温拌橡胶沥青混合料拌和和压实温度研究

王志祥 霍洋洋 党合欢

（长安大学公路学院1） 西安 710064） （长安大学建筑工程学院2） 西安 710064）

WMA技术可以提高沥青混合料的可工作性，使混合料能在相对较低的温度下进行拌和、摊铺与压实，既可以吸收冷拌低碳环保的优点，又能满足与HMA相同的路用性能.近年来，橡胶沥青混凝土路面以其优越的使用性能得到了越来越多的应用［1－3］.然而，由于橡胶沥青混合料在低温下过于稠且粘，所以，生产施工时候一般采用热拌方法，拌和后混合料出场温度不低于180℃，摊铺和碾压时的温度不低于150℃.如此高的温度，不仅导致混合料在施工过程中排放大量的CO2，CO，SO2和NOx等气体和粉尘，以及在沥青混合料生产中消耗更多的能量，而且影响周围环境，损害施工人员的身体健康；同时也会导致沥青胶结料的老化，影响橡胶沥青混合料的长期使用性能［4－6］.如何采取有效措施降低橡胶沥青混合料的生产和施工温度，减少对环境和施工人员健康的影响，节约资源，符合绿色环保战略，是目前橡胶沥青混合料技术研究的关键.本文采用温拌技术代替传统的热拌方法［7－9］，即通过参入温拌剂来降低生产和施工温度，以期有效解决上述问题.

1 原材料及橡胶沥青混合料

1.1 原材料

采用SK90＃基质沥青，22%掺量（外掺）的40目橡胶粉；采用的3种温拌添加剂，分别为自行开发的橡胶沥青温拌剂ZYF，法国PRI公司提供的PRLT低温高性能温拌添加剂［10］，美国维什维克公司生产的Evotherm添加剂（DAT浓缩液），其材料物理化学指标及技术要求见表1～2.

表1 PRLT改性剂的物理性能指标

表2 Evotherm添加剂的技术要求

1.2 ZYF温拌剂的制备

橡胶沥青温拌剂开发的原材料为：A，B，C，D，E，F6种物质，根据正交试验的极差大小，各种材料对橡胶沥青的降粘影响大小排序为：B＞A＞C＞E＞D＝F；把6种原材料和水（B∶A∶C∶E∶D∶F∶水）拟定7种不同的配比（质量比），在橡胶沥青中加入5%的不同配比的温拌剂，测试不同温度下的粘度，结果见表3.

表3 不同配比的粘度测试结果

由表3可见，在各温度下，7种配比的温拌剂都降低了橡胶沥青的粘度，但是不同配比的降粘效果不同；随着温度的升高，其降粘率虽然也有所减小，但减小的并不明显，这可能是由于橡胶沥青高温时的粘度仍然比较大的缘故；随着材料B和A的添加比例的增加，温拌剂的降粘率也随之增大；当材料C和E的添加比例从4g减小到2g时，温拌剂降粘效果增加的并不明显；当材料F添加比例从8g增加到10g时，降粘率有增大的趋势，但是在有些温度下增大幅度大，有些温度下增大幅度小，其中在180℃时最大，为3.7%，而在135℃时最小，为0.2%，出现这种现象的原因可能是由于不同温度下的橡胶沥青自身特点以及试验误差造成的.橡胶沥青温拌剂开发的原材料配比汇总见表4.

表4 各原材料添加比例

1.3 ZYF橡胶沥青的制备

对于自行开发的温拌添加剂，采用湿法工艺制备温拌沥青，具体操作是：先将沥青加热到100℃以上（橡胶沥青无需加热，生产完毕后直接加入温拌剂），然后将4%（占沥青重量）的温拌剂加入到热沥青中，并保持温室内实验掺加工艺采用干拌法.

对于PRLT低温高性能温拌添加剂，将加热至一定温度的集料放入拌和设备中搅拌均匀，将PRLT添加剂投入拌和设备中，立即搅拌15s，以防止添加剂融化凝结成团，使添加剂颗粒完全软化并且分布均匀，保持集料温度为150～160℃，加入沥青和矿粉进行湿拌1～2min，保证温拌剂全部融化，冷却制成混合料.

Evotherm温拌橡胶沥青采用干法制备，即将温拌剂直接加入拌锅与沥青、矿料、矿粉等拌和，DAT浓缩液和沥青一般按其质量比的10∶90进行添加，而在实际生产中一般按其质量比的5∶95同时投入拌和锅与集料混合搅拌即可.

1.4 温拌橡胶沥青混合料配合比设计

根据文献［11］，40目细胶粉类的温拌橡胶沥青混合料适合采用AR－SMA－13型级配，ARSMA－13矿料级配范围见表5.

表5 AR－SMA－13合成级配

2 基于粘温关系的拌和与压实温度研究

采用Brookfield粘度试验测定添加温拌剂前后的橡胶沥青结合料的粘度，试验结果见表6.

利用ASTMD249所推荐的Saal公式对试验结果进行回归：lglg（η×1 000）＝n－m%lg（t＋273.13）.式中，η为粘度，单位Pa·s；t为温度，单位℃；n，m为与材料有关的回归系数.图1为回归粘度曲线，线性回归方程见表7.

表6 不同温度下橡胶沥青的粘度 （Pa·s）

根据ASTND2493粘度与温度的关系曲线，粘温曲线上沥青理想拌和与压实粘度所对应的温度作为沥青混合料的拌和压实温度.参考德克萨斯大学Yildirim等人推荐［12］，对应于改性沥青理想粘度（拌和（0.275±0.02）Pa·s和压实（0.55±0.04）Pa·s）可以计算出两种橡胶沥青混合料的拌和与压实温度，计算结果见表8.

图1 橡胶沥青回归粘度曲线

表7 橡胶沥青线性回归方程

表8 根据等粘温度确定的温拌橡胶沥青混合料拌和及压实温度 ℃

由表8可见，采用粘温曲线法确定的橡胶沥青拌和与压实温度值均大于210℃，均比规范推荐温度值大很多，这与实际脱节，这可能是橡胶沥青橡胶沥青粘度太大的缘故，故上述方法不适于确定温拌橡胶沥青拌和与压实温度.

为进一步确定这2种温拌橡胶沥青混合料的拌和温度，本文提出等粘温差的概念.所谓等粘温度差，是指温拌橡胶沥青和橡胶沥青在相同粘度条件下，2种胶结料对应温度的差值，从一定程度上反映了温拌剂的降粘效果，也就是说这个温度差就是温拌剂加入后橡胶沥青的拌和温度降低值.

因此可以根据等粘温差的方法来进一步确定拌和温度.根据粘温曲线图，可以计算任意粘度下两种结合料的等粘温度差，结合等粘温度差可以初步确定拌和温度.根据实际工程经验，一般采用2.5Pa·s粘度对应的温度作为橡胶沥青结合料加热温度.通过回归方程可以计算出3种橡胶沥青结合料粘度为2.5Pa·s所对应的温度，以及等粘温差见表7，并推荐拌和和压实温度见表9.

3 基于SGC压实效果的拌和与压实温度研究

为了进一步确定3种温拌橡胶沥青混合料的拌和和压实温度，并对上述粘温曲线确定的温度进行了修订，从混合料的压实效果考虑，采用SGC旋转压实，在不同的温度下成型SGC试件，通过控制压实试件空隙率来确定温拌橡胶沥青混合料的压实温度，然后根据经验确定拌和温度，试验结果见图2.

表9 2.5Pa·s所对应的温拌橡胶沥青的粘度与等粘温差 ℃

图2 温拌橡胶沥青混合料空隙率与压实温度关系

由上表分析可知，以4.0%的空隙率为指标，采用本次研究的方法确定的橡胶沥青混合料的拌和温度178～183℃、压实温度168℃，与推荐的温度接近，所以可以认为本次研究确定的拌和与压实温度较为准确.根据粘温曲线和空隙率与压实温度的关系，推荐橡胶沥青各个环节的温度，每种温拌剂都显著降低了橡胶沥青混合料的拌和与压实温度，其中，PRLT温拌剂降低拌和与压实温度30℃左右，ZYF和Evotherm温拌剂降低了拌和与压实温度25℃左右；各种温拌剂降温的幅度有所差异，但是差异并不是很大，可以认为各种温拌剂降低橡胶沥青混合料的拌和与压实温度在25℃左右，因此推荐温拌橡胶沥青各个环节温度见表10.

表10 温拌橡胶沥青各个环节温度 ℃

4 不同温拌橡胶沥青混合料路用性能

4.1 马歇尔试验

采用马歇尔试验设计方法，设计空隙率4.0%，试验温度参照表7中推荐温度，进行马歇尔试验，最终测得3种类型温拌橡胶沥青混合料 马歇尔试验测试结果见表11.

表11 温拌橡胶沥青混合料马歇尔试验结果

由表11可见，参加温拌剂的橡胶沥青混合料的各项指标均在规范范围之内，但稳定度均高于热拌橡胶沥青混合料，故可以采用推荐温度进行混合料实验.

4.2 高、低温性能

本文采用车辙试验来评价温拌橡胶沥青混合料的高温性能，小梁弯曲试验来评价低温性能，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行试验，结果见表12、表13.

表12 车辙试验结果

表13 低温小梁弯曲试验结果

由表12可见：ZYF，PRLT以及Evotherm3种温拌技术均提高了橡胶沥青混合料的动稳定度，提高大小顺序为PRLT温拌橡胶沥青混合料＞ZYF温拌橡胶沥青混合料＞Evotherm温拌橡胶沥青混合料；PRLT温拌橡胶沥青混合料高温性能提高最大.

从表13试验结果可以看出，PRLT温拌橡胶沥青混合料的低温性能提高最为显著，温拌剂增加了结合料的粘稠度，改善了橡胶沥青的柔韧性，从而改善了混合料的低温性能；Evotherm温拌沥青和热拌橡胶混合料的低温试验结果基本一致，表明表面活性剂不会影响橡胶沥青混合料的低温性能；ZYF温拌剂改善了混合料的低温性能，所以所推荐的拌和和压实温度合理.

4.3 水稳定性

以浸水马歇尔试验的残留稳定度比（MS0）和冻融劈裂试验的冻融劈裂强度比（TSR）来评价温拌橡胶沥青混合料的水稳定性能，水稳性试验结果见表14～15.

表14 浸水马歇尔试验结果

表15 冻融劈裂试验结果

由表14可见，3种温拌和热拌橡胶沥青混合料的残留稳定度比都较高，在规范要求之内，说明四种混合料的水稳定性较好，温拌剂的加入增强了混合料强度以及结合料和石料的粘结力.

由表15可见，PRLT温拌橡胶沥青混合料的冻融劈裂强度比值略高于热拌橡胶沥青混合料.ZYF温拌和Evotherm温拌橡胶沥青都比热拌橡胶沥青的冻融劈裂强度比值小，可能是添加温拌剂后沥青延度变小、低温抗裂性能变差造成的.

5 结 论

1）采用等粘温度法和变温度击实马歇尔试验确定了3种温拌橡胶沥青混合料的拌和温度和压实温度，与热拌相比，PRLT温拌橡胶沥青混合料的拌和与压实温度可以降低25～30℃，ZYF和Evotherm温拌温拌橡胶沥青混合料可以降低20～25℃.

2）ZYF温拌橡胶混合料的高温、低温性能均得到了提高，水稳定性略查，说明自主研发的温拌剂效果明显，掺量合理，推荐的拌和和压实温度适宜.

3）对3种温拌橡胶沥青混合料的路用性能进行了研究，3种温拌技术的引进均提高了橡胶沥青混合料的高温抗车辙性能和低温性能，ZYF和Evotherm对沥青混合料的水稳性能有不利影响，PRLT低温高性能温拌剂提高了沥青混合料水稳定性.

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