李渠源 梁乃兴 杨卓林 杨清华 赵 江

(重庆交通大学土木工程学院1) 重庆 400074) (西南交通建设集团股份有限公司2) 昆明 650000)

0 引 言

温拌沥青混合料在保证路面性能满足要求的同时，也解决了传统热拌沥青混合料存在的污染严重的问题.采用温拌技术，可以使沥青混合料的生产拌和温度较热拌降低30 ℃以上，CO2、氮氧化合物、废气和粉尘的排放量将大大降低，还可以提高隧道路面抗水损坏能力，减少沥青的氧化、挥发和老化，提高沥青路面寿命.即使由于层间水分蒸发，混合料温度下降，温拌沥青混合料仍然能够实现有效的压实，不会留下界面隐患.

目前，国内外各种温拌技术大都是降低沥青黏度，使混合料能在较低温度下拌和均匀，包括有机降黏剂、表面活性剂及沥青发泡法三种.其中有机降黏剂可以减小沥青的高温黏度，有效地降低了生产温度，且路用性能较热拌没有减弱.表面活性剂可以在集料表面形成能抵消沥青黏结作用的结构性水膜，从而降低拌和压实温度.沥青发泡技术是向热沥青中加入少量水，两者剧烈反应形成泡沫沥青，降低了沥青的黏度，同时泡沫沥青的体积较大，可以更好地裹附集料，改善混合料在低温状态下的和易性.于江等[1]通过对比掺益路(Evotherm)温拌沥青混合料和热拌沥青混合料的体积指标，认为Evotherm可以改善混合料的可压实特性；黄刚等[2]通过对掺Sasobit和掺Evotherm的温拌沥青混合料进行室内试验，证实两种温拌剂均可改善混合料的某些路用性能.

目前针对各种温拌沥青混合料性能的研究，所采用的试验手段、参照标准和评价指标存在较大差异，对不同类型的温拌沥青混合料缺乏全面的对比.文中研究了有机降黏剂Sasobit、表面活性剂DWMA-1与合成沸石Aspha-min三种类型温拌剂对沥青混合料压实特性及路用性能的影响，为温拌技术的应用提供参考.

1 材料组成设计与施工工艺参数

1.1 原材料性能

采用AH70#沥青，矿料为重庆地产石灰岩，矿粉经石灰岩磨细后获得.选择Sasobit、Aspha-min和DWMA-1为试验所用温拌剂，其技术指标见表1～3.

表1 Sasobit基本技术指标

表2 Aspha-min基本技术指标

表3 DWMA-1基本技术指标

1.2 级配组成

矿料组成采用AC-20C级配中值，具体数据见表4.

表4 AC-20C级配

1.3 最佳油石比

按照马歇尔击实试验规定步骤，确定AC-20C沥青混合料的最佳油石比为4.4%.

1.4 施工工艺参数

Sasobit的熔点较低，将适量的Sasobit颗粒加入到加热好的基质沥青中，机械搅拌30 min后即可制得Sasobit温拌改性沥青，完全溶解的Sasobit与沥青一起形成稳定的分散体系[3].DWMA-1的添加方式与Sasobit类似，将其加入到热沥青中并简单搅拌10 min即可.Aspha-min为直投式温拌剂，将适量Aspha-min加入到拌和设备后，立即加入热沥青进行拌和[4].Sasobit的掺量范围为沥青质量的2%～4%、Aspha-min的掺量范围为混合料质量的0.2%～0.4%、DWMA-1的掺量范围为沥青质量的0.3%～0.6%，施工工艺参数见表5.

表5 施工工艺参数

2 不同类型温拌剂对沥青混合料降温效果及压实特性影响

2.1 不同类型温拌剂对沥青混合料降温效果分析

不同类型温拌剂对沥青混合料的降黏方式不同，效果也存在差异.其中表面活性剂及沸石温拌剂均不是单纯通过对沥青改性来实现降黏.因此，用黏-温曲线来确定成型温度的方法并不适用于每种温拌沥青混合料.本文采用4%空隙率法确定不同类型温拌沥青混合料的成型温度[5].分别添加三种不同的温拌剂，在不同成型温度、不同温拌剂掺量条件下制备马歇尔试件，用表干法测量试件的毛体积相对密度，用真空法测量混合料的理论最大相对密度，计算其空隙率，分析不同类型温拌剂对沥青混合料的降温效果，试验结果见图1.

图1 温拌沥青混合料空隙率与温度关系

由图1可知：

1) 掺3%Sasobit和0.3%Aspha-min的温拌沥青混合料空隙率～温度曲线最低，密实性最佳，说明此种温拌剂掺量下的混合料拥有最佳的压实效果.DWMA-1温拌沥青混合料的空隙率在0.6%掺量下最低，证明在0.3%～0.6%的掺量范围内，掺尽可能多的DWMA-1会使混合料达到最佳密实状态.

2) 不论是否添加温拌剂，沥青混合料的空隙率都会随成型温度的升高而减小，所以选择合适的成型温度是保证混合料具有良好路用性能的前提.用4%空隙率法确定混合料的成型温度，3%Sasobit温拌沥青混合料的成型温度约为125 ℃，0.3%Aspha-min温拌沥青混合料的成型温度约为130 ℃，0.6%DWMA-1温拌沥青混合料的成型温度约为135 ℃.三种温拌剂对沥青混合料降温效果的排序为：Sasobit>Aspha-min>DWMA-1.温拌技术下的混合料具有较低的黏度，温拌沥青膜与集料均匀裹附，降低了集料的内摩擦角[6]，在马歇尔击实仪反复击实功的作用下，集料颗粒嵌挤更加充分，形成高密实度的试件.

2.2 马歇尔法分析温拌沥青混合料压实特性

在施工碾压阶段，混合料的体积指标在机械荷载的作用下不断改变.混合料达到目标空隙率的难易程度反映了混合料的可压实特性[7].分别在最佳温拌剂掺量下(3%Sasobit、0.3%Aspha-min、0.6%DWMA-1)成型不同温拌类型的马歇尔试件，测定其空隙率，分析空隙率随击实次数的变化规律.控制热拌沥青混合料成型温度为150 ℃，三种温拌沥青混合料的成型温度为130 ℃.试验结果见图2.

图2 温拌沥青混合料空隙率与击实次数关系

由图2可知，在成型温度降低20 ℃的情况下，Sasobit和Aspha-min温拌剂可以较大程度地降低沥青混合料的空隙率，DWMA-1温拌沥青混合料也与热拌沥青混合料的压实效果相差不多.要使沥青混合料达到4%空隙率，传统热拌工艺下的混合料需80次击实，掺3%Sasobit的混合料需66次击实，掺0.3%Aspha-min的混合料需72次击实，掺0.6%DWMA-1的混合料需84次击实.温拌化的沥青混合料减少了击实次数，节约了击实功，不仅节能环保，还具有良好的经济和社会价值.

2.3 旋转压实法分析温拌沥青混合料压实特性

沥青混合料的压实是通过施加一定的压实功，使混合料的骨料之间达到一定的密实程度.由于马歇尔成型试验无法得到混合料压实过程中的压实功参数，为了更好地研究不同类型温拌剂对混合料压实性能的影响，用旋转压实法进一步评价温拌沥青混合料的可压实特性.

分别拌制热拌和不同类型的温拌沥青混合料，采用600 kPa的竖直压力、1.25°旋转压实角和30 r/min的旋转速率，模拟车辆荷载对路面的压实作用.根据交通量等级，取初始压实次数Nini为8次，设计压实次数Ndes为100次，最大压实次数Nmax为160次，要求Nini、Ndes、Nmax对应的密实度比分别小于89%、96%、98%.根据不同旋转圈数下对应的试件高度及压实结束后试件的压实度，计算并绘制相对于最大理论密度的密实度比曲线[8]，密实曲线可用幂函数进行拟合，为

γ=ANb

(1)

对式(1)进行求导，即可求得密实曲线上任意一点的斜率，反映了该点处的压实速率.

Nini、Ndes、Nmax将密实曲线分为见图3～4两部分，分别对应混合料施工阶段的压实和开放交通后车辆荷载作用下的压实.Nini-Ndes间的密实曲线在半对数坐标下呈一条直线，平均斜率的计算见式(2).该值反映了混合料从初始到设计压实次数范围内的可压实性，该值越大，表明压实速率越大，混合料施工和易性越好.

(2)

Ndes-Nmax间的密实曲线表示混合料从4%设计空隙率压密到2%极限空隙率的过程，在普通区间内接近直线，对密实曲线进行线性回归，计算斜率K2.K2反映沥青路面在使用过程中的抗压密能力，该值越大，则表明在同样的交通量下，其抗变形能力越差.

图3 半对数坐标下的Nini-Ndes混合料密实曲线

图4 普通坐标下的Ndes-Nmax混合料密实曲线

密实能量指数是沥青混合料在施工过程中，压实到92%压实度时摊铺与压实设备所做的功，92%为规范要求的可接受的压实度值.将Nini-N92围成的区域进行积分即得到密实能量指数CEI，该值越低，混合料的施工和易性越好.交通密实指数反映在交通荷载反复作用下混合料被压实到极限密实状态所做的功.在施工后至路面早期运行阶段，混合料从92%压密至96%密实度所做的功，即密实曲线上该两点间面积，称为交通密实指数TDI96.混合料从96%密实度进一步压密至98%极限密实状态时所做的功，称为交通密实指数TDI98，此时混合料处于塑性破坏区.交通密实指数越大，则表明路面的抗压密能力越好，在运行阶段更稳定.对不同类型温拌沥青混合料的密实曲线进行拟合，按上述方法计算K1、K2、CEI、TDI96、TDI98，结果见表6.

表6 旋转压实曲线评价指标

由表6可知，温拌沥青混合料的K1值大于热拌沥青混合料，N92值更小，证明其更容易达到规范要求的92%压实度，同时温拌沥青混合料的CEI值均小于普通热拌沥青混合料，减少了施工过程中摊铺机和压路机所做的功，具有更好的施工和易性.温拌沥青混合料K2值小于热拌沥青混合料，TDI98值整体大于热拌沥青混合料，证明温拌沥青混合料具有更好的抗压密和抗车辙变形能力，路面在后续的使用阶段更稳定.综上所述，三种温拌剂均可以改善沥青混合料的可压实特性，有机降黏剂Sasobit的改善效果最佳.

3 不同类型温拌剂对沥青混合料路用性能影响

3.1 高温稳定性

为了防止沥青路面在夏季或气候炎热地区因车辆荷载的作用发生破坏，要求混合料具有良好的高温稳定性.相比于马歇尔稳定度试验，车辙试验更能模拟路面的真实受力情况.用轮碾法成型试件并进行车辙试验，以动稳定度和车辙变形量为评价指标，对比不同类型混合料的高温性能.试验结果见表7.

表7 车辙试验结果

由表7可知，掺Sasobit和Aspha-min的温拌沥青混合料的动稳定度较高，变形量较小.在60 ℃的试验环境下，Sasobit在沥青胶结料中呈现出晶格结构，提高了混合料抵抗变形的能力.在拌和过程中，Aspha-min内部结晶水持续释放，有效地降低了沥青的瞬时黏度，可以使混合料的工作性维持较长时间，一定程度上提升了混合料的内聚力.DWMA-1温拌剂对混合料高温性能影响较小.

3.2 水稳定性

沥青路面在长期使用过程中，大气中的水分和降雨会通过空隙进入到路面结构中，并且在车辆荷载和热胀冷缩作用下产生动水压力，水分渗入到沥青与集料界面，降低两者间黏结力，并随之出现剥落现象.由于温拌沥青混合料的拌和温度较低，集料表面可能存在被沥青封闭的残留水分，这些水分的存在会加重沥青混合料的水损坏.所以，更需要对温拌沥青混合料的长期水稳定性能进行测试.浸水马歇尔试验主要反映集料颗粒间的内摩阻力大小，因此采用更能反映混合料中沥青黏结力作用的多循环冻融劈裂试验.按规程要求：先将试件在98.3～98.7 kPa真空条件下放置15 min，恢复常压后饱水30 min，然后置于-18 ℃环境下16 h，最后60 ℃水浴24 h完成一个冻融循环，用马歇尔试验仪测定不同冻融循环次数下试件的劈裂强度，计算冻融劈裂抗拉强度比TSR，试验结果见表8.

表8 循环冻融试验结果 单位:%

由表8可知，经1次冻融循环后，Sasobit温拌沥青混合料的劈裂强度比下降了约6.6%，掺其他两类温拌剂的混合料劈裂强度比并没有明显变化，说明1次循环并不能准确地反映出混合料的抗水损害能力.经过2、3次冻融循环后，Aspha-min温拌沥青混合料的劈裂强度比最低，说明Aspha-min会导致混合料抵抗水损害能力的严重下降，Sasobit也在一定程度上导致沥青混合料长期水稳定性劣化.相反，DWMA-1对混合料的长期水稳定性有改善作用.研究表明[9-12]，DWMA-1中存在大量具有抗剥落增强功能的胺类物质，增大了沥青与矿料的黏附力，从而实现沥青混合料长期水稳定性的提高.

3.3 低温稳定性

沥青路面在冬季温度较低时容易呈现出脆性特质，当温度收缩应力超过混合料的抗拉强度极值时，路面会出现开裂现象.对混合料进行-10 ℃低温小梁弯曲试验，以极限弯拉应变值作为混合料低温性能评价指标，试验结果见表9.

表9 低温弯曲试验结果

由表9可知，Sasobit和Aspha-min劣化了混合料的低温性能，其弯拉应变值低于规范要求.这是因为Sasobit中过量的蜡分子会与部分沥青饱和组分在-10 ℃环境下结晶析出，使沥青呈现出脆性特质，更容易在低温下破坏.Aspha-min温拌沥青混合料中的温拌剂残留可能影响到了沥青膜的厚度，从而劣化了混合料的低温变形能力.DWMA-1温拌沥青混合料的低温性能有所改善，这是因为温拌工艺下沥青的老化程度较热拌减轻，进而引起混合料低温抗裂能力的提高.

4 结 论

1) 三种类型温拌剂均可以降低沥青混合料的成型温度，3%Sasobit、0.3%Aspha-min的降温效果较好，可以降低混合料生产过程中的能源消耗和环境污染.三种温拌添加剂对混合料降温效果的排序为：Sasobit>Aspha-min>DWMA-1.

2) 要使马歇尔试件达到4%空隙率，温拌化的沥青混合料需要更少的击实次数，节约了击实功，不仅节能环保，还具有良好的经济和社会效益.

3) 由旋转压实密实曲线可知，在相同压实功下，温拌工艺下的混合料密实度更好.温拌沥青混合料较热拌沥青混合料更容易达到规范要求的92%压实度，且密实能量指数CEI值更小，具有更好的施工和易性.温拌沥青混合料Ndes-Nmax密实曲线较热拌沥青混合料平缓，交通密实指数TDI98值整体大于热拌沥青混合料，具有更好的抗压密和抗车辙变形能力，路面在后续使用阶段更稳定.

4) Sasobit和Aspha-min温拌沥青混合料较热拌沥青混合料有更好的高温性能，这与旋转压实密实曲线显示的结果一致，但长期水稳定性和低温性能有不同程度地降低.DWMA-1温拌沥青混合料的各项性能较为均衡，高温性能较热拌沥青混合料略有下降，长期水稳定性、低温性能有小幅度提升.