黄刚，张霞，黄涛

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆400074；2.中交二航局第二工程有限公司，重庆400042)

基于降黏与表面活性的温拌沥青及混合料性能对比

黄刚1，张霞1，黄涛2

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆400074；2.中交二航局第二工程有限公司，重庆400042)

采用70#沥青、SBS改性沥青，分别添加有机降黏温拌剂Sasobit和表面活性温拌剂DAT，对比评价两类温拌剂对沥青及沥青混合料性能影响；基于温拌沥青性能研究，提出温拌沥青混合料施工温度控制方法，给出参考施工温度，采用动、静态试验方法系统研究温拌沥青混合料性能，评价温拌混合料的疲劳性能和黏弹特性，建立相应疲劳方程和修正Burgers模型。研究表明：Sasobit明显改善沥青高温稳定性，在100～135 ℃降黏作用显著，证明DAT降温效果更好，对沥青性能影响小，不具降黏效果；Sasobit和DAT均可减轻沥青老化，Sasobit沥青抗老化性能更好；Sasobit显著提高混合料高温稳定性，DAT对混合料高温性能没有影响，两类温拌剂均对混合料短期水稳定性影响小，但Sasobit会劣化长期水稳定性，而DAT则具有改善作用；Sasobit会降低混合料低温性能，DAT对混合料低温性能影响小；Sasobit混合料抗疲劳性能优于DAT，其疲劳破坏具有脆性特征，DAT混合料疲劳破坏具有塑形特征，证明Sasobit沥青混合料具有更好的弹性恢复能力和高温性能。

道路工程；温拌剂;性能对比;疲劳;黏弹性

0引言

沥青温拌技术作为一种节能环保的绿色技术，在保证路面性能同时，具有在施工中大量减少能源消耗，降低沥青烟尘等有毒有害气体排放量，延长施工时间等优点。根据降温作用机理，国内外将温拌沥青技术分为沥青降黏温拌技术、表面活性温拌技术、沥青发泡温拌技术三大主流技术体系[1-2]。其中沥青降黏温拌技术主要是通过降低沥青高温黏度，达到降低沥青混合料拌合与压实温度的效果，该类技术的代表性产品是温拌剂Sasobit。表面活性温拌技术主要是通过表面活性剂、水与沥青在拌合过程中的润滑剪切作用，增加沥青混合料的低温工作性，该类技术的代表性产品是益路(Evotherm)温拌剂。笔者系统分析和评价Sasobit温拌剂和益路温拌剂对沥青及沥青混合料性能的影响，揭示其技术特点，为温拌技术在道路工程中更广泛的应用提供参考[3]。研究中采用的Sasobit温拌剂为白色固体颗粒，属于长链饱和碳氢化合物，主要成分包括正烷烃和异烷烃；DAT温拌剂属 Evotherm(益路)第二代产品，为暗黄色溶液。基本指标见表1、表2。

表1Sasobit基本技术指标Table 1Basic technique index of Sasobit

表2DAT基本技术指标Table 2Basic technique index of DAT

1温拌剂对沥青的影响

1.1温拌剂对沥青常规性能的影响

以中海AH70#基质沥青、路安特SBS I-C改性沥青作为原样沥青，分别制备AH70#+Saso、AH70#+DAT、SBS+Saso、SBS+DAT 4种温拌沥青，根据国内外相关研究和工程实践，选择Sasobit掺量为沥青质量的3%，DAT掺量质量比为：温拌剂∶沥青=5∶95。测试其针入度、软化点、延度等指标，见表3。

表3温拌沥青性能指标Table 3Performance index of warm asphalt

由表3可知，相对于原样沥青，Sasobit 温拌沥青的针入度、延度明显降低，软化点显著升高，表明Sasobit对沥青性能影响大，可使沥青变硬、高温性能增强，但常温和低温变形能力被减弱。这是因为当外界温度低于Sasobit熔点时，Sasobit在沥青中形成的网状晶体结构能够提高沥青高温稳定性，减弱沥青塑性；由于Sasobit温拌沥青针入度、软化点、延度变化比例均大于SBS改性沥青，判断Sasobit对基质沥青的影响大于对SBS改性沥青的影响。添加温拌剂DAT后，沥青的针入度、延度和软化点变化不大，说明DAT对沥青整体性能影响小，但DAT对SBS改性沥青的影响略大于对基质沥青的影响。

1.2温拌剂对沥青黏度的影响

测试不同温度Sasobit和DAT温拌沥青的Brookfield黏度，数据如图1、图2。

图1温拌沥青黏-温曲线Fig.1Viscosity-temperature curve of warm asphalt

图2温拌SBS改性沥青黏-温曲线Fig.2Viscosity-temperature curve of SBS warm modified asphalt

由图1、图2可知，两类温拌沥青黏度与基质沥青黏度变化趋势相同，即黏度随温度升高而逐渐减低。当温度低于110 ℃时，Sasobit温拌沥青黏度明显高于基质沥青黏度，而当温度高于130 ℃，Sasobit温拌沥青黏度最低，降黏效果明显。说明温度低于Sasobit熔点(110～130 ℃)时，Sasobit在沥青中形成网状晶体结构，增加了沥青的稳定性；温度高于熔点时，Sasobit已完全熔于沥青中，起到润滑作用。而当温度达到160 ℃后，温拌沥青与原样沥青的黏度值差异较小。Sasobit温拌SBS改性沥青黏度变化也具有类似的特征。表明Sasobit温拌剂主要在130 ℃左右发挥降黏作用。掺DAT的温拌沥青与原样沥青黏度接近，不具降黏效果。我国交通行业规范规定[4]，以(0.17±0.02)和(0.28±0.03)Pa·s对应的等黏温度分别作为普通沥青混合料的拌合与压实温度。参照建立温拌沥青黏-温方程，相应参考施工温度见表4，Sasobit能降低沥青混合料的拌合与压实温度约15 ℃；而DAT温拌沥青混合料的拌合与压实温度未见降低，证明采用黏温曲线确定表面活性类温拌沥青施工温度不可靠。

1.3温拌剂对沥青老化性能的影响

表4温拌沥青的黏温方程和参考施工温度Table 4Viscosity-temperature equation and referential construction temperature of warm asphalt

注：t为试验温度，℃；η为沥青黏度，cp。

表5老化后温拌沥青性能比较Table 5Performance comparison of warm asphalt after aging

由表5可知，经RTFOT老化后，温拌沥青软化点均升高，延度均降低，说明温拌沥青在高温条件下，沥青与氧发生聚合反应导致沥青轻质油分挥发，分子量增大，沥青变硬变脆，黏性降低；老化后，与原样沥青相比，两类温拌沥青软化点增幅均明显减小，延度减幅也略有降低，表明两类温拌剂均可减轻沥青老化现象；Sasobit温拌沥青软化点增幅及延度减幅均小于DAT温拌沥青；说明Sasobit抗沥青老化作用优于DAT温拌剂。

2温拌剂对沥青混合料性能的影响

2.1原材料与混合料材料组成

研究中采用满足交通行业规程要求的重庆地产石灰岩矿料，矿料组成选择抗车辙性能较好，具有骨架-密实结构的Sup-20型级配，油石比4.6%，相关数据见表6。

表6Sup-20沥青混合料级配Table 6Gradation of Sup-20 asphalt mixture

2.2温拌沥青混合料降温效果

采用旋转压实(SGC)方法[5-6]，温拌沥青混合料分别选取100、115、130、145 ℃，温拌SBS改性沥青混合料分别选取110、125、140、155 ℃为压实成型温度成型试件，测算温拌沥青混合料各成型温度下的空隙率，建立温拌压实温度-空隙率回归方程，以混合料空隙率4%为控制目标，得到对应成型温度见表7。

表7成型温度与空隙率的回归方程Table 7Regression equations of molding temperature and porosity

注：x为沥青混合料成型温度，℃；y为沥青混合料空隙率，%；普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料成型温度分别为145、155 ℃。

由表7可知，目标空隙率为4%时，与普通沥青混合料成型温度相比，Sasobit温拌沥青混合料降温约为21 ℃，比沥青黏-温曲线确定的降温幅值大7 ℃左右。DAT温拌沥青混合料降温约为28 ℃；与SBS改性沥青混合料成型温度相比，Sasobit温拌SBS改性沥青混合料降温约为15 ℃，DAT温拌SBS改性沥青混合料降温约为21 ℃，说明DAT具有更好的降温效果，由此可见采用成型温度-空隙率方程确定温拌沥青混合料施工温度更加可靠和准确。

2.3温拌沥青混合料高温稳定性

采用车辙试验评价温拌沥青混合料的高温性能[7]，数据见表8。由表8可知，温拌沥青混合料动稳定度均满足规范要求，未受拌合与压实温度降低的影响。Sasobit能够显著提高混合料动稳定度，其中对基质沥青混合料的影响尤为明显，这是由于60 ℃的试验温度低于Sasobit熔点，Sasobit仍以网状晶格结构均匀分布在沥青中，增大了混合料劲度。DAT则对沥青混合料高温性能影响小。

表8温拌混合料动稳定度Table 8Dynamic stability of warm mixture 次/mm

2.4温拌沥青混合料水稳定性

采用更能反映混合料长期水稳定性的循环冻融劈裂试验评价温拌剂的影响。按照交通行业规范规定[8]：以98.3～98.7 kPa真空条件饱水15 min，然后在-18 ℃下冷冻16 h，最后在60 ℃水中保温24 h作为一次冻融循环条件，数据见表9。由表9可知，经1次冻融后，两类温拌剂对沥青混合料抗水损性能影响并不显著。但经2、3次循环冻融后，Sasobit温拌沥青混合料冻融强度比均为最低，说明Sasobit可能导致混合料长期水稳定性的劣化；反之，DAT温拌沥青混合料的冻融强度比则有提高，说明DAT能够改善沥青混合料长期水稳定性，相关研究证明，DAT温拌剂能够改变沥青的极性分量和Lewis酸碱作用力参数，改善沥青的表面自由能，从而增强了沥青与集料的黏附能力，提高了沥青混合料水稳定性[7]。

表9循环冻融劈裂试验数据Table 9Data of freeze-thaw-split cycle test %

2.5温拌沥青混合料低温抗裂性能

采用-10 ℃低温弯曲小梁破坏试验评价温拌沥青混合料低温性能，数据见表10。由表10可知，除Sasobit温拌沥青混合料弯拉应变不满足规范要求外，其余混合料弯拉应变满足规范要求。说明DAT对沥青混合料低温性能影响小；而极限弯拉应变、弯曲劲度模量等指标的变化则进一步说明，Sasobit对混合料低温性能存在负面影响，尤其对普通沥青混合料影响较大。这是因为Sasobit主要成分是蜡，温度较低时，溶解的蜡分子会与小部分被它吸附的沥青饱和分一起析出，致使沥青变脆变硬，混合料低温性能下降。

表10温拌沥青混合料低温弯曲试验数据Table 10Data of bending test of warm asphalt mixture at low temperature

2.6温拌沥青混合料疲劳性能研究

参照欧洲规程PrEN 12697-24[8]，采用UTM-100液压伺服材料试验机，间接拉伸疲劳应力控制模式(半矢波加载，加载频率10 Hz，周期500 ms)，设疲劳破坏极限应变6%，对温拌沥青混合料进行疲劳试验。试件(Φ100×H40 mm)由旋转压实成型，钻芯得到，设计疲劳应力值根据同温间接拉伸强度确定，疲劳试验数据见表11。

表11温拌沥青混合料疲劳试验数据Table 11Data of fatigue test of warm asphalt mixture

研究表明[9]，疲劳寿命与温度间的关系可用下述方程表示：

lnNf=s-rT

(1)

式中：T为试验温度，℃；s，r为和材料、应力比有关的系数。

式1中，s值越大，表明混合料疲劳寿命越长；r值越大，表明混合料疲劳寿命对温度变化越敏感；将s/r定义为疲劳反应系数，s/r值越大，表明抗疲劳性能越好。建立温度-疲劳寿命方程，方程参数见表12。

表12不同应力比温拌沥青混合料疲劳方程参数Table 12Parameters of fatigue equations of warm asphalt mixture with different stress ratios

由表11、表12可知：温拌沥青混合料疲劳寿命均随应力增大或温度升高而降低，相同应力比条件，Sasobit温拌混合料s值均大于相应DAT温拌混合料s值，r值变化规律性不强，但Sasobit温拌混合料s/r值均大于相应DAT温拌混合料s/r值，说明Sasobit温拌混合料抗疲劳性能更好。由于常温下，Sasobit在沥青中形成的晶格结构使沥青变硬，混合料劲度模量提高，承受荷载重复作用次数相应增加，疲劳寿命相应延长，抗疲劳性能也就越好。而DAT温拌沥青混合料不具此特性，对混合料抗疲劳性能影响较小。

试验中发现，两类温拌混合料疲劳破坏形态差异较大。Sasobit温拌混合料在重复荷载作用下，先期变形增加缓慢，变形速率变化小，但当变形累积一定量后，应变速率突增，然后荷载作用仅数百次，试样就达到疲劳破坏极限。而DAT温拌沥青混合料在整个试验过程中，竖向变形随累计疲劳荷载作用次数缓慢增大，应变速率较稳定，疲劳曲线斜率基本不变。破坏后，Sasobit温拌混合料试件裂缝较大，损害严重；DAT温拌混合料试件裂缝较小，损害较轻。因此，认为Sasobit温拌混合料疲劳破坏具有脆性破坏特征，破坏具有突然性，DAT温拌混合料疲劳破坏具有塑形破坏特征，破坏具有延续性。

3温拌沥青混合料黏弹性特征

采用UTM-100伺服材料试验机，试件尺寸Φ100×H60 mm，极限破坏应变6%，预压荷载为设计荷载15%，预压时间10 min，方波加载(加载频率1 Hz，加卸载周期2 s，3 600个周期)，对温拌沥青混合料进行动态蠕变试验[10]，试验结果见表13。

表13不同温度温拌沥青混合料的最大轴向应变和动态蠕变模量Table 13Maximum axial strain and dynamic creep modulus of warm mixture at different temperature

由表13可知，温度和应力水平对温拌混合料轴向应变和动态蠕变模量影响较大。在20～40 ℃范围，相同温度水平，温拌混合料的轴向应变和蠕变模量都随加载应力增大而增大，说明在此温度范围，随着荷载增加，温拌沥青混合料刚度并未衰减；相同应力水平，轴向应变随温度升高而增大，蠕变模量随温度升高而减小，说明随着温度升高，温拌混合料刚度逐渐衰减，逐渐显露出黏弹性特征；60 ℃时，温拌沥青混合料蠕变模量更小，材料刚度衰减显著，黏弹性特征更明显。Sasobit温拌沥青混合料抵抗变形的能力优于DAT。

选用“四单元五参数”修正Burgers模型分析温拌沥青混合料的黏弹特性，其蠕变方程如式2：

(2)

将试验数据采用1stopt软件进行拟合计算，得到Burgers模型黏弹性常数见表14。

表14修正Burgers模型黏弹性常数Table 14Viscoelastic constants of the modified Burgers models

由表14可知，随着试验温度升高，温拌沥青混合料的瞬时弹性模量E1、延迟弹性模量E2减小，黏性系数η2增大，而Sasobit温拌沥青混合料的E1和E2均大于DAT温拌沥青混合料。采用松弛时间评价材料松弛能力，松弛时间越长，表明沥青混合料弹性恢复能力越好，由此可知，试验温度升高，温拌沥青混合料松弛时间均缩短，但同一温度下，Sasobit温拌沥青混合料松弛时间长于DAT温拌沥青混合料；证明Sasobit温拌沥青混合料具有更好的弹性恢复能力和高温性能。

4结论

1) Sasobit温拌剂对沥青性能影响较大，对沥青高温性能改善显著，但常温和低温变形能力被减弱；DAT温拌剂对沥青性能影响小，但具有更好的降温效果。Sasobit在100～135 ℃间对沥青的降黏作用明显；DAT不具降黏效果。证明Sasobit和DAT都可提升沥青抗老化性能，Sasobit对沥青抗老化性能的改善优于DAT。

2) 采用黏-温曲线确定DAT温拌沥青混合料施工温度不可靠。提出采用成型温度-空隙率方程控制则更准确，给出相应施工温度参考值。

3) Sasobit温拌剂显著提高沥青混合料高温性能，DAT温拌剂对沥青混合料高温性能无改善作用。Sasobit和DAT均对沥青混合料短期抗水损性能影响小，但Sasobit会劣化沥青混合料长期水稳定性，而DAT则存在改善作用。Sasobit会减弱沥青混合料低温性能，尤其对普通沥青混合料影响较大，DAT对沥青混合料低温性能影响小。

4) 间接拉伸疲劳应力控制模式下，温拌沥青混合料间接拉伸疲劳寿命均随应力增大或温度升高而减小，不同类型温拌沥青混合料抗疲劳性能差异明显，Sasobit温拌沥青混合料抗疲劳性能优于DAT，疲劳破坏具有脆性破坏特征，而DAT温拌沥青混合料疲劳破坏具有塑形破坏特征。

5) 采用动态蠕变试验讨论了Sasobit和DAT温拌沥青混合料黏弹特性，建立了不同温度的修正Burgers模型，通过分析黏弹性参数变化，证明Sasobit温拌沥青混合料具有更好的弹性恢复能力和高温性能。

6) 建议在重交通道路或夏季炎热地区可优先考虑采用Sasobit作为路用温拌剂；在年平均气温较低或道路水稳定性要求高地区可优先考虑采用DAT作为路用温拌剂。

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(责任编辑：谭绪凯)

Performance Comparison of Warm Asphalt and Mixture Based on Viscosity Reducer and Surface Activity

HUANG Gang1，ZHANG Xia1，HUANG Tao2

(1.National and Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Materials，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China; 2.The Second Engineering Co.，Ltd.，of the Second Harbor Engineering Company，Chongqing 400042，P. R. China)

H70# asphalt and SBS modified asphalt were adopted，and Sasobit (the warm mix agent with organic viscosity reducing)and DAT (the warm mix agent with surface activity)were added respectively to compare and evaluate their influence on the performance of asphalt and asphalt mixture.Based on the study on the performance of warm asphalt mixture，the control method of construction temperature of warm asphalt mixture was put forward，and the referential construction temperatures were also given.Dynamic and static test methods were adopted to systematically study the performance of warm asphalt mixture.The fatigue performance and viscoelastic characteristics of warm asphalt mixture were evaluated，and the corresponding fatigue equations and the modified Burgers models were established.The study shows that Sasobit obviously improves the high temperature stability of asphalt and its effect of causing viscosity reduction is significant at 100～135 ℃.DAT is proved to have better temperature reduction effect.However，it has a little effect on asphalt performance and has no viscosity reduction effect.Both Sasobit and DAT can reduce the aging of asphalt.Sasobit asphalt has better anti-aging performance.Sasobit can obviously improve high temperature stability of the mixture and DAT has no effect on high temperature stability of the mixture.Both two types of warm mix agents have little effect on short-term water stability of mixture.Sasobit can deteriorate long-term water stability of mixture; however，DAT can improve that.Sasobit can decrease low temperature performance of mixture.DAT has a little effect on low temperature performance of mixture.Sasobit asphalt mixture has better resistance to fatigue performance than DAT does.Fatigue failure of Sasobit mixture has brittle feature and that of DAT mixture has plastic feature.Sasobit asphalt mixture is proved to have better ability of elastic recovery and high temperature performance.

highway engineering; warm mix agent; performance comparison; fatigue; viscoelasticity

U41

A

1674-0696(2017)10-037-08

2016-08-05；

2017-01-15

国家自然科学基金项目(51778096);重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目(cstc2016jcyjA0119)；重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金项目(LHSYS-2012-007);

黄刚(1971—)，男，重庆人，教授，博士，主要从事道路结构和材料方面的研究。E-mail： hg_2004@126.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.07