鄒 泰，董光彬，郝曉君，穆明浩，王 崢，孫并臻，張 哲，鄭 君，李明杰，李朝旭

(1. 山東省高速路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，濟(jì)南 250032； 2. 山東高速集團(tuán)有限公司創(chuàng)新研究院，濟(jì)南 250098；3. 中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東 青島 266101；4. 青島科凱達(dá)橡塑有限公司，山東 青島 266109)

普通的瀝青路面施工方式為高溫?zé)岚铻r青混合，在高溫拌合、高溫運(yùn)輸和熱施工過(guò)程中因較高的拌合溫度會(huì)釋放出大量有害氣體，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的能耗，并釋放氮氧化物、有害廢氣、二氧化碳等溫室氣體[1，2]。因此為了減少污染氣體排放和降低能源消耗，各國(guó)開(kāi)始研制生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保的新型溫拌瀝青混合料。溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt)[3]是一種通過(guò)降低瀝青混合料的拌合粘度來(lái)改善瀝青混合料的施工和易性，能夠使普通瀝青混合料的拌合溫度降低30-40 ℃[4]，相比常規(guī)SBS改性瀝青混合料180 ℃的拌合溫度，溫拌瀝青混合料可以達(dá)到150 ℃左右。降溫效果是判斷溫拌劑的種類(lèi)選擇、摻量?jī)?yōu)化、溫度拌合控制的重要指標(biāo)[5]，早期溫拌劑是使瀝青混合料可以在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌合和施工，同時(shí)配合改性劑保持瀝青混合料路用性能的技術(shù)[6，7]。溫拌混合施工最早是在90年代歐洲開(kāi)始應(yīng)用，之后溫拌技術(shù)流行于眾多國(guó)家，隨著溫拌技術(shù)的推廣使用，對(duì)溫拌技術(shù)的路用性能又進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用，目前在國(guó)際瀝青混合料路面已得到重點(diǎn)推廣和應(yīng)用[8,9]。國(guó)內(nèi)的溫拌瀝青技術(shù)的起步較國(guó)外更晚，在2005年初，國(guó)內(nèi)鋪筑了首條利用溫拌技術(shù)方案的路面[10]。

目前在道路工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)的溫拌劑用于基質(zhì)瀝青混合料生產(chǎn)時(shí)，只可以實(shí)現(xiàn)溫拌功能，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的路用性能提升，且會(huì)對(duì)路用性能帶來(lái)一定的負(fù)面影響；另外溫拌劑在用于改性瀝青混合料生產(chǎn)時(shí)，則需要預(yù)先購(gòu)置成品改性瀝青，既增加了生產(chǎn)成本又存在改性瀝青存儲(chǔ)時(shí)的性能衰變，影響路面質(zhì)量的隱患。因此瀝青混合料的改性與溫拌技術(shù)雖已發(fā)展較為成熟，但是針對(duì)瀝青混合料的集溫拌合改性雙效功能一體化的成熟技術(shù)仍需完善[11，12]。

目前溫拌劑按機(jī)理類(lèi)型主要分為礦物法、有機(jī)降黏劑、表面活性劑以及瀝青發(fā)泡法四種[13-15]。其中表面活性劑類(lèi)型機(jī)理是在集料表面形成一層能夠抵消瀝青與集料粘結(jié)作用的結(jié)構(gòu)性潤(rùn)滑膜，提高拌合易性，降低了拌合壓實(shí)所需的溫度[16]，鑒于表面活性劑能夠明顯改善拌合溫度及壓實(shí)溫度，本文采用自制表面活性劑(賴(lài)氨酸鹽酸鹽[17]、聚醚二醇單甲醚)改性MAH-g-POE(馬來(lái)酸酐接枝聚烯烴彈性體，接枝率0.8%-1.2%)為主體(106T型，以甲苯為溶劑，將賴(lài)氨酸鹽酸鹽與聚醚二醇單甲醚加熱攪拌發(fā)生酯化反應(yīng)，反應(yīng)回流至無(wú)水生成，再加入碳酸氫鈉固體繼續(xù)攪拌反應(yīng)至無(wú)氣體放出后過(guò)濾、洗滌、干燥得到聚醚二醇單甲醚賴(lài)氨酸酯，再與MAH-g-POE高速攪拌后進(jìn)行雙螺桿擠出機(jī)共混擠出、粉碎、篩分得到30-60目自制雙效溫拌劑基體。主要制備過(guò)程及成分見(jiàn)圖1)，并復(fù)配其他改性助劑的方法制備出溫拌改性雙效劑。此類(lèi)溫拌改性雙效劑既能降低瀝青拌合壓實(shí)溫度，又能改善瀝青路用性能。

圖1 106T主要制備過(guò)程

本文自制雙效溫拌劑可以使基質(zhì)瀝青只需添加一種助劑，無(wú)需再額外添加改性劑或加工助劑，在改善溫拌效果的同時(shí)提升了路用性能。本文主要研究評(píng)價(jià)自制雙效溫拌劑對(duì)瀝青混合料的溫拌效果及路用性能；先采用AC-20混合料級(jí)配方式，以70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)為參照對(duì)比，選取106T摻加量分別為混合料的(0.35%、0.45%、0.55%、0.65%)四組試驗(yàn)來(lái)比較雙效溫拌劑的降溫效果；再?gòu)目障堵?%、穩(wěn)定度/kN、流值/mm、高溫動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)、低溫最大彎拉應(yīng)變(με)、水穩(wěn)定性TSR/%來(lái)評(píng)價(jià)其混合料體積指標(biāo)和路用性能。

1 AC-20級(jí)配試驗(yàn)材料及方法

1.1 瀝青原料

分別選用齊魯70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 礦料級(jí)配

礦料選用石灰?guī)r，分檔篩分，以《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)要求進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。礦質(zhì)混合料級(jí)配選用AC-20，用篩好的各檔料回配，見(jiàn)表2和圖2所示。

圖2 礦料篩分分布曲線

表2 試驗(yàn)段不同篩孔抽提篩分結(jié)果

1.2.1 溫拌瀝青黏溫曲線。通過(guò)布氏黏度計(jì)法分別測(cè)定120、135、150、165、180 ℃5個(gè)試驗(yàn)溫度下的瀝青黏度，繪制成如圖3所示瀝青黏溫曲線。從圖3中可以看出，相同溫度條件下，添加溫拌劑的瀝青黏度比改性瀝青、基質(zhì)瀝青的黏度都低；在120-180 ℃區(qū)間內(nèi)，黏度降低速度隨溫度的升高逐漸變緩，最后趨于接近的黏度；相同溫度條件下，隨著雙效溫拌劑用量的增加，瀝青黏度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這是由于在低溫區(qū)域，表面活性劑起到了一定的降黏作用，而表面活性溫拌劑主要通過(guò)改善集料與瀝青的界面潤(rùn)滑性，因而其對(duì)瀝青的黏度影響較小，從表中可以看出與基質(zhì)瀝青黏度相差不大；隨雙效溫拌劑用量的增加而降黏效果有所增強(qiáng)，達(dá)到一定黏度后，已經(jīng)接近瀝青黏度的最低值，繼續(xù)下降的幅度有限，差別不明顯，對(duì)0.45%摻量的黏溫曲線進(jìn)行擬合分析，建立多項(xiàng)式擬合方程，得到y(tǒng)=0.1164x2-1.0416x+ 2.522，R2=0.9998，R2趨近于1，說(shuō)明黏溫曲線可靠性較高，黏度隨溫度升高先快速下降，再趨于平緩。

圖3 瀝青黏溫曲線

1.2.2 溫拌瀝青混合料體積指標(biāo)曲線?？障堵适菫r青混合料的固有特征，反映了瀝青混合料在壓實(shí)成型過(guò)程中的密實(shí)程度，直接影響到路面路用性能和長(zhǎng)期使用性能，也從空隙率方面反映了溫拌劑降溫效果對(duì)成型的影響，試驗(yàn)采用馬歇爾擊實(shí)成型方法(75次)，分別測(cè)定120、135、150、165、180 ℃5個(gè)試驗(yàn)溫度下的混合料空隙率，繪制不同拌合溫度下溫拌劑用量對(duì)混合料空隙率的影響曲線圖4。

圖4 混合料體積指標(biāo)曲線

實(shí)驗(yàn)以瀝青混合料擊實(shí)空隙率(4%)作為指標(biāo)來(lái)確定瀝青混合料的最佳拌合溫度，從圖4中可以看出添加雙效溫拌劑后，瀝青混合料空隙率隨溫度的升高而快速降低至4%左右，較基質(zhì)瀝青和改性瀝青相比，拌合溫度有明顯降低；在低溫區(qū)域，空隙率隨雙效溫拌劑添加量的增加而變小，達(dá)到一定溫度后，空隙率相差不大，這是由于表面活性劑將集料表面裹覆潤(rùn)滑后來(lái)降低拌合做功，來(lái)提高瀝青混合料的施工和易性，從曲線中說(shuō)明少量雙效溫拌改性劑就能降低拌合溫度，達(dá)到混合料適合的空隙率。

1.3 溫拌瀝青混合料路用性能

作為雙效溫拌改性劑，需要將基質(zhì)瀝青混合料的路用性能提升到使用要求，以70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)為參照對(duì)比，從空隙率/%、穩(wěn)定度/kN、流值/mm、高溫動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)、低溫最大彎拉應(yīng)變(με)、水穩(wěn)定性TSR/%來(lái)評(píng)價(jià)其混合料體積指標(biāo)和路用性能，拌合流程及拌合參數(shù)如表3。

表3 拌合流程及拌合參數(shù)

混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，從表4可以看出，在相近的空隙率條件下，相比改性瀝青混合料，添加雙效溫拌劑的混合料拌合溫度降溫幅度為30 ℃，分析原因可能是賴(lài)氨酸鹽酸鹽改性聚醚鏈段具有非離子表面活性和潤(rùn)滑作用，可以降低瀝青與集料石子間的表界面張力，從而提高瀝青混合料的流動(dòng)性，使瀝青混合料遠(yuǎn)低于熱拌溫度下與礦料混拌均勻，實(shí)現(xiàn)溫拌效果；不同雙效溫拌劑摻量的混合料，馬氏穩(wěn)定度、流值相差程度不大，均在規(guī)范要求內(nèi)；隨著溫拌劑摻量增加，高溫動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大、變化趨勢(shì)明顯，且均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照組和規(guī)范要求，隨著溫拌劑摻量增加，低溫最大彎拉應(yīng)變逐漸增大，分析原因是其中的POE鏈具有強(qiáng)韌性，可以有效改善瀝青混合料的高溫抗剪切能力和抗沖擊阻滯能力，從而提高瀝青改性料的高溫抗車(chē)轍能力和低溫耐屈撓能力，但摻量為0.35%時(shí)低于規(guī)范要求。隨著溫拌劑摻量增加，水穩(wěn)定性TSR值有所增加，瀝青混合料的水穩(wěn)定性越來(lái)越好，分析原因是由于雙效溫拌劑中側(cè)鏈接枝的馬來(lái)酸酰胺基團(tuán)跟集料的極性相近，結(jié)合更緊密，使得瀝青與集料的融合更好。

表4 混合料路用性能

同時(shí)，在試驗(yàn)中觀察了集料與固態(tài)溫拌劑干拌效果、拌合后瀝青混合料效果及馬氏試件冷卻后效果，如圖5-圖6所示。在礦料與雙效溫拌劑干拌時(shí)，利用雙效溫拌劑的低熔點(diǎn)溫度優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)其與石料預(yù)拌時(shí)的充分融化及潤(rùn)滑石料表面的效果，從圖5(a)中可看已看出，部分10-20 mm的粗集料由于比表面積小，干拌后石料表面裹覆溫拌劑十分明顯。從圖5(b)中可看已看出，拌合后未出現(xiàn)瀝青混合料發(fā)干、發(fā)暗現(xiàn)象。從圖6中可以看出雙效溫拌劑為干粉狀態(tài)圖6(a)，而在加熱干拌時(shí)熱熔的溫拌劑將集料粗糙表面圖6(b)包裹，呈現(xiàn)圖6(c)的較平滑狀態(tài)，說(shuō)明溫拌劑對(duì)集料表面包裹效果較好。

圖5 (a) 礦料與雙效溫拌劑干拌后效果圖；(b) 礦料、70#瀝青與雙效溫拌劑濕拌后效果圖

圖6 (a) 干粉雙效溫拌劑掃描電鏡；(b)干拌前集料表面掃描電鏡；(c)干拌后集料表面掃描電鏡

從圖7中可以看出，對(duì)比觀察礦料+70#基質(zhì)瀝青+雙效溫拌劑(a)與礦料+SBS改性瀝青(b)成型試件，兩者外觀相差不大，圖7(c)和(d)為圖7(a)的微觀組分圖，可以看出集料與瀝青的結(jié)合緊密，相容性好。

圖7 馬氏試件冷卻后效果圖 (a) 礦料+70#基質(zhì)瀝青+雙效溫拌劑；(b) 礦料+SBS改性瀝青；(c) 壓實(shí)混合料切面圖；(d) 切面微觀組分圖

1.4 雙效溫拌劑對(duì)瀝青玻璃化溫度影響研究

瀝青玻璃化溫度是動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變溫度，為主要鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)或被凍結(jié)的溫度，影響瀝青的粘彈性、變形溫度等，通過(guò)差示掃描量熱儀(DSC)來(lái)分析雙效溫拌劑對(duì)瀝青玻璃化溫度影響，結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖8 添加溫拌劑前后瀝青玻璃化溫度的變化

瀝青玻璃化溫度較寬泛，通過(guò)軟件處理做切線得出，從圖8中可以看出添加溫拌劑后，瀝青玻璃化溫度略有下降，分析原因是溫拌劑中的POE及油脂降低了瀝青的玻璃化溫度，Tg降低有利于低溫延度及低溫最大彎拉應(yīng)變，在提高瀝青混合料高溫動(dòng)穩(wěn)定度的同時(shí)(表4)，保證了瀝青混合料的低溫性能。

2 SMA-8型級(jí)配試驗(yàn)評(píng)價(jià)

前期研究中采用的AC-20級(jí)配為連續(xù)型級(jí)配，其特點(diǎn)是礦料為石灰?guī)r，不加入纖維；接下來(lái)采用SMA-8型級(jí)配進(jìn)行進(jìn)一步研究，其為間斷級(jí)配，特點(diǎn)是礦料為玄武巖，加入纖維，抗疲勞效果較好。以106T為基體，改性得到自制GL-16-7雙效溫拌劑，其中GL-16-7雙效溫拌劑含有與瀝青能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的聚環(huán)烯烴，其側(cè)鏈為梳型咪唑類(lèi)活性溫拌改性劑。選取國(guó)外Sasobit溫拌劑做對(duì)比[18]，Sasobit是一款應(yīng)用普遍的溫拌劑，能夠顯著降低瀝青在135 ℃以上時(shí)的粘度,其公司開(kāi)發(fā)出具有溫拌性能同時(shí)能夠提高瀝青路用性能的溫拌劑，以此為對(duì)比組評(píng)價(jià)自制雙效溫拌劑106T、GL-16-7，將Sasobit雙效溫拌劑、106T雙效溫拌劑、GL-16-7雙效溫拌劑分別與70#基質(zhì)瀝青摻加進(jìn)行降溫評(píng)價(jià)，Sasobit雙效溫拌劑最佳用量為瀝青用量的3%，綜合成本考慮，106T雙效溫拌劑、GL-16-7雙效溫拌劑的用量分別為礦料用量的0.45%、0.5%。

2.1 溫拌瀝青黏溫曲線

通過(guò)布氏黏度計(jì)法分別測(cè)定120、135、150、165、180 ℃5個(gè)試驗(yàn)溫度下的瀝青黏度，繪制成如圖9所示瀝青黏溫曲線。可以看出相同溫度下，添加Sasobit溫拌劑的瀝青黏度較低，可能由于其有機(jī)蠟質(zhì)對(duì)瀝青的潤(rùn)滑降黏作用，而表面活性劑類(lèi)的溫拌劑以降低集料與瀝青界面拌合做功為主，但相比基質(zhì)瀝青及改性瀝青仍有降黏效果，對(duì)106T、GL-16-7黏溫曲線進(jìn)行擬合分析，建立多項(xiàng)式擬合方程，分別得到y(tǒng)=0.0879x2- 0.7161x+ 1.61，R2=0.9877；y=0.0979x2- 0.8081x+ 1.798，R2=0.9912，兩者R2趨近于1，說(shuō)明黏溫曲線可靠性較高，曲線符合實(shí)際趨勢(shì)。

圖9 瀝青黏溫曲線

2.2 溫拌瀝青混合料體積指標(biāo)曲線

試驗(yàn)采用馬歇爾擊實(shí)成型方法(75次)，分別測(cè)定120、135、150、165、180 ℃5個(gè)試驗(yàn)溫度下的混合料空隙率，繪制不同溫拌劑的拌合溫度對(duì)空隙率的影響曲線圖10。從圖10中可以看出，摻加溫拌劑后混合料的空隙率較未添加之前均快速下降到4%左右，均在150 ℃拌合溫度下達(dá)到適合的空隙率。相比改性瀝青180 ℃拌合溫度，添加三種溫拌劑的混合料降溫幅度明顯，效果相差不大。

圖10 混合料體積指標(biāo)曲線

2.3 溫拌瀝青混合料路用性能

以70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青(I-D)為參照對(duì)比，從空隙率/%、穩(wěn)定度/kN、流值/mm、高溫動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)、低溫最大彎拉應(yīng)變(με)、水穩(wěn)定性TSR/%來(lái)評(píng)價(jià)其混合料體積指標(biāo)和路用性能，拌合流程及拌合參數(shù)如表5，試驗(yàn)結(jié)果如表6。

表5 拌合流程及拌合參數(shù)

表6 混合料路用性能

從表6中可以看出混合料空隙率在4%左右時(shí)，添加溫拌劑之后混合料的穩(wěn)定度和流值在規(guī)范要求范圍內(nèi)，添加GL-16-7和Sasobit的混合料高溫動(dòng)穩(wěn)定度大幅提升，而添加106T后高溫動(dòng)穩(wěn)定度反而下降嚴(yán)重，分析原因可能是玄武巖堿性程度弱于石灰?guī)r、或是纖維吸附了部分溫拌劑，導(dǎo)致106T溫拌劑無(wú)法有效融化裹覆在石料表面，而溫拌劑GL-16-7中的咪唑類(lèi)側(cè)基與集料熔融分散較好，環(huán)烯烴與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使得混合料的高低溫性能表現(xiàn)優(yōu)異，低溫性能優(yōu)于Sasobit的混合料，綜合性能在SMA-8型級(jí)配中最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 自制的雙效溫拌劑主要機(jī)理并不是降低瀝青高溫黏度，而是通過(guò)表面活性劑裹覆集料表面，降低集料與瀝青的拌合做功來(lái)達(dá)到降低拌合溫度，相比改性瀝青拌合溫度能夠降溫30 ℃；通過(guò)混合料的空隙率指標(biāo)來(lái)確定拌合溫度更為準(zhǔn)確。

(2) 106T雙效溫拌劑在AC-20級(jí)配中能夠滿(mǎn)足路用性能，達(dá)到改性瀝青的路用性能，而GL-16-7雙效溫拌劑在SMA-8型級(jí)配中的高低溫性能均佳，綜合性能好于Sasobit混合料，說(shuō)明雙效溫拌劑在降溫幅度30 ℃時(shí)能夠兼顧降溫效果和路用性能。

(3) 由于溫拌劑添加量較小，提升溫拌劑與集料干拌時(shí)的分散效果可以進(jìn)一步優(yōu)化溫拌劑使用效果。