唐 寧，王弘曄，符 聃，吳麗梅，王 晴

(1. 沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110168)(2. 沈陽建筑大學外國語學院，遼寧 沈陽 110168)

1 前 言

在道路工程中，瀝青路面的鋪設通常使用熱拌瀝青混合料(hot mix asphalt，HMA)。但是，HMA需要在170 ℃左右拌合，如此高的拌合溫度會帶來較高的能源消耗和二氧化碳排放，從而造成嚴重的環(huán)境負荷[1]。因此，溫拌瀝青混合料(warm mix asphalt，WMA)引起了科學界和工程界的廣泛關注。WMA是指在基本不改變?yōu)r青混合料配合比和施工工藝的前提下，通過技術手段使其拌合溫度降低30～40 ℃以上同時性能達到與HMA相同水平的新型瀝青混合料。瀝青混合料拌合溫度的降低會減少干燥和加熱集料時燃料的消耗、降低溫室氣體和有毒氣體的排放、極大地保護施工人員的身體健康、延長瀝青路面的施工周期[2]。

為了節(jié)能減排，WMA已經在世界各國得到了越來越廣泛的應用。目前，國內外學者對WMA已經開展了多方面的研究，開發(fā)出了多種類型的溫拌技術。與此同時，隨著溫拌技術的飛速發(fā)展，新型WMA的研發(fā)也有了許多報道。因此，本文旨在通過系統(tǒng)地文獻綜述，對各種溫拌技術進行歸納和總結，具體內容包括：WMA的發(fā)展簡史、優(yōu)缺點、溫拌技術、路用性能以及其最新進展。

2 溫拌瀝青混合料

WMA的歷史最早可以追溯到1928年德國人August申請的發(fā)明專利“泡沫瀝青”[3]。1956年，愛荷華州立大學的Ladis教授將水蒸氣通入到熱瀝青中形成了泡沫瀝青[4]；1968年，美國美孚公司(Mobil Inc.)獲得了用冷水代替水蒸氣的瀝青發(fā)泡技術發(fā)明專利[4]；1970年，美國康菲石油公司(Conoco Inc.)獲得了WMA的市場準入許可，進一步開展了WMA的實驗室與現場研究[5]；1977年，隨著冷水發(fā)泡技術的成熟，乳化瀝青逐步被應用于制備WMA[6]；1980～2000年間，以英國殼牌公司(Shell Inc.)為代表的歐美研發(fā)機構陸續(xù)開展了泡沫瀝青混合料溫拌技術現場應用，并開發(fā)了多種泡沫-瀝青設備，極大地促進了泡沫瀝青混合料溫拌技術的推廣與應用[7]。

進入21世紀以來，降低瀝青拌合溫度、減小瀝青拌合粘度的方式不再單一，可以通過添加溫拌助劑實現，因此，國內外學者研發(fā)了多種溫拌助劑。2004年，含水類溫拌助劑出現，如Aspha-min?[8]。此后，國內外學者研發(fā)出了表面活性類、有機降粘類溫拌助劑，如Evotherm?，Sasobit?等[9, 10]。2006年以后，美國國家瀝青中心(NCAT)和美國公路合作研究組織(NCHRP)連續(xù)發(fā)表了多份關于Aspha-min?、Evotherm?、Sasobit?的WMA技術研究報告[11-15]。綜上所述，瀝青混合料溫拌技術的發(fā)展簡史如表1所示[3-10]。

表1 瀝青混合料溫拌技術的發(fā)展簡史[3-10]

隨著瀝青混合料溫拌技術的發(fā)展，與HMA相比，WMA的優(yōu)勢越來越突出。從環(huán)境保護角度來看，WMA的拌合與壓實溫度更低，可以使能耗降低18%～30%[16]；而且，生產WMA時有害氣體、溫室氣體、瀝青煙等氣體的排放量也有所減少。Vidal等通過對WMA開展生命周期評價發(fā)現，溫拌技術可以減少24%的空氣污染[17]。拌合溫度的降低促使能耗與污染排放減少，這為瀝青混凝土路面施工帶來了新契機；此外，瀝青混合料的生產季節(jié)、運輸時間和距離均得到了延長，攤鋪壓實工藝得到了簡化。從經濟效益角度來看，溫拌技術減少了20%～25%的燃料用量[18, 19]，可使WMA的生產成本降低10%～30%[20, 21]。

瑕瑜互見，瀝青混合料溫拌技術在經濟和技術上也存在缺點。首先，在瀝青混合料拌合時，需要添置或改造一些設備。例如，生產WMA-Foam?泡沫瀝青時需要增加水罐、水進給裝置、空氣進給裝置等；而且，一些溫拌助劑需要增加噴淋裝置或者投擲窗口[22]。其次，溫拌助劑的使用增加了額外的生產成本[23]。目前，工程實際中常用的Aspha-min?、Sasobit?、Evotherm?等溫拌助劑的價格偏高，一定程度上增加了瀝青混合料的生產成本，而減少的能耗只能補償部分生產成本[23]。此外，沸石類溫拌助劑在拌合時產生的水蒸氣會引起生產設備的銹蝕[24]。

3 瀝青混合料溫拌技術

目前，瀝青混合料溫拌技術主要可分為3大類：發(fā)泡降粘類、表面活性類和有機降粘類[25, 26]。這些技術的核心是通過減小瀝青在拌合和壓實時的粘度，實現瀝青混合料拌合與壓實溫度的降低。

3.1 發(fā)泡降粘類溫拌技術

發(fā)泡降粘類溫拌技術可分為兩類，一類是基于含水助劑，如沸石、潮濕的集料等，該類技術利用含水助劑在較高的拌合溫度下，可以使一定量的水在標準大氣壓下變成水蒸氣，此時水的體積可膨脹約1.67倍，當水蒸氣與熱瀝青接觸時，瀝青的體積迅速膨脹，從而降低其粘度和拌合溫度[27]；另一類是水基技術，通過將冷水加入到熱瀝青中實現其粘度和拌合溫度的降低。當冷水被通入到熱瀝青后，隨著水溫逐漸升高，形成的水蒸氣被封裝在熱瀝青中，可使熱瀝青體積膨脹5～10倍。但是，氣泡膨脹隨時間的推移會產生衰減，泡沫瀝青的體積會有一定程度的減小[28]。此外，冷水也可以用乙醇或其他液體替代，但這會增加WMA的生產成本[29]。發(fā)泡降粘類溫拌技術的核心是將水分變?yōu)樗魵?，利用水蒸氣改變?yōu)r青的表面張力實現瀝青粘度與混合料拌合溫度的降低，其降溫機理如圖1所示[18]。

圖1 發(fā)泡降粘類溫拌技術的原理圖[18]Fig.1 Mechanism illustration of foam-based warm mixing technology[18]

常見的發(fā)泡降粘類溫拌助劑如表2所示[11, 30-36]。Aspha-min?是德國Eurovia和MHI公司研發(fā)的產品，是一種人工合成的非常細的白色粉末狀沸石型鋁硅酸鹽。通常Aspha-min?的摻量為瀝青混合料的0.30%(質量分數，下同)時，混合料的拌合溫度可降低40 ℃以上，可節(jié)省約30%的能耗[11]。ADVERA?是美國PQ公司生產的一種合成沸石類產品，與Aspha-min?的功能相似，區(qū)別在于ADVERA?WMA的粒徑更細(小于75 μm)，比表面積更大，其摻量可以降低到0.25%。然而，沸石類含水助劑由于需要水熱合成導致其成本較高，增加了瀝青混合料的生產成本[30]。

WMA-Foam?是殼牌公司和挪威克洛公司(Kolo-Veidekke)聯(lián)合開發(fā)的瀝青混合料溫拌技術。該技術的核心是采用兩種不同的瀝青，首先將軟質瀝青與集料在110 ℃左右拌合，使軟質瀝青與集料有一定的裹覆；然后將硬質瀝青以泡沫的形式噴入到上述混合料中，硬質瀝青在110 ℃左右會持續(xù)發(fā)泡、體積增加，從而降低瀝青的粘度和混合料的拌合溫度[31]。

LEA?(低能量瀝青)技術是法國LEA公司開發(fā)的一種溫拌技術。與WMA-Foam?采用兩種瀝青不同，該技術使用了兩種不同狀態(tài)的集料。首先將粗集料與瀝青加熱到150 ℃拌合，再加入濕冷的細集料，利用其中的水分在瀝青混合料中產生泡沫，其出場溫度可降低到90 ℃，且降溫速率較慢，可滿足長運距的施工[32]。

此外，荷蘭BAM公司的LEAB?、LEAC?技術[33]，瑞典Nynas公司的LT Asphalt技術[34]，美國Astec公司的Barrel Green技術等[35]，也都是將發(fā)泡瀝青噴入到混合料中進行拌合的溫拌技術。與此同時，隨著這些溫拌技術在國內的工程實踐，我國也研發(fā)出了許多沸石類溫拌助劑，其摻量和性能表現與進口產品相當。例如，深圳海川工程科技有限公司(Haichuan)開發(fā)的含水類溫拌助劑LCAP，可使瀝青混合料的拌合和壓實溫度下降30 ℃左右，從而節(jié)約30%的能耗，并減少一定量的污染物排放[36]。

表2 發(fā)泡降粘類溫拌助劑[11, 30-36]

3.2 表面活性類溫拌技術

表面活性類溫拌技術，主要指的是以乳化劑或表面活性劑為基礎的溫拌技術。這類溫拌技術不僅可以通過改變?yōu)r青粘度來降低混合料的拌合溫度，而且還能在不影響瀝青性能的前提下，實現較低拌合溫度下瀝青與集料之間粘附力的提升。乳化劑類溫拌技術是采用乳化瀝青替代普通熱瀝青與集料進行拌合，乳化瀝青中的乳化劑可以提升瀝青與集料間的粘附力；而且，乳化瀝青中含有大量水分，遇到加熱過的集料會迅速破乳形成水蒸氣，從而進一步改善瀝青混合料的和易性[37]。表面活性劑類溫拌技術是將表面活性劑的濃縮液直接加入到瀝青混合料中進行拌合，表面活性劑可在混合料內部形成結構性水膜，該水膜在瀝青混合料溫度降低時，可以有效抵抗其粘度的降低，從而達到溫拌效果[38]，技術原理如圖2所示。

圖2 表面活性類溫拌技術的原理圖Fig.2 Mechanism illustration of surfactant-based warm mixing technology

表3為常見的表面活性類溫拌助劑[13, 39-44]，其中美國Meadwestvaco公司開發(fā)的Evotherm?最具代表性。2005年，Evotherm?溫拌助劑進入我國并得到大力推廣，在我國多個省份的溫拌瀝青道路工程中被廣泛應用。其技術核心是采用物理-化學聯(lián)合作用使瀝青在拌合過程中內部產生水膜潤滑結構，從而得到充分分散，實現瀝青混合料在較低溫度下的拌合及壓實，且不會對其路用性能產生負面影響。Evotherm?溫拌助劑的主要成分是一種表面活性劑，其分子鏈一端是親油的長碳鏈基團，另一端是親水的極性基團，這樣的分子結構決定了其在瀝青混合料拌合時具有一定的富集特性與溶解特性[13]。

目前，Evotherm?溫拌助劑已經發(fā)展了多種同類型的產品，包括Evotherm-DAT(含水型)與Evotherm-3G(無水型)。Evotherm-DAT是一種表面活性劑的水溶液，其親水的極性基團向水和空氣聚集，達到臨界狀態(tài)后，另一端的親油基團發(fā)生富集，最終形成球狀分子膠團。在瀝青混合料拌合時，膠團的親油基團與瀝青融合，而親水基團形成潤滑膜，從而在降低混合料拌合溫度的同時提升瀝青與集料的粘附力[39]。Evotherm-3G是一種深黃褐色的粘稠狀表面活性劑(不含水分)，是通過改變?yōu)r青分子間的極性、瀝青和集料間的表面張力以達到溫拌的目的[40]。

Ceca-base RT?是法國Arkema公司生產的一種以表面活性劑為主且不含水分的液態(tài)助劑，其摻量通常是瀝青的0.20%～0.30%，可在100 ℃左右實現瀝青混合料的拌合[41]。此外，加拿大COCO集團開發(fā)的Hypertherm/Qualitherm[42]和荷蘭Akzo Nobel公司研發(fā)的Rediset WMX?[43]也都是以表面活性劑為基礎的溫拌助劑。

隨著Evotherm?溫拌助劑在國內大力推廣，以其生產的WMA具有優(yōu)異的溫拌效果與路用性能，引起了國內許多高校、企業(yè)研發(fā)機構的關注，他們也進行了相關研究與開發(fā)。內蒙古工業(yè)大學(IMUT)自主研發(fā)的表面活性類溫拌助劑SYDK，其摻量為瀝青的0.60%時，可獲得具有較優(yōu)路用性能的WMA[44]。

表3 表面活性類溫拌助劑[13, 39-44]

3.3 有機降粘類溫拌技術

瀝青的組成十分復雜，通常采用以下四組分定義其組成，包括飽和分、芳香分、膠質和瀝青質?；谀z體理論，瀝青的膠體結構是以瀝青質為膠核，膠質被吸附在瀝青質表面，逐漸向外擴散形成膠團，膠團分散于芳香分和飽和分中[45]。有機降粘類溫拌技術主要是使用有機材料作為溫拌助劑，將其加入到瀝青或瀝青混合料中，在高溫條件下溫拌助劑溶解入瀝青中，通過調整瀝青組成，降低瀝青的粘度和混合料的拌合溫度[33]，其技術原理如圖3所示。

圖3 有機降粘類溫拌技術的原理圖Fig.3 Mechanism illustration of organic-based warm mixing technology

有機降粘類溫拌助劑通常以蠟基有機材料為主，常見的類型如表4所示[12, 45-48]。Sasobit?是南非Sasol公司的有機降粘類溫拌助劑，它是利用費托合成技術制備的一種長鏈脂肪族烴細結晶體，外觀呈白色粉末狀。其熔化溫度介于100～115 ℃之間，融化后可以全部溶解于瀝青中充當飽和分，從而改變?yōu)r青組分中軟組分的含量，使瀝青的含蠟量增加、溫度敏感性增強、粘度降低。當Sasobit?的摻量為瀝青的0.80%～3.00%時，瀝青混合料的拌合溫度最低可降至130 ℃。Sasobit?是目前應用較多的有機降粘類溫拌助劑，但其成本較高[12]。

德國Romonta公司的Asphaltan-B?溫拌助劑，是一種褐煤蠟與高分子烴的混合物，熔點約為99 ℃，其在瀝青中的摻量及以其制備的瀝青混合料的物理化學性能、路用性能均與Sasobit?的相似[18]。德國Clariant公司生產的Licomont BS?溫拌助劑，是一種脂肪酸氨基化合物，摻量可達瀝青的3.00%，但其熔點較高(約為140 ℃)，降低瀝青混合料拌合溫度的效果有限[46]。韓國建筑技術研究院(KICT)的Leadcap?溫拌助劑，是一種顆粒狀的低分子量石蠟，其熔點為100～115 ℃，添加后可實現瀝青混合料在100～110 ℃下拌合。

此外，我國也研發(fā)了多種有機降粘類溫拌助劑。Haichuan公司在含水類溫拌助劑的基礎上，進一步開發(fā)了EC-120有機降粘類溫拌助劑。它是一種顆粒狀的長鏈脂肪族化合物，熔點在94～114 ℃之間，摻量為瀝青的3.50%～5.00%，可以使瀝青混合料的拌合溫度降低約30 ℃[47]。交通運輸部公路科學研究院(RIOH of China)研發(fā)的RH-WMA，是一種聚烯烴類溫拌助劑，其摻量約為瀝青的4.00%，在130 ℃下以其拌合的瀝青混合料的路用性能與普通HMA的相當[48]。

表4 有機降粘類溫拌助劑[12, 45-48]

綜上所述，道路工程市場上的溫拌技術或產品高達20多種。我國的溫拌技術走的是“引進-消化-自研”模式，與國際主流技術幾乎相同，性能也相似，目前已經形成了“百花齊放、百家爭鳴”的競爭格局。

4 溫拌瀝青混合料的路用性能

瀝青混合料的路用性能包括：體積特性、溫度敏感性(高溫穩(wěn)定性和抗低溫開裂性)、水穩(wěn)定性。表5為WMA與HMA的路用性能對比結果[11-15, 27-48]。

體積特性是指瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)等體積相關指標。溫拌助劑的加入可以降低VMA和VFA，從而提高瀝青混合料的表觀密度和壓實度。但從表5中可以看出，WMA和HMA的體積特性之間沒有顯著差異。

表5 溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料的路用性能對比結果[11-15, 27-48]

溫度敏感性中，高溫穩(wěn)定性是指瀝青混合料在高溫下抵抗荷載變形的能力，主要通過動穩(wěn)定度試驗或漢堡車轍試驗來表征；抗疲勞開裂性是指瀝青混合料在低溫下的抗疲勞開裂能力，主要通過基于彈性模量的疲勞彎曲試驗等來表征。由表5可以看出，相較于HMA，WMA的溫度敏感性整體上略有下降。例如，含水發(fā)泡降粘類的Aspha-min?、ADVERA?和表面活性類的Evotherm?、Rediset?都使WMA的高溫穩(wěn)定性小幅下降；而利用水基技術的WMA-Foam?則顯著降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。此外，有機降粘類的Sasobit?提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而WMA的低溫抗開裂性均有不同程度的下降。

水穩(wěn)定性是指瀝青混合料在受水作用時抵抗破壞的能力，主要通過浸水試驗、凍融循環(huán)試驗來表征。不同類型的溫拌助劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響各不相同。含水發(fā)泡降粘類的Aspha-min?和ADVERA?、有機降粘類的Asphaltan-B?和Sasobit?會使瀝青混合料的水穩(wěn)定性下降。但是，表面活性類的Ceca-base RT?和Rediset?會小幅提升WMA的水穩(wěn)定性，Evotherm?的影響并不顯著。

綜上所述，不同的溫拌助劑由于降溫機理不同，導致WMA的路用性能不同。與HMA相比，WMA的體積特性無顯著變化；高、低溫穩(wěn)定性略微提升或下降，變化并不明顯；水穩(wěn)定性多呈現降低現象。但總體而言，它們的路用性能均能滿足相關技術規(guī)范要求。

5 溫拌瀝青混合料的新進展

通過添加溫拌助劑降低瀝青混合料拌合溫度的技術已經非常成熟。但是，現有溫拌助劑的價格十分昂貴，使用其增加的費用并不一定能被通過節(jié)能減排所獲得的經濟效益所補償。盡管為了環(huán)保不能完全從經濟角度考慮，但是這在一定程度上限制了瀝青混合料溫拌技術的推廣與應用。與此同時，我國工業(yè)固體廢棄物的年產生量約為33億噸，歷史累計堆存量超過600億噸，不僅造成資源浪費，而且還會帶來嚴重的環(huán)境和安全隱患[49]。固體廢棄物是放錯位置的資源，因此利用其開發(fā)新型瀝青混合料溫拌技術，既能消納大宗固體廢棄物儲量，又能降低WMA的生產成本。

地聚合物是一種以硅氧四面體和鋁氧四面體為主要組成，結構上具有空間三維網狀鍵接結構的新型無機材料，可以形成豐富的“水-孔”結構。其原材料來源廣泛，是以粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物作為原料，且可在常溫下制備。因此，以地聚合物作為溫拌助劑可極大降低WMA的生產成本。作者團隊在地聚合物材料研究的基礎上，提出了以固體廢棄物為原材料制備地聚合物基含水發(fā)泡降粘類溫拌助劑并實現節(jié)能減排的思路，如圖4所示。開發(fā)的地聚合物溫拌助劑可以實現瀝青混合料在140 ℃的拌合，制備的WMA的路用性能與普通HMA相當，而且有效抑制了有機揮發(fā)物等有害氣體的排放[50, 51]。

圖4 基于地聚合物的溫拌技術Fig.4 Geopolymer-based warm mixing technology

大量積壓的廢棄輪胎是嚴重的黑色污染物，但是廢棄輪胎中的橡膠具有高彈特性，可以用于提升瀝青的高低溫性能、改善瀝青混合料的路用性能。然而，廢棄輪胎粉的加入會引起瀝青粘度增加，導致瀝青混合料的拌合溫度升高。而溫拌助劑的添加雖然使WMA的路用性能滿足相關技術規(guī)范要求，但仍低于普通HMA的路用性能。因此，將廢棄輪胎粉與溫拌助劑復合組成新型溫拌助劑，可以實現優(yōu)勢互補。研究結果表明，將廢棄輪胎粉與有機降粘類溫拌助劑Sasobit?、RH-WMA等復合后(圖5)，有效提升了WMA的路用性能[52-54]。

圖5 橡膠粉-有機降粘類溫拌技術Fig.5 Warm mixing technology based on the combination of rubber powders and organic additives

6 結 語

瀝青混合料溫拌技術是一種通過加入溫拌助劑實現在較低溫度下生產瀝青混合料的新型拌合技術，可分為發(fā)泡降粘類技術、表面活性類技術、有機降粘類技術。其技術核心是降低瀝青材料的粘度，改善瀝青的流變性。盡管溫拌助劑的加入可以降低瀝青混合料生產過程中的能耗，并減少污染物的排放，但是也產生了一些負面影響，如其水穩(wěn)定性的降低。因此，溫拌瀝青混合料性能的提升仍然是一項亟待解決的技術難題。此外，鑒于溫拌助劑的高昂價格，利用廢棄物制備溫拌助劑，也可以使瀝青混合料具有較低的拌合溫度。

隨著“綠水青山就是金山銀山”理念的深入人心，研究開發(fā)綠色道路建筑材料已經成為建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展型新時代交通的必由之路。開發(fā)和應用新型瀝青混合料溫拌技術，將有力地推動我國道路工程領域的可持續(xù)發(fā)展。