微发泡型温拌剂对温拌沥青混合料的影响

吴净洁，赵恒博,付建村

(1.青岛市公路管理局，山东 青岛　266061；2.青岛理工大学 琴岛学院，山东 青岛　266106;3.山东省交通科学研究院,山东 济南　250031)

沥青已广泛应用于路面工程中，世界各国对沥青路面的建设质量非常重视。由于沥青施工需要在较高气温条件下进行，这给低温条件施工带来困难。温拌沥青混合料(warm mix asphalt, WMA)是指通过一定的技术措施或添加剂，使沥青混合料在相对较低的温度下进行拌合及施工，同时保持其使用性能不低于热拌沥青混合料[1]。微发泡型温拌沥青混合料的技术原理是将带结晶水的外加剂直接投入沥青混合料中，诱发沥青发泡，形成水-气-沥青膜结构,可以降低沥青与矿料以及沥青与空气界面的表面张力，实现较低温度下对集料更好的裹覆，从而降低沥青混合料的作业温度，具有成本低、环保性能好等特点[2-4]。目前我国在微发泡型温拌技术方面的研究还很欠缺，本研究依托青岛九水东路改造工程进行冬季施工应用验证，通过配合比设计、路用性能试验以及试验段的铺筑，将该类型温拌技术与表面活性剂型沥青混合料温拌技术进行对比，分析该类温拌技术工程应用的可行性。

1　温拌技术及温拌剂

按照工作机理划分，温拌技术基本上可以分为3类。

1)基于有机物降黏的温拌技术。将低熔点的有机添加剂与沥青、集料相互拌合，根据高温降黏特性增强沥青与集料的和易性以实现温拌目的。该技术多通过添加固体蜡或蜡状物实现，易导致沥青混合料低温抗开裂性能损失，目前使用较少[5-6]。

2)基于表面活性剂的温拌技术。表面活性剂与沥青相互作用，在沥青内部形成具有一定润滑性的结构性水膜，从而降低沥青黏度，增强混合料在低温下的施工和易性，进而实现温拌效果。该类型表面活性剂多为液体状，通过预混入沥青或拌合过程中单独加入实现效能，是目前应用最广泛的温拌技术[7-8]。

3)发泡型温拌技术。采用机械、结晶水合物或细集料等引入自由水或结晶水，通过激发沥青发泡临时性降低沥青的黏度。受机械和材料制造水平的限制，目前该项技术的研究和应用有限。

本文拟选用两种典型温拌剂进行试验对比：一种为工程拟采用的新型微发泡型温拌剂(简称FYK-I)，对比样为利用典型表面活性剂加入70#A级道路石油沥青制备的温拌沥青(简称ZHY36-1)。两种产品的工程应用有较大差异，ZHY36-1温拌沥青采用拌合站的沥青计量设备直接加入，沥青混合料中温拌沥青的质量分数与热拌沥青混合料中最佳沥青的质量分数相同；FYK-I产品为白色粉末状，性质稳定，高温状态下不分解，无刺激性烟雾产生，少量生产混合料时，可由人工通过拌合锅投料口加入，大规模连续生产时采用专门的传输设备计量加入，掺加量为沥青质量的6%～8%，本项目采用7%进行试验。

表1　几种常见温拌剂产品对沥青的影响

表1为ZHY36-1温拌沥青与70#基质沥青原样的关键技术指标对比。由表1可知，表面活性剂加入基质沥青后，针入度和软化点基本无变化，胶结料的延度明显降低。

FYK-I温拌剂由于直接投放到沥青混合料中，对基质沥青没有影响，故只需对掺加前后的沥青混合料性能进行对比。

图1　级配合成曲线

2　沥青混合料配合比设计及温拌剂掺量确定

2.1　配合比设计与路用性能测试

温拌沥青混合料的级配及最佳沥青质量分数参照热拌沥青混合料配合比设计要求通过试验确定，试验流程如下：

1)首先根据原材料筛分结果进行级配设计，集料筛分及级配合成结果如图1及表2～4所示。

表2　原材料规格及筛分通过率　%

表3　3个级配的原材料组成比例　%

表4　3个级配的各筛孔通过率　%

2)根据3个级配配制混合料，进行室内马歇尔击实试验，试件双面各击实75次，胶结料采用70#A级道路石油沥青，热拌混合料室内击实温度为140～145 ℃，最大理论密度采用真空实测法[9-10]，测试马歇尔试件的体积指标，结合面层混合料技术要求确定适宜的级配。马歇尔指标测试结果见表5。参照工程经验和规范技术要求，期望空隙率为4.5%，矿料间隙率≥13.5%，饱和度为65%～75%，因此选择级配2作为确定级配。

表5　3个级配的马歇尔试验结果

3)按照级配2组成比例配制混合料，分别采用沥青的质量分数为4.0%、4.3%、4.6%的沥青混合料(室内击实温度为140～145 ℃)进行马歇尔击实试验，试件测试结果如表6所示，综合各项技术指标要求，最终确定最佳沥青质量分数为4.3%。

表6　沥青的质量分数不同时级配2的马歇尔试验结果

4)对采用最佳沥青质量分数的热拌沥青混合料进行路用性能检验，主要包括高温稳定性能、抗水损害性能及低温抗弯拉性能，如表7所示，检测结果均满足规范要求。

表7　热拌沥青混合料路用性能测试结果

2.2　温拌剂掺量及降温幅度

采用体积指标等效法确定温拌剂适宜掺量及合理降温幅度，即采用热拌沥青混合料确定的级配与最佳沥青质量分数，分别进行掺加不同比例的FYK-I温拌剂、不同击实温度下的马歇尔试验，测试马歇尔试件的体积指标结果如图2、表8所示[11-13]。

试验结果表明：1)温拌剂的质量分数相同时，随着击实温度的增加，沥青混合料空隙率总体呈现递减趋势，击实温度较低时，加入温拌剂较不加温拌剂试件空隙率有所降低，说明加入温拌剂对改善沥青混合料和易性和压实度有利；2)相同击实温度下，随着温拌剂质量分数的增加，沥青混合料空隙率降低，说明温拌剂的质量分数越高，沥青混合料和易性改善程度越好；3)掺加温拌剂后，沥青混合料击实温度降低20 ℃后，仍能达到热拌沥青混合料的空隙率控制水平。

图2　不同FYK-I温拌剂掺量及击实温度条件下的马歇尔试件空隙率变化

FYK-1温拌剂的质量分数/%温拌剂与沥青质量比/%击实温度/℃最大相对理论密度马歇尔毛体积相对密度空隙率/%0.266135120105902.5282.4442.4272.4102.3823.34.04.76.40.307135120105902.5282.4342.4022.4022.3743.34.54.66.10.348135120105902.5302.4392.4352.4172.3853.63.74.55.7

结合试验结果和工程经验，确定混合料中FYK-I温拌剂的质量分数为0.30%(为沥青质量的7%)条件下，建议降温幅度为20 ℃。

3　沥青混合料路用性能比较

为评价热拌沥青混合料掺加温拌剂后的性能变化，本文通过车辙试验、冻融劈裂试验分别评价FYK-1微发泡型温拌剂的高温稳定性能和抗水损害性能，同时与热拌沥青混合料、ZHY36-1温拌沥青混合料进行对比。温拌沥青混合料中沥青的质量分数均为4.3%，降温幅度均为20 ℃。

3.1　车辙试验

车辙试验的原理是负有一定荷载的车轮沿同一轨迹，在一定时间内反复碾压板块状试件，使试块被压密，并产生剪切、推移和流动，形成辙槽。通常用辙槽深度的变形率以及动稳定度评价沥青混合料在规定温度下抵抗塑性流动变形的能力[14-16]。

动稳定度反映了沥青混合料抗高温变形的能力，动稳定度越大，沥青混合料的高温抗变形能力越强，依据文献[17]方法测定热拌沥青混合料和温拌沥青混合料的动稳定度，试验结果如表9所示。由表9可知，掺加FYK-I微发泡型温拌剂后，沥青混合料的动稳定度基本无变化，满足规范要求。

表9　沥青混合料动稳定度试验结果　次/mm

3.2　冻融劈裂试验

沥青路面施工完成以后，水和空气通过混合料中的空隙进入混合料内部，如果不能及时排出，在车辆动水压力和温度的共同作用下，水会逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青黏附性降低并逐渐丧失黏结力，沥青和矿料发生剥离，造成强度下降。水损害进一步发展，将导致唧浆、松散、坑槽、车辙、推挤变形等多种形式的破坏[18-21]。

沥青混合料冻融劈裂是国内较常采用的沥青混合料抗水损害性能评价手段，按照文献[17]方法进行冻融劈裂试验，试验结果表10所示。由表10可以看出：1)与热拌沥青混合料相比，掺加FYK-I温拌剂和ZHY36-1温拌剂后的温拌沥青混合料冻融劈裂强度无明显变化，说明温拌剂的加入并未削弱沥青混合料的抗水损害能力；2)加入温拌剂后，温拌沥青混合料的劈裂强度均有一定程度的降低，其中ZHY36-1温拌沥青混合料的强度衰减最显著，FYK-I温拌剂对混合料劈裂强度的影响基本可以忽略；3)试验所用马歇尔试件均为双面各50次击实成型，热拌沥青混合料和ZHY36-1型温拌沥青混合料的空隙率较75次击实时均有增加，而采用FYK-I温拌剂的沥青混合料空隙率基本不变，说明基于微发泡原理的FYK-I温拌剂可以保证混合料在温度降低及压实功减少时有更理想的和易性。

表10　掺加温拌剂前后沥青混合料冻融劈裂试验结果对比

4　工程验证

表11　现场芯样试验结果

本文依托工程为冬季施工，热拌沥青混合料的温度降低速度较快，摊铺后很快到达可压实的临界温度，导致有效压实时间明显缩短。因此采用热拌温铺法进行施工，即沥青混合料添加FYK-I微发泡型温拌剂后，仍按照热拌沥青混合料控制温度进行拌制[12-13]。表11为沥青混凝土路面的现场取芯试验结果，可以看出，采用微发泡型温拌技术，路面的压实度均在98%以上，有效保障了低气温条件下沥青路面施工质量，实现了预期的目的。

5　结论

1)采用体积指标等效的试验方法，确定微发泡型温拌剂的质量分数和降温幅度。试验结果表明，加入温拌剂可有效改善沥青混合料的施工和易性，击实温度降低20 ℃时仍可达到目标空隙率的控制要求。

2)与热拌沥青混合料相比，微发泡型温拌沥青混合料高温稳定性能和抗水损害能力均未降低，而且在温度降低和压实功减少时仍然具有良好的施工和易性，有利于保障沥青混合料的压实度。

3)与某典型表面活性剂类温拌剂产品的对比结果表明，微发泡型温拌剂的加入，对沥青混合料劈裂强度的削弱程度更小，有利于保证沥青混合料的力学性能。

4)采用热拌温铺技术原理对某工程的试验结果表明，该类温拌技术可以保证沥青混合料在较低温度时仍具有较好的和易性，对延长施工压实的有效时间，保障压实质量和路用性能有利，具有明显的推广价值及工程实践意义。

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