AH-1,温拌剂对SBS,改性沥青路用性能的影响
时间：2023-04-09 14:10:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵林飞
[苏交科（广州）交通规划设计有限公司，广东 广州 510000]
传统热拌沥青混合料的拌合温度在140～190℃之间，造成了大量的温室气体排放。同时，不断上涨的能源价格、全球变暖和更严格的环境法规导致人们对温拌沥青（WMA）技术越来越感兴趣。温拌沥青混合料因为其低排放量、无污染、绿色环保等优点成为目前国内外研究的重点课题。使用WMA 黏合剂可降低混合料的拌合和压实温度，提高施工便利性，从而降低因高温加热而产生的燃油消耗和排放。国外在1995—1999 年开始了第一次温拌沥青混合料的实验路铺筑[1]。传统的温拌剂主要包括微晶蜡，在沥青混合料拌合过程中作为外加剂添加到沥青中[2-4]。由于微晶蜡的加入，可以降低沥青混合料拌合温度的同时，通过冷却时固化成为均匀分布的微颗粒来增加沥青混合料的刚度。此外，市面上常见的Sasobit 降黏剂也可以使沥青的黏度下降，提高沥青混合料的高温稳定性，但是将劣化沥青混合料的抗水损害能力和低温抗裂性能[5-6]。另一方面，化学改性剂Evotherm 也是温拌改性沥青的研究热点。化学改性剂Evotherm 可以用作乳化剂或者界面结合剂，与表面活性剂、高分子聚合物改性剂组合可以提高沥青混合料的界面结合性能、更高的施工和易性和有效降低拌合温度。但是OMR 等[7]研究表明，在温拌沥青混合料中使用Evocotherm 改性剂将导致沥青混合料的弹性模量和拉伸强度下降。
由于现阶段的温拌沥青技术还存在一些问题以及造价方面的原因，推广受到限制[8-10]。本研究采用自行研发的AH-1 温拌剂与Sasobit 进行对比，对其路用性能进行评价。研究结果为道路节能减排技术提供了技术参考，以促进有机降黏剂在道路养护行业的发展。
（1）沥青。本研究采用中石化东海SBS 改性沥青。
（2）温拌改性剂。本公司自行研发的AH-1 温拌剂，主要成分为轻质油机三种非离子型表面活性剂复合而成，是合成长链饱和碳氢化合物的混合物，次要成分是脂类物质。碳链长度位于12-19，HLB 为4-8。
Sasobit 是降黏型温拌剂，白色或淡黄色固体，具有较细的晶体结构。AH-1 与Sasobit 具有类似的温拌作用效果，通过升温将改变沥青内部四组分含量，增加沥青内部轻质组分比例，从而达到降温效果[11]。Sasobit 示意图和AH-1 温拌剂示意图分别如图1、图2 所示，对应技术指标见表1。
表1 温拌剂物理指标
图1 S a s obit 示意图
图2 AH-1 温拌剂
（3）集料与级配组成。集料选用玄武岩，本文热、温拌混合料拟采用SMA-13 级配进行马歇尔试验。其中，SMA-13 级配组成取规范中值，最佳油石比为4.5%，级配见表2。级配曲线如图3 所示。
表2 SMA-13 级配组成
图3 SMA-13 级配曲线
（4）纤维。选用市面上常见的短切玄武岩纤维，其高模量和较大的表面积成为沥青增强材料的重要部分，选用掺量为4%。
2.1 温拌剂对沥青常规性能的影响
将AH-1 分别按3%、4%和5%的掺量加入到SBS 改性沥青中，Sasobit 按5%的掺量加入，均在160℃左右用高速剪切机在1 000 r/min 下搅拌20min，保证AH-1 和Sasobit 充分融入到沥青之中。对SBS 改性沥青掺量（3%、4%、5%AH-1）、SBS 改性沥青+5%Sasobit 和未做添加的SBS 改性沥青进行常规性能测试，测试结果见表3。
表3 温拌沥青常规性能指标
由表3 可知，AH-1 和Sasobit 对SBS 改性沥青的常规性能影响较为显著。随着AH-1 温拌剂掺量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性沥青的针入度从58 mm分别下降为51 mm、45 mm、40 mm，最大下降幅度达43.1%。表明AH-1 对SBS 改性沥青的稠度具有一定的影响，AH-1 冷却后生成的微晶蜡导致针入度的下降。另外，随着AH-1 掺量的增加，SBS 改性沥青的软化点逐步提升，从67.7℃上升至93.7℃，上升幅度达38.4%。软化点指标一定程度反映了SBS 改性沥青的高温性能，即AH-1 的加入显著提升了SBS改性沥青的温度稳定性。最后，随着AH-1 的加入，其延度从33.1 mm 下降至16.2 mm，下降幅度达51.1%。表明AH-1 SBS 改性沥青冷却后，内部均匀的微晶蜡将作为外来异物影响沥青的整体性，导致其内部出现应力集中点，劣化延度指标。与此同时，相较于同等掺量的Sasobit，AH-1 对SBS 改性沥青的劣化程度较小。
2.2 温拌剂对沥青黏度的影响
有机降黏剂的主要工作原理是降低沥青的黏度以满足降温效果。
在120℃、135℃、150℃、165℃和180℃等5 种不同温度下，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[12]要求，对上述掺量的SBS改性沥青进行布什黏度试验，以基质原样沥青作为对照组，分析温拌剂对SBS 改性沥青黏度的影响。为尽可能避免试验误差，每组掺量试件取3 个平行试件结果，试验结果如图4 所示。
由图4 可知，在相同温度下，随着AH-1 温拌剂掺量的升高，其SBS 改性沥青黏度在不断下降，且下降幅度逐渐加快。在150℃下，5%AH-1 SBS 改性沥青的黏度为0.52 Pa·s，与SBS 改性沥青0.77 Pa·s相比，下降了0.25 Pa·s，下降幅度达24.7%。且4%AH-1 的降黏效果与5%Sasobit 降黏剂降黏效果相当，说明AH-1 温拌剂的降黏效果比Sasobit 要好。另外，随着温度的升高，两种温拌剂的降黏效果在不断减弱。当温度超过160℃，两者的黏温曲线下降速率趋近于0。其原理为，随着温度的升高，两种有机降黏剂内部的极限基团，如C=O 基团与沥青中胶质的结合能力下降，轻质组分比例变化程度不大，故效果不明显。我国现行的规范标准将0.17Pa·s±0.02 Pa·s时的温度作为基质沥青混合料的拌合温度范围，将0.28Pa·s±0.03 Pa·s 时的温度作为压实成型的温度；
对于SBS 改性沥青混合料的拌合和成型温度应该根据施工现场实际情况和当地条件确定[11]。因此，需要进一步采用其他技术指标对比两款温拌剂对SBS 改性沥青的温拌效果，本文采用体积指标法确定最佳成型温度。
3.1 温拌沥青混合料的降温效果
对于沥青混合料而言，在拌合及成型过程中的空隙率指标十分重要，将极大影响沥青混合料的力学性能和路用性能[13]。将不同掺量和种类的温拌SBS混合料与热拌SBS 混合料分别在140℃、150℃、160℃、170℃下，通过马歇尔标准击实试验击实成型，利用等体积原则，采用等空隙率作为控制指标，比较AH-1 温拌剂的降温效果[14]。试验结果如图5所示。
图5 混合料空隙率与成型温度的关系
由图5 可知，随着成型温度的升高，无论何种掺量的AH-1 或Sasobit 温拌剂，空隙率都在逐渐下降。在150℃的温度下，添加3%、4%、5%AH-1 的SBS 改性沥青较基质SBS 沥青的空隙率从4.72%下降为4.24%、3.84%、3.75%。添加4%AH-1 温拌剂在相同温度下对空隙率的降低效果与5%掺量的Sasobit 相当，都明显低于SBS 改性沥青。从空隙率角度发现，AH-1 温拌剂比Sasobit 具有更好的降温效果。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）规定，要求SMA 混合料马歇尔试件的空隙率为3%～4%，故以4%的空隙率作为控制指标。由此可以看出，在等体积原则下，加入5%Sasobit 的温拌沥青混合料可以降温25℃，加入4%AH-1 与加入5%Sasobit的降温效果相当，加入5%的AH-1 可以降温30℃，说明AH-1 温拌剂不仅降温效果比Sasobit好，且掺量较低、造价小，具有很好的应用潜力。
通过不同掺量温拌剂AH-1 和Sasobit 对SBS常规性能（针入度、延度、软化点）、布什黏度和压实特性空隙率等指标的系统分析，发现两种温拌剂对SBS 改性沥青均有较好的降温效果，且4%AH-1 的降温效果与5%Sasobit 的降温效果一样。
3.2 温拌沥青混合料的高温稳定性
车辙试验作为我国评价沥青混合料高温性能最普遍的手段被研究者广泛使用。本文采用车辙试验研究混合料质量比不同掺量（3%、4%、5%）AH-1 的SBS 沥青和5%Sasobit SBS 改性沥青高温稳定性的影响。其中，车辙试验条件为：轮压0.7 MPa±0.05 MPa，实验温度为60℃±1℃，轮碾速度为42 次/min，记录加载45 min 和60 min 的车辙深度。
以动稳定度作为试验结果，计算公式如下：
式中：DS 为动稳定度（次/mm）；
t2、t1为试验时间，t1=45 min，t2=60 min；
d1、d2为t1、t2时间对应的车辙深度（mm）；
N 为碾压速率，本文取42 次/min；
C1、C2分别为试验机类型系数和试件系数，本文均取1。
每组混合料作3 次平行试验，取3 次试验的平均值作为最终试验结果。
测试结果如图6 所示。
图6 车辙试验结果
由图6 可知，AH-1 温拌剂和Sasobit 均能显著提高SBS 改性沥青的动稳定度，增加其高温稳定性。随着AH-1 掺量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性沥青混合料的动稳定度从5 867 次/mm 提升至6 013 次/mm、6 579 次/mm、6 752 次/mm，提升幅度达2.48%、12.13%、15.10%。而5%SasobitSBS 改性沥青混合料的动稳定度为7 236 次/mm，较SBS改性沥青提升幅度达23.33%。分析认为，在温度较高时，两种温拌剂均在沥青中析出微晶蜡三维加固结构，阻止了沥青混合料界面之间的相对滑移，从而提高了沥青混合料的抗车辙性能。与此同时，Sasobit温拌剂的高温改性作用比同掺量下的自制AH-1 作用更好，Sasobit 的高温性能提高效果较AH-1 更为明显。
3.3 温拌沥青混合料的低温开裂性能
通常采用沥青混合料弯曲试验测试沥青混合料的低温性能。试验温度为-10℃±0.5℃，加载速率为50 mm/min。记录荷载-位移曲线并计算弯拉强度和弯拉应变。
计算公式如下：
式中：RB为试件的抗弯拉强度（MPa）；
εB为试件的最大弯拉应变（με）；
SB为试件破坏时的弯曲劲度模量（MPa）；
b 为试件的宽度（mm）；
h为试件的高度（mm）；
L 为试件的跨径（mm）；
PB为试件破坏时的最大荷载（N）；
d 为试件破坏时的跨中挠度（mm）。
每组混合料作3 次平行试验，取3 次试验的平均值作为最终试验结果。
实验结果如图7 所示。
图7 低温弯曲试验结果
如图7 所示，AH-1 温拌剂和Sasobit 的加入都对SBS 改性沥青的低温抗裂性能有劣化影响。
随着AH-1 掺量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性沥青混合料的弯拉应变从3 114 με 下降至3 056 με、2 819 με、2 683 με，下降幅度达1.86%、9.47%、16.06%。而5%Sasobit SBS 改性沥青混合料的弯拉应变为2362 με，较SBS 改性沥青下降幅度达24.14%。弯拉应变代表沥青混合料抵抗开裂的能力，其弯拉应变越小，沥青混合料越硬，低温抗裂性能越差。分析认为，有机降黏剂中含有微晶蜡的成分结晶将劣化SBS 混合料低温性能。与此同时，Sasobit 的降低幅度明显大于AH-1，且低于规范值2 500 με，AH-1 虽然对沥青混合料的低温性能有不利影响，但仍然满足规范要求。
3.4 温拌沥青混合料的水稳定性
沥青混合料的水稳定性采用浸水马歇尔残留稳定度进行测定。其中一组马歇尔试件在60℃±1℃条件下保温30 min，测试其稳定度记为MS；
另一组置于60℃±1℃条件下保温48 h，测试试件的马歇尔稳定度记为MS1，根据式（5）计算浸水残留稳定度MS0。
式中：MS0为浸水残留稳定度（%）；
MS 为水浴30 min的马歇尔稳定度（kN）；
MS1为水浴48 h 的马歇尔稳定度（kN）。
每组混合料做3 次平行试验，取3 次试验的平均值作为最终试验结果
实验结果如图8 所示。
图8 浸水马歇尔残留稳定度
如图8 所示，AH-1 温拌剂和Sasobit 的加入都对SBS 改性沥青的抗水损害性能有劣化影响。随着AH-1 掺量的增加（3%、4%、5%），SBS 改性沥青混合料的浸水马歇尔稳定度从10.25 kN 下降至9.86 kN、9.21 kN、8.04 kN，下降幅度达3.81%、10.14%、21.56%。而5%Sasobit SBS 改性沥青混合料的浸水马歇尔稳定度为7.12 kN，较SBS 改性沥青下降幅度达30.53%。另外，AH-1 掺量（3%、4%、5%）和5%Sasobit 的浸水残留物稳定度分别为86.2%、84.4%、83.5%、76.2%，较SBS 改性沥青混合料的浸水残留物稳定度87.3%分别下降了1.0%、2.8%、3.7%和11.1%。说明加入AH-1 温拌剂或者Sasobit 会对沥青混合料的水稳定性产生不利影响，尤其是掺加了5%Sasobit 的温拌沥青混合料，其浸水马歇尔残留稳定度比低于规范要求，需要采取一定的抗水损害措施。
（1）AH-1 和Sasobit 对沥青的常规性能有很大影响，两者均对沥青的高温性能有改善作用，对沥青的低温性能有不利影响，且Sasobit 的影响程度较AH-1 大。
（2）AH-1 和Sasobit 均能大幅度降低沥青的高温黏度，4%掺量的AH-1 与5%掺量的Sasobit 降黏效果相当，但采用黏温曲线确定SBS 温拌沥青的拌合和成型温度不可靠。从经济效益上确定4%AH-1作为最佳温拌剂种类和掺量。
（3）通过等体积法确定4%AH-1 温拌沥青混合料比原样沥青混合料的拌合和成型温度低25℃，与5%Sasobit 的降温效果相近，但AH-1 温拌沥青混合料高温稳定性优于Sasobit。同时，AH-1 对低温抗裂性能的劣化程度相对较小，且满足规范使用要求。后续将对AH-1 SBS 温拌改性沥青的低温性能作相应的改善。
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