不同温拌沥青混合料降温效果研究

张宜洛，王 涛，李 晨

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

不同温拌沥青混合料降温效果研究

张宜洛，王 涛，李 晨

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

选取有机添加剂Sasobit和人工沸石两种温拌剂，采用东海70号沥青配置温拌沥青，选取AC-13矿料级配拌制沥青混合料。通过黏温曲线和马歇尔试件的体积指标分别确定两种温拌剂各自的最佳掺量；在最佳掺量的条件下通过不同温度下成型马歇尔试件和旋转压实试件，观察其空隙率的变化规律来研究两种温拌沥青混合料的降温效果。研究表明：两种温拌剂都可降低沥青的高温黏度，其黏度随温拌剂掺量的增加而减小；Sasobit最佳掺量为3%(与沥青的比例)，在马歇尔击实条件下，加入Sasobit的WMA 的成型温度比HMA的成型温度降低了14 ℃；人工沸石的最佳掺量为0.3%(与混合料的比例)，在马歇尔击实条件下，加入人工沸石的WMA成型温度比HMA的成型温度降低了20 ℃，在旋转压实的情况下两者的温度降低了接近30 ℃。

道路工程；温拌沥青混合料；Sasobit；人工沸石；降温效果；空隙率

0 引 言

现今沥青路面在我国道路系统中的比重约占90%，大部分路面都采用热拌沥青混合料HMA(Hot Mix Asphalt)。在施工过程中集料和沥青的加热温度不低于160 ℃，拌和后的沥青混合料的温度不低于150 ℃，摊铺和碾压的温度不低于140 ℃，然而热拌沥青混合料的施工温度过高带来的问题是不可避免的[1-3]。例如施工温度过高加速了沥青的老化，影响了沥青路面的服务寿命；加剧了对燃料的消耗，造成资源的浪费；施工时温度过高，会产生有害气体，对人体的健康构成威胁，环境污染加剧。

温拌沥青混合料 WMA(Warm Mix Asphalt)采用一定的技术手段，降低沥青高温时的黏度，使沥青混合料可以在较低的温度下进行拌和与摊铺而且其路用性能可以与热拌沥青混合料相媲美[4]。目前常用的温拌沥青的制备方法有3种，分别为有机降黏型温拌技术，其主要代表产品是Sasobit有机添加剂；发泡沥青降黏型温拌技术，发泡沥青降黏技术分为泡沫沥青技术和微发泡技术，其典型代表分别是WAM-Foam技术和Aspha-min技术；乳化分散沥青温拌技术，其中美国MeadWestvaco(美德维实伟克)公司发明了乳化沥青温拌沥青混合料技术——EvothermTM技术最为典型[5-7]。

笔者选取人造沸石和有机添加剂Sasobit两种温拌剂。人造沸石温拌剂通过不同温度下成型的混合料试件的空隙率确定其最佳用量，在最佳用量的条件下采取不同的成型方式针对不同温度下混合料试件的空隙率来判断其降温效果。不同剂量的Sasobit温拌剂对沥青的黏温特性影响，确定最佳的添加剂用量以及其拌和，压实温度。通过温拌剂最佳用量条件下温拌沥青混合料的空隙率指标来验证黏温特性所确定的拌和及压实温度的合理性。

1 原材料与级配的选择

1.1 沥青的选择

笔者选取的沥青为东海70号沥青，其技术指标见表1。

表1 东海70号沥青技术指标

1.2 温拌剂

笔者选取了两种温拌剂：一种是有机添加剂Sasobit；另一种是人造沸石。两种温拌剂的基本性质如表2、表3。

表2 人造沸石技术性能

表3 Sasobit技术性能

1.3 集 料

粗、细集料均选取玄武岩，矿粉为优质石灰岩磨细而制成的，具体指标见表4、表5。

表4 集料技术指标

表5 矿粉技术指标

1.4 级配的选择

笔者选取AC-13矿料级配配置沥青混合料，具体如表6。

表6 AC-13矿料级配

2 温拌剂最佳剂量的确定

2.1 人工沸石最佳剂量确定

人工沸石结合自身具有吸水的特点，将其直接投放到沥青混合料中，沸石内部21%的水分在85～185 ℃析出。这样可减弱沥青的黏性，降低沥青混合料施工时的温度[8]。因此不需要从温拌沥青的角度来考虑其最佳剂量，可以直接对混合料的体积指标进行检验，确定其最佳剂量。

选取人工沸石不同的6种剂量(与沥青混合料的比例),分别为0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，分别在120，130，140，150 ℃拌制沥青混合料并成型试件，测得其空隙率如图1。

图1 不同掺量的温拌剂对应的空隙率Fig.1 Corresponding voidage of different content of warm mix agent

由图1可知，随着人工沸石剂量的增加，在相同温度下，试件空隙率是先减小后增加，且当剂量为0.3%时所对应的试件空隙率达到最小值。表明人工沸石的掺量过大或过小，试件都达不到最佳密实状态。可初步判定，人工沸石的最佳掺量(与沥青混合料的比例)为0.3%。

2.2 黏温特性及温度确定

2.2.1 Sasobit温拌沥青黏温特性

添加温拌剂的主要目的是降低混合料施工时的温度，达到节约资源、保护环境的目标。加入温拌剂后的改性沥青，由于Sasobit有机添加剂凝固点为110 ℃，远远高于沥青的软化点，而135 ℃的黏度却极低，为0.012 Pa·s。有机添加剂对沥青改性的主要特点为：提高沥青的软化点，使沥青的高温抗变形能力提高；降低沥青的高温黏度[8-10]。笔者通过美国SHRP计划Brookfield黏度计作为沥青黏度的测试设备，测试温度在105～155 ℃时，向东海70号A级基质沥青中加入1%，2%，3%，4%，5%(与沥青的比例)Sasobit有机添加剂的黏度，见图2和表7。

图2 黏度随温度的变化趋势Fig.2 Change trend of viscosity with temperature

表7 Sasobit温拌沥青黏度

(续表7)

Sasobit剂量/%不同温度/℃下的黏度/cp10511512513514515523944141171929321615136269128964424720912841289412196292332021155140691000528227181107

log·log(η)=B-Alog(273+T)

(1)

式中：η为黏度，cp；T为温度，℃；B，A为参数。

由图2可见，随着温拌沥青(添加不同Sasobit有机添加剂)随温度增加，黏度降低幅度不同。由表7可见，在105，115 ℃温拌沥青的黏度出现了转折，这证明了之前提出的Sasobit有机添加剂熔点在110 ℃左右。加入Sasobit有机添加剂的沥青达到熔点会稀释沥青，使沥青的黏度降低。

由图2还可看出，Sasobit的掺量从0到3%沥青的黏度降低幅度很大，沥青的高温黏度降低了41%左右，继续增加Sasobit的掺量，温拌沥青的黏度几乎与Sasobit为3%时的温拌沥青黏度平行，当再继续增加Sasobit的掺量反而显得不经济。所以， Sasobit掺量为沥青质量的3%(与沥青的比例)最为适宜。

2.2.2 拌和与摊铺温度确定

我国在沥青施工温度研究方面借鉴国外ASTM方法。对于基质沥青也是采用(170±20)cp和(280±30)cp对应的等黏温度作为混合料的拌和与压实温度。Sasobit有机添加剂的特点是可以降低沥青高温时的黏度，降低沥青混合料的拌和与摊铺温度，使施工更加方便。提高沥青低温时的黏度可让温拌沥青混合料具有热拌沥青混合料同样的路用性能[9]。

在欧洲很多国家，市政垃圾中的有机含量（TOC）在填埋处理之前必须低于3%，也即只有足够稳定化的垃圾才能进入填埋场。通沟污泥中有机质含量较高，若直接填埋将产生巨额的处置费用。因此，通沟污泥的处理处置方向已十分明确：必须选用技术先进、经济合理的处理工艺对其进行减量化、稳定化处理，从而降低末端处置难度及成本。

笔者通过不同剂量Sasobit有机添加剂在不同温度下对应的黏度结合式(1)计算出不同掺量Sasobit温拌沥青混合料对应的拌和与摊铺温度。

随着Sasobit掺量的增加，温拌沥青混合料的拌和与摊铺温度随着降低。Sasobit掺量由0增加到3%，Sasobit掺量每增加1%，拌和温度约降低4.5 ℃，摊铺温度约降低3.1 ℃。当Sasobit的掺量大于3%时，温拌沥青混合料的拌和与摊铺温度降低幅度明显变小，所以规定Sasobit掺量为3%。当Sasobit掺量为3%，可计算出混合料的拌和温度为140 ℃左右，摊铺温度在132 ℃左右(表8)。

表8 Sasobit 温拌沥青混合料的拌和与摊铺温度

3 温拌沥青混合料降温效果研究

笔者选取人工沸石和Sasobit两种温拌剂，并通过黏温曲线对Sasobit温拌沥青混合料的拌和与摊铺温度进行了预估[10]。结合混合料的体积指标对Sasobit温拌沥青混合料的拌和与摊铺温度进行验证(主要是采用混合料的空隙率指标进行验证)。在不同温度下成型马歇尔和旋转压实成型试件，通过观察人工沸石改性的温拌沥青混合料空隙率变化规律来研究降温效果。

3.1 Sasobit温拌沥青混合料降温效果

采用东海70号基质沥青，AC-13的矿料级配拌和沥青混合料；拌和温度为155 ℃；试件的成型温度为141 ℃；沥青混合料(Sasobit掺量为3%)分别在155，145，135，125 ℃这4个温度下成型试件；最佳油石比为5.1%。

因需要准确控制混合料成型温度，在混合料拌和之后均放入恒温烘箱中在目标温度下养护2 h，并在成型时控制温度以确保混合料的成型温度在目标温度的±2 ℃范围内。具体的实验数据见表9、图3和表10。

表9 AC-13混合料体积指标

图3 Sasobit温拌沥青混合料空隙率随温度的变化趋势Fig.3 Trend of Sasobit warm mix asphalt voidage changing with the temperature

表10 不同成型温度下3%Sasobit温拌沥青混合料的空隙率

由表10和图3可知：添加3%Sasobit温拌沥青混合料与东海70号基质沥青混合料相比，相同的成型温度条件下，温拌沥青混合料的空隙率降低了0.803%，相比东海70号基质沥青混合料的空隙率下降了21.1%；相同空隙率情况下，温拌沥青混合料的成型温度为141 ℃，与东海70号基质沥青混合料温度降低了14 ℃，与黏温曲线所预估的成型温度基本一致。可见，Sasobit有机添加剂能有效地降低基质沥青高温时的黏度。

3.2 人工沸石温拌沥青混合料降温效果

人工沸石内部含有约21%的水分，将它投入到沥青中，当温度高于80 ℃左右时，水分就开始析出，产生的泡沫使沥青体积膨胀达到降低沥青高温黏度的目的[11-12]。为验证人工沸石加入沥青混合料中的降温效果，笔者主要采用不同的成型方式来验证沥青混合料空隙率的变化规律。

3.2.1 马歇尔试件的空隙率变化特征

与Sasobit有机添加剂不同的是人工沸石是直接加入到沥青混合料中，所以不能通过沥青的黏温曲线来估计沥青混合料的拌和与压实温度[12]。根据温拌沥青混合料的体积指标，笔者所采用AC-13矿料级配，东海70号基质沥青混合料的体积指标见表10。加入人工沸石后的温拌沥青混合料与Sasobit温拌沥青混合料拌和及成型方式一致，其试验的空隙率变化见图4。由图4可知，相同的成型温度，加入0.3%的人工沸石的空隙率降低了0.903%，比东海70号基质沥青混合料降低了23.7%；相同的空隙率条件下，加入0.3%的人工沸石的混合料的成型温度为135 ℃，比东海70号基质沥青混合料的成型温度降低了20 ℃，说明人工沸石加入沥青混合料中降温效果明显。

图4 人工沸石温拌沥青混合料空隙率随温度的变化趋势Fig.4 Trend of artificial zeolite warm mix asphalt voidage changing with the temperature

3.2.2 旋转压实试件的空隙率变化特征

旋转压实法(SGC)更好地与实际施工路面的压实情况相符，通过揉搓、剪切和压密的综合方式进行压实[12]。减少矿料在压实过程中自身被压碎，且集料的排列方式与实际道路的情况相符。根据《AASHTO 规范》(2004 版)的有关规定，选择的 Nnin=8，Ndes=100。采用Superpave法，在不同压实温度下拌制改性沥青混料并将该温度的烘箱保温2 h，之后成型混合料试件，具体见表11和图5。

表11 0.3%人工沸石温拌沥青混合料不同温度下旋转压实试件空隙率

图5 旋转压实试件空隙率随温度变化趋势Fig.5 Trend of gyratong compact specimen voidage changing with the temperature

由表11和图5可知，东海70号基质沥青混合料在155 ℃旋转压实的试件空隙率为3.114%，相同成型温度下，加入0.3%人工沸石的温拌沥青混合料的空隙率为2.503%，相比下降了19.6%；当达到与东海70号基质沥青混合料相同的空隙率，温拌沥青混合料的成型温度为136 ℃，混合料的拌和及成型温度降低了19 ℃。

在保持马歇尔空隙率一致时，旋转压实成型的试件的拌和与成型温度大约在125 ℃左右，降低了接近30 ℃。旋转压实成型试件的降温幅度要远大于马歇尔成型的试件，这主要与旋转压实的揉搓原理有关。通过马歇尔和旋转压实成型试件可以明确人工沸石降温效果显著。

4 结 论

1)当Sasobit掺量小于3%(与沥青的比例)时，温拌沥青的高温黏度降低幅度很大；当Sasobit掺量大于3%温拌沥青的高温黏度降低幅度不明显。考虑经济效益的情况，选取3%的Sasobit掺量最为适宜。

2)当人工沸石的掺量在0.3%(与沥青混合料的比例)时，试件的空隙率最小。

3)对比热拌基质沥青混合料，添加3% Sasobit掺量的温拌沥青混合料温度降低了14℃，能在温度降低的条件下具有与热拌基质沥青相同的空隙率。

4)与添加0.3%人工沸石的温拌沥青与热拌基质沥青相比，马歇尔成型条件下温度降低了20℃；在保持马歇尔空隙率一致的条件下，采用旋转压实成型试件，温度降低了接近30 ℃。

5)有机添加剂Sasobit推荐掺量(与沥青的比例)为3%，人工沸石的推荐掺量(与沥青混合料的比例)为0.3%。

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Cooling Effect of Different Warm Mix Asphalt

ZHANG Yiluo, WANG Tao, LI Chen

(Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P. R. China)

The organic additive Sasobit and artificial zeolite were chosen as two kinds of warm mix agents, and Donghai 70# asphalt was adopted as the preparation of warm mix asphalt, and AC-13 mineral aggregate gradation was selected to mix the asphalt mixture. The optimum content of two kinds of warm mix agents was determined respectively by the volume indicators of viscosity-temperature curve and Marshall specimen. Under the condition of optimal dosage, the change rule of voidage was observed by forming Marshall specimen and gyratory compact specimen with different temperature, to study the cooling effect of two kinds of warm mix asphalt. The results show that both of two warm mix agents can reduce the high temperature viscosity of asphalt, and its viscosity decreases with the increase of the dosage of warm mix agent; the optimal dosage of Sasobit is 3% (the ratio to asphalt), and WMA molding temperature with Sasobit added decreases by 14 ℃ under the condition of Marshall compaction, compared with that of HMA; the optimum content of artificial zeolite was 0.3% (the ratio to mixture), and WMA molding temperature with artificial zeolite added decreases by 20 ℃ under the condition of Marshall compaction, compared with that of HMA; in the case of gyratory compaction, the temperature of the both above reduces by nearly 30 ℃.

highway engineering; warm mix asphalt; Sasobit; artificial zeolite; cooling effect; voidage

2015-09-24；

2015-12-30

张宜洛(1966—)，男，河南洛阳人，副教授，博士，主要从事道路建筑材料方面的研究。E-mail：13389227636@163.com 。

王 涛(1991—)，男，安徽芜湖人，硕士，主要从事道路建筑材料方面的研究。E-mail：1085698301@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.10

U414

A

1674-0696(2016)06-045-06