有机温拌剂对沥青性能的影响分析

边 睿，薛勇杰

（1.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116）

0 引言

相比普通的热拌热铺沥青混合料，温拌沥青混合料能够降低施工温度从而在经济、社会等方面带来巨大效益，因此，温拌技术在道路新建及养护维修中有较好的应用前景[1]。目前国内外的温拌技术与产品种类繁多，但根据其降温原理可将温拌技术分为有机降黏型、发泡沥青降黏和乳化沥青降黏温拌技术3种。有机降黏温拌技术是在沥青或沥青混合料中添加一定量的有机降黏剂，利用产品本身的物理特性来降低施工温度[2]。有机温拌剂通常为石油工业经特殊工艺加工得到的产品，其主要成分是与道路沥青结构相近的大分子有机聚合物，以蜡或蜡状物为主，如Sasobit FT硬蜡、Asphaltan-B酯化蜡等。

道路石油沥青中本身存在一定的蜡成分，已有研究表明，石油中的蜡对沥青性能造成负面影响，使沥青路面质量变差[3]。尽管有机温拌剂中的合成蜡与普通石蜡在物理性质等方面有较大的差异，但由于其碳链官能团结构相近而同属于一类有机物，因此两种蜡在其他方面仍有相似之处。在沥青中加入有机温拌剂后性能发生了明显改变，其相应的混合料特性也与普通热拌沥青混合料表现出一定差异[4]，那么应用温拌剂时的指标控制与适用范围也应有针对性变化。因此，研究与分析有机温拌剂对沥青性能的影响，对于提高有机温拌沥青混合料的质量以及进一步推广有着重要意义。

1 原材料

1.1 有机温拌剂

文中采用Sasobit-LM降黏剂与Honeywell TitanTM聚合物改性剂两种有机温拌剂进行试验。Sasobit降黏剂是煤在液化过程中提炼得到的物质，Sasobit-LM是Sasobit降黏剂常用的一种类型，其物理指标见表1。Honeywell TitanTM聚合物（简称Hon）为一种新型沥青路面改性剂，性能见表2。

表1 Sasobit-LM温拌剂的物理指标

表2 Hon温拌剂的物理指标

1.2 沥青

表3 基质沥青与SBS改性沥青指标测试

文中采用的沥青为东海90号基质沥青和SBS I-C改性沥青，沥青基本指标测试结果均满足施工要求，具体见表3。

2 有机温拌剂对沥青指标的影响

2.1 沥青针入度试验

针入度是表征沥青黏稠程度的重要指标，可以反映沥青在使用状态时的软硬程度。针入度指数PI是反映沥青感温性能的指标，当 PI＜-2时，沥青为溶胶结构，具有较大的感温性；当PI＞+2时，沥青表现出凝胶特征，抗裂性能较差[5]。沥青的针入度与针入度指数PI测试结果见表4～表7，相应的变化见图1～图3。

表4 不同Sasobit-LM掺量的90号基质沥青针入度变化

表5 不同Sasobit-LM掺量的SBS改性沥青针入度变化

图1 不同Sasobit-LM掺量的沥青针入度变化

表6 不同Hon掺量的90号基质沥青针入度变化

表7 不同Hon掺量的SBS改性沥青针入度变化

图2 不同Hon掺量的沥青针入度变化

图3 不同温拌剂掺量的沥青针入度指数PI变化

由图1和图2可知，沥青在不同温度下的针入度值随着温拌剂掺量的增加而逐渐降低，表明在掺加Sasobit-LM和Hon温拌剂后沥青变硬，路面的抗变形能力得到提高。对比90号基质和SBS改性沥青针入度的变化，温拌剂对90号基质沥青产生的影响更明显。当不考虑温拌剂对沥青其他性能指标的影响时，其掺量越大对路面高温稳定性能的改善也越显著。

分析图3中沥青针入度指数PI的变化，在沥青中加入温拌剂Sasobit-LM和Hon后，PI值随温拌剂掺量的增加而逐渐降低，说明温拌剂使沥青的感温性能变差。对比两种沥青的针入度指数PI变化结果，90号基质沥青感温性能受温拌剂的影响程度要明显更大。因此，在选择有机温拌剂的合适掺量时，沥青针入度指数PI的变化也应考虑作为控制因素。

2.2 沥青延度试验

延度是反映沥青低温性能的指标，虽然延度与路面裂缝病害的相关性存在争议，但由于我国基质沥青质量不高，尤其是沥青中蜡含量偏高，因此延度指标对于控制与优选沥青仍具有重要的意义[6]。对于沥青延度指标的测试结果见表8、表9，变化趋势见图4。

表8 不同Sasobit-LM掺量的沥青延度变化

表9 不同Hon掺量的沥青延度变化

图4 不同温拌剂掺量的沥青延度变化

由图4可知，随着Sasobit-LM与Hon温拌剂掺量的增加，沥青延度呈下降趋势，说明温拌剂对沥青的低温性能造成不利影响。对比90号基质沥青与SBS改性沥青的延度结果，基质沥青的延度下降明显，表明温拌剂对基质沥青的影响更大。由于SBS改性剂的溶胀作用使沥青形成了良好的网状结构，导致改性沥青本身具有良好的低温性能，因而，通过制备SBS与温拌剂的双复合改性沥青可以改善温拌剂对低温性能的负面作用。

其中，当Sasobit-LM掺量低于3.0%时，基质沥青的延度下降平缓，大于3.0%时延度下降速率明显变大，而Hon温拌剂是在掺量为5.0%时的下降速率前后变化明显。仅从沥青的低温性能分析，Sasobit-LM温拌剂在沥青中的合适掺量应该控制在3.0%以内，Hon温拌剂应控制在5.0%以内。

2.3 沥青软化点试验

软化点是表征沥青高温性能的重要指标，体现沥青在温度升高过程中发软变形的程度，可用于控制路面出现高温变形。具体的软化点测试结果见表10、表11和图5。

表10 不同Sasobit-LM掺量的沥青软化点变化

表11 不同Hon掺量的沥青软化点变化

图5 不同温拌剂掺量的沥青软化点变化

由图5可知，掺Sasobit-LM与Hon温拌剂后沥青软化点有明显的提高，说明两种温拌剂均能改善沥青的高温性能。对比基质沥青与SBS改性沥青在加入温拌剂后的软化点结果，可以发现基质沥青的软化点提高幅度大于改性沥青。整体来说，沥青软化点的增长趋势随温拌剂掺量的增加而减缓，但从软化点单个指标变化上分析，两种温拌剂的掺量越大软化点的提高幅度也越大，其相应的改善效果越明显。

3 有机温拌剂与沥青相容性分析

相容性好的温拌剂制备的沥青贮存稳定性好，能够保证沥青在施工中的质量[7]，因而温拌剂与沥青能否相互溶解并形成均匀稳定的溶液是其应用的关键部分。文中利用48 h软化点差来评价温拌剂的相容性，试验结果见表12、表13，对应的变化见图6。

表12 不同Sasobit-LM掺量的沥青48 h软化点差变化

表13 不同Hon掺量的沥青48 h软化点差变化

图6 不同温拌剂掺量的沥青48 h软化点差变化

由图6可知，沥青的48 h软化点差随温拌剂掺量的增加而变大，且变化趋势逐渐加快。对于相同温拌剂掺量下的两种沥青，90号基质沥青的软化点差要明显更小，说明有机温拌剂能够相对均匀地分散于基质沥青中。对于SBS改性沥青，当Sasobit-LM掺量大于4.0%、Hon大于5.0%时软化点差较大，形成的复合改性沥青离析现象严重。考虑到SBS改性剂本身对沥青的影响，可以认为在合适的掺量内，Sasobit-LM和Hon两种温拌剂与沥青的相容性较好，能够满足规范对于改性沥青稳定性能的要求。

4 有机温拌剂对沥青黏附性的影响

沥青与矿料的黏附性不良对沥青混合料性能有重要影响，而有机温拌剂在结构成分上为蜡状物质，其对沥青黏附性的作用应引起关注。本文用水煮法测试沥青与矿料的黏附性，结果见表14、表15。

表14 不同Sasobit-LM掺量的沥青与石灰岩黏附性等级测试结果（级）

表15 不同Hon掺量的沥青与石灰岩黏附性等级测试结果（级）

根据表14、表15以及试验中的观察，Sasobit-LM和Hon温拌剂对沥青的黏附性产生负面影响，且随着温拌剂掺量的增加，沥青黏附性能的下降程度越显著。SBS改性沥青黏附性受到温拌剂的影响要弱于基质沥青，说明SBS改性剂可以改善黏附性能。对比不同岩性的沥青黏附性结果，偏酸性的花岗岩黏附性能不如碱性的石灰岩，且测试结果不能满足工程要求。

由于温拌剂对沥青黏附性能的负面作用，温拌沥青与石料的组合选择应谨慎，优选温拌剂以及温拌剂掺量的控制均应考虑其形成温拌沥青的黏附效果。当Sasobit-LM在掺量大于3.0%与Hon掺量大于5.0%时，温拌沥青与石灰岩的黏附性能等级均不小于4级，当温拌剂掺量继续增加时，黏附性等级下降明显。

5 有机温拌剂对沥青力学性能的影响

沥青在混合料整体结构中起到胶结与固定集料的作用[8]，文中从沥青胶结作用进行考虑，测试添加温拌剂后沥青拉应力和黏结力的变化。

5.1 温拌剂对沥青拉应力的影响

记录掺入温拌剂后沥青在设定温度下测试延度时出现的拉应力最大值，具体结果见表16、表17。

表16 不同Sasobit-LM掺量的沥青拉应力结果 N/m2

表17 不同Hon掺量的沥青拉应力结果 N/m2

分析表16和表17中的结果，随着温拌剂掺量的增加，沥青在测试延度过程中的最大拉应力值逐渐增加，说明有机温拌剂在一定程度上增强了沥青在混合料中的胶结能力。结合有机温拌剂可以有效提高沥青在低温下的黏稠程度[9]，因此可以认为添加温拌剂后沥青自身的黏聚性能得到增强。

5.2 温拌剂对沥青黏结力的影响

采用拉拔试验来测试沥青与集料的黏结力，将试验中切好边长为50 mm的石灰岩立方体放入170℃的烘箱中养生4 h，将两个石块的黏结面与沥青充分接触后对正黏结，并在压力机上稳压。待石块试件冷却后，将其固定在拉拔仪上，在室温下进行拉拔力测试，试验测试速率为50 mm/min，记录拉拔力出现的峰值F。沥青黏结力P通过式（1）计算得到：

式中：P为沥青黏结力，MPa；F为拉拔力峰值，N。

同种沥青黏结力选用多组岩石进行测试，且在测试过程中观察黏结面的变化，以减小测试结果的偏差[10]。掺加不同掺量Sasobit-LM和Hon温拌剂的沥青黏结力测试结果见表18、表19和图7。

表18 掺Sasobit-LM的沥青黏结力测试结果 MPa

表19 掺Hon的沥青黏结力测试结果 MPa

由图7可知，沥青的黏结力随温拌剂掺量的增加而降低，并且变化速率随掺量逐渐加大，表明有机温拌剂对沥青黏结力形成了明显的负面作用。在相同的温拌剂掺量下，SBS改性沥青的黏结力大于90号基质沥青，说明SBS改性剂能够提高温拌沥青的黏结力。比较沥青的黏结力变化，SBS改性沥青黏结力的下降速率大于基质沥青，即温拌剂对改性沥青黏结力的影响更显著。

6 结论

a）综合分析两种温拌剂对沥青性能指标的影响，本文认为Sasobit-LM温拌剂的合适掺量是3.0%，Hon温拌剂的合适掺量是5.0%。

b）有机温拌剂可以提高沥青的针入度和软化点，从而提高沥青的高温性能。同时温拌剂降低了沥青的针入度指数PI、延度、黏附性以及黏结力，使沥青的感温性能、低温性能和黏结能力变差。

图7 掺加温拌剂后沥青的黏结力变化

c）SBS改性剂可以在一定程度上改善有机温拌剂对沥青性能造成的负面作用，对于特殊地区应用有机温拌剂时，可与SBS改性剂制备双复合改性沥青以提高混合料的质量。

d）应用有机温拌剂时，应提高沥青延度、针入度指数、沥青与石料的黏附性、沥青黏结力的控制标准，以合理控制温拌剂掺量。可将沥青黏附性与黏结力作为有机温拌剂种类的优选指标，以保证沥青在混合料中的力学作用。