瀝青按照配合比分別在130 ℃、135 ℃、140 ℃和145 ℃溫度下每組成型6個馬歇爾試件，測出不同溫度下馬歇爾試件的孔隙率，并將試件進行穩(wěn)定度、流值試驗，結果見圖2～圖4。

圖2 不同瀝青混合料在不同溫度下的空隙率

圖3 不同瀝青混合料在不同溫度下的穩(wěn)定度

圖4 不同瀝青混合料在不同溫度下的流值

由圖2可知，馬歇爾試件的孔隙率隨著壓實溫度的升高而降低；在相同壓實溫度下，摻入EC-120、ASMIN溫拌劑都明顯降低了馬歇爾試件的孔隙率，進而提高其壓實度。其中，基質瀝青壓實溫度要在145 ℃時才能滿足規(guī)范要求4%～6%的孔隙率，與Brookfiled粘度計所測得的146.5 ℃相吻合；而摻入EC-120溫拌劑在130 ℃時空隙率就能達到符合規(guī)范要求的5.2%，其最佳壓實溫度相比于基質瀝青降低了15 ℃；摻發(fā)泡型溫拌劑ASMIN的瀝青混合料在130 ℃時要比摻EC-120溫拌劑空隙率基本高0.6%，但也滿足規(guī)范要求。達到滿足標準基本相同的空隙率，基質瀝青混合料需要145 ℃、摻EC-120溫拌劑的瀝青混合料需要130 ℃、摻ASMIN溫拌劑的瀝青混合料需要135 ℃，在此溫度下結晶水被逐漸緩慢釋放出來并生成分散均勻的水蒸氣氣泡，它們使瀝青發(fā)生膨脹，形成數量巨大的微小孔隙，這些微小孔隙增加了瀝青混合料的流動性，從而實現溫拌，同時降低了其壓實度。

從圖3、圖4可以看出，穩(wěn)定度、流值都隨著壓實溫度的升高而提高。其中，基質瀝青混合料需要在145 ℃時穩(wěn)定度才能達到規(guī)范要求的8 kN以上，而摻入溫拌劑的2種混合料在130 ℃下即能滿足要求，這是因為基質瀝青混合料要在大于145 ℃時，空隙率與摻溫拌劑混合料的空隙率才相當；所有試件的流值都符合規(guī)范要求的1.5 mm～4 mm。

2.3 溫拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性研究

根據馬歇爾空隙率試驗結果，在3種不同類型瀝青混合料大致達到同一空隙率的溫度下成型3組車轍板，每組制備3塊，在130 ℃下制備分別摻2種溫拌劑的2組車轍板，在145 ℃下制備基質瀝青的1組車轍板。按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]測試各試件動穩(wěn)定度，以評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗結果見圖5。

圖5 動穩(wěn)定度試驗結果

由圖5可知，所有瀝青混合料都超過了規(guī)范要求的1 500次/mm，摻入溫拌劑增加了普通瀝青混合料的動穩(wěn)定度，說明溫拌劑加入可提高瀝青混合料的高溫性能。在摻入EC-120溫拌劑時，動穩(wěn)定度提高了24.1%，這是因為EC-120溫拌劑為長鏈高分子石蠟，其分子鏈高于天然石蠟，在瀝青膠結料粒呈現出晶格結構，使得瀝青混合料擁有更好的穩(wěn)定性和抗車轍能力，從而提高了其高溫性能。摻ASMIN的瀝青混合料相比普通基質瀝青混合料動穩(wěn)定度略有提高。

2.4 溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性研究

通過對比3組空隙率大致相當的馬歇爾試件的劈裂強度和凍融殘留強度比進行水穩(wěn)定性評價。按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]要求分別對3種瀝青混合料雙面擊實50次成型馬歇爾試件，每組12個試件，凍融和非凍融試件各6個，試驗結果見圖6。

圖6 凍融劈裂試驗結果

由圖6可知，摻入EC-120的瀝青混合料水穩(wěn)定性較普通基質瀝青混合料的水穩(wěn)定性有所降低，原因是降粘型溫拌劑EC-120為高分子蠟，它會降低石料與瀝青的粘結能力，在經過凍融后致使其劈裂強度降低，但其摻量較低，為瀝青的3.5%，因此，水穩(wěn)定性降低在一定范圍內，但其凍融劈裂殘留強度比超過了規(guī)范要求的75%。摻發(fā)泡型溫拌劑ASMIN的瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比較普通基質瀝青混合料有小幅提高，主要是ASMIN為發(fā)泡型溫拌劑，所含水分包含吸附水和結晶水2部分，其特有結晶吸附性使得水蒸氣冷卻后仍會被部分固定而不會影響瀝青綜合性能；又因ASMIN是多孔結構的礦粉，使得拌和時吸附礦料與瀝青，形成了更多的結構瀝青，增強了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

總之，EC-120溫拌劑會顯著提升混合料的高溫性能，但也會較明顯降低混合料的水穩(wěn)定性；而ASMIN會小幅提升混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性，因此，推薦采用發(fā)泡型溫拌劑作為溫拌瀝青混合料添加劑。

3 結論

1) 降粘型溫拌劑EC-120能明顯降低基質瀝青高溫時的表觀粘度，從而降低瀝青的壓實和碾壓溫度。

2) 摻入EC-120和ASMIN兩種溫拌劑均可降低瀝青混合料的壓實溫度，分別降低了15 ℃和10 ℃。在相同壓實溫度下，2種溫拌劑都能降低瀝青混合料的空隙率，提高混合料密實度。

3) EC-120的分子鏈高于天然石蠟，在瀝青膠結料粒呈現出晶格結構，在相同空隙率下，能夠增加瀝青混合料的高溫性能；同時因蠟的存在，會降低石料與瀝青的粘結能力，導致其水穩(wěn)定性降低。

4) ASMIN在100 ℃以上即可發(fā)生連續(xù)的發(fā)泡反應，起到潤滑劑作用，同時因其為多孔結構，吸附了瀝青與礦料，形成更多的結構瀝青，使得瀝青混合料的高溫與水穩(wěn)性能都有所提高。