關鍵詞：溫拌瀝青;高黏瀝青;溫拌劑;路用性能

作者：秦雯;楊稼詔;馬峰;楊宇峰

作者單位：長安大學;

　　摘　 要：高寒地區(qū)普通瀝青路面更易開裂，并且在瀝青路面施工時存在溫度易散失，施工質量波動大的問題。 高黏 瀝青有助于改善路面的低溫抗裂性能，但對施工溫度要求高。 將溫拌技術應用于高黏瀝青路面中，可降低施工溫 度，一定程度減少環(huán)境溫度的不利影響。 借助響應曲面法進行高黏瀝青的復配和溫拌高黏改性瀝青的制備，分析 評價了溫拌劑對瀝青性能的影響和溫拌效果，并借助傅里葉紅外光譜試驗解析了溫拌劑的作用機理。 結果表明， ①基于響應曲面法優(yōu)選復配的高黏瀝青高低溫和抗疲勞性能優(yōu)異。 ②相比于 Ｌ 型（ＬＫＷ）溫拌劑，Ｓ 型（ ＳＭＣ）溫拌 劑可以顯著降低軟化點、動力黏度和布氏黏度，提升針入度和延度，對高黏改性瀝青的降黏效果更好。 

　　《“十四五”推進西部陸海新通道高質量建設實 施方案》共建高質量西部海路新通道，西部地區(qū)新 建高速公路里程逐年增加。 四川省阿壩縣海拔 ３ ３００ ｍ 以上，常年低溫，晝夜溫差大，對瀝青低溫 性能具有更高要求。 研究表明，使用高黏瀝青可以 有效提高瀝青路面的低溫抗開裂性［１］ 。 但高黏瀝 青對溫度變化極其敏感，在常年低溫風速較大的高 海拔地區(qū)，瀝青混合料常由于運輸距離、保溫措施 等原因而現(xiàn)場施工溫度過低，因而導致壓實度不 夠，受溫度影響質量波動較大，影響路面的路用性 能。 溫拌技術（ＷＭＡ） 可以降低施工溫度［７］ ，進而 可能減少當?shù)丨h(huán)境對瀝青路面施工質量的影響。 但現(xiàn)有溫拌技術研究多用于苯乙烯⁃丁二烯橡膠 （ＳＢＲ）等常用改性瀝青。 為此，本文針對溫拌高黏 改性瀝青技術，基于響應曲面法復配了性能良好的 高黏瀝青，試驗研究了兩種溫拌劑對高黏瀝青性能 的影響，以布氏黏度為評價指標評，結合傅里葉紅 外光譜試驗探尋兩種溫拌劑的作用機理。

　　１　 高黏瀝青復配設計

　　１． １　 原材料

　　１． １． １　 瀝青　 采用 ７０＃基質瀝青，指標見表 １。

　　１． １． ２　 彈性體材料　 選用彈性體 Ａ、彈性體 Ｂ 及 Ｃ５ 樹脂，技術指標見表 ２、表 ３。

　　１． １． ３　 相容劑　 適量的相容劑可以提高瀝青相容 性，減少離析，改善高黏瀝青儲存穩(wěn)定性。 采用 ２５ 號 糠醛油，常溫下為墨綠色濃稠液體，技術指標見表 ４。

　　１． １． ４　 穩(wěn)定劑　 選用硫磺作為穩(wěn)定劑，起到一定的 潤滑作用且有益于提高高黏瀝青各項性能［８］ ，如軟 化點、延度及黏度等，常溫下呈淡黃色粉末狀。

　　１． ２　 高黏瀝青復配設計

　　１． ２． １　 試驗設計　 采用響應曲面法中 Ｂｏｘ⁃Ｂｅｈｎｋｅｎ Ｄｅｓｉｇｎ（ＢＢＤ）法設計高黏改性瀝青配比，該方法可 以在較少的試驗次數(shù)下預測最優(yōu)試驗條件［９］ 。

　　試驗設計時，穩(wěn)定劑硫磺的摻量為 ０． ５％ ，其他 材料摻量范圍及各因子水平見表 ５。

　　通過 Ｄｅｓｉｇｎ ｅｘｐｅｒｔ 軟件（下簡稱 ＤＥ）中 ＢＢＤ 設 計方法按照 ４ 因素 ３ 水平試驗組合方案確定了 ２９ 組配方制備高黏瀝青，工藝見圖 １。

　　為優(yōu)選出可以滿足寒區(qū)道路性能要求的最佳 配方，考慮瀝青低溫性能、抗車轍、耐疲勞及施工性 能選取輸出響應指標，具體包括：評價瀝青高溫性 能與抗疲勞性能的車轍因子（Ｇ ∗ ／ ｓｉｎδ）與疲勞因子 （Ｇ ∗·ｓｉｎδ）、反映瀝青低溫抗變形能力的蠕變速率 （ｍ）、評估瀝青低溫抗裂性能的瀝青延度和反映瀝 青黏度的指標布氏黏度，其中布氏黏度參考 ＤＢ５１ ／ Ｔ ２６０１—２０１９《公路排水瀝青路面設計及施工技術 指南》 ［１０］選用 １７０ ℃布氏黏度。

　　１． ２． ２　 試驗結果　 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立響應值與影 響因子間的響應回歸模型，并進行顯著性分析。 以 布氏黏度指標為例，試驗結果見表 ６，回歸模型如公 式（１）所示。

　　ｙ ＝ ３． ３ ＋ ２． ５７Ａ － ０． ２Ｂ ＋ １． １９Ｃ － ０． ２１Ｄ － ０． ３５ＡＢ ＋ ０． ７８ＡＣ － ０． ２６ＡＤ － ０． ０３６ＢＣ － ０． ３２ＢＤ － ０． １３ＣＤ ＋ １． ０４Ａ ２ ＋ ０． ５７Ｂ ２ ＋ ０． ３４Ｃ ２ ＋ ０． ２４Ｄ ２ （１）

　　采用置信度 ９５％ 的 Ｆ 檢驗進行顯著性分析，結 果見表 ７ 及表 ８。

　　由表 ７ 可知，因子 Ａ 和 Ｃ（分別為彈性體 Ａ 和彈 性體 Ｂ） 決定系數(shù)顯著大于因子 Ｂ 和 Ｄ，證明 Ａ、Ｃ 因素為影響布氏黏度的主要因素，Ｂ、Ｄ 因素（分別 是 Ｃ５ 樹脂和相容劑）對瀝青布氏黏度影響均較小， 且影響程度彈性體 Ｂ ＜ 彈性體 Ａ。 二次項 Ａ ２ 、Ｂ ２ 及 交互項 ＡＣ 顯著大于同類二次項及交互項，證明因 素間的交互作用對瀝青黏度有一定影響。 模型預測結果與實測結果見圖 ２。

　　由圖 ２ 可知，預測值與實測值偏差較小，預測結 果可靠程度較高。

　　１． ３　 高黏瀝青配方優(yōu)選

　　各響應指標的期望值及重要程度見表 ９。

　　根據(jù)上述條件，經(jīng)響應曲面法進行優(yōu)化后得到 配比方案及響應指標預測值見表 １０ 和表 １１。

　　根據(jù)優(yōu)選方案制備高黏瀝青，通過對比預測值 與實測值驗證預測結果精確性，見表 １２。

　　由表 １２ 可知，實測值相對預測值偏小，偏差均 在 １０％ 之內，低溫性能指標的偏差僅 ５％ 左右，表明 響應曲面法預測精準度良好。

　　選用 ２ 種成品高黏劑制成的 ＨＶＡ１ 高黏瀝青和 ＨＶＡ２ 高黏瀝青與復配高黏瀝青（ＧＮ）進行多種性 能比對試驗，驗證復配的重要性，結果見圖 ３。

　　由圖 ３ 可知，響應曲面法復配所得 ＧＮ 瀝青的 車轍因子和軟化點略有不足，延度、蠕變速率和動 力黏度顯著優(yōu)于另外兩種瀝青，證明此次復配工作 效果良好。

　　對制得的高黏瀝青進行性能測試，結果見表 １３。

　　２　 溫拌高黏瀝青制備與性能

　　２． １　 溫拌高黏瀝青的制備

　　２． １． １　 溫拌劑　 常用溫拌劑包括有機降黏劑［１１］ 、 化學添加劑類［１３］ 、瀝青發(fā)泡型［１４］ 和其他類［１６］ ，根 據(jù)溫拌劑種類和摻量的不同，降溫幅度及性能略有 差異［１７］ ，且可以有效降低施工能耗，減少施工污染 物排放［２０］ 。 研究選用降黏類溫拌劑 ＳＭＣ、化學添加 劑類 ＬＫＷ 兩種類型溫拌劑進行試驗。 ＳＭＣ（后文稱 Ｓ 型溫拌劑），主要成分是甲基苯乙烯類嵌段共聚 物，即芳烴油，降黏效果優(yōu)異［２１］ ，常溫下為淡黃色液 體；溫拌劑 ＬＫＷ（后稱 Ｌ 型溫拌劑） ［２２］ ，常溫下為黑 色液體狀。

　　２． １． ２　 溫拌高黏瀝青制備　 將優(yōu)化配比后的高黏 瀝青于 １７５ ℃烘箱加熱，每份瀝青 ３５０ ｇ，取多份保 溫備用。 分別向高黏瀝青中加不同質量分數(shù)的 Ｓ 型 及 Ｌ 型溫拌劑，恒溫攪拌 １０ ｍｉｎ，保溫 ３ ｍｉｎ，制得溫 拌高黏瀝青。

　　按溫拌劑類型與摻量不同對制得瀝青編號為 ＳＧＮ 和 ＬＧＮ，數(shù)字代表摻量，試樣編號見表 １４。

　　２． ２　 溫拌高黏瀝青性能

　　２． ２． １　 動力黏度　 動力黏度可以表征瀝青路面抗 水損壞、抗飛散性及耐久度。 選用真空減壓毛細管測 試，測試溫度（６０ ±０． １） ℃，負壓４０ ｋＰａ ±６６． ５ Ｐａ，結 果見圖 ４。

　　由圖 ４ 可知，摻 Ｓ 型溫拌劑的高黏瀝青動力黏 度隨摻量增加逐漸降低。 摻量 ６％ 時，高黏瀝青動 力黏度恰好滿足規(guī)范要求，表明 Ｓ 型溫拌劑摻量不 應大于 ６％ 。

　　高黏瀝青摻 Ｌ 型溫拌劑后，動力黏度未有顯著 變化，表明 Ｌ 型溫拌劑對瀝青動力黏度影響較小。

　　２． ２． ２　 瀝青技術指標　 對所用瀝青進行針入度、軟 化點，延度試驗，測試方法參照 ＪＴＧ Ｅ２０—２０１１《公 路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，結果見圖 ５ ～ 圖 ７。

　　由圖 ５ 可知，針入度隨 Ｓ 溫拌劑摻量變化較大， 表明其對高黏瀝青針入度影響顯著。 針入度隨Ｌ 溫 拌劑摻量變化較小，表明其對高黏瀝青的針入度影 響微弱。

　　由圖 ６ 可知，摻 Ｌ 溫拌劑的高黏瀝青軟化點變 化不大，而摻 Ｓ 溫拌劑的高黏瀝青軟化點顯著降低， 表明 Ｓ 溫拌劑對高黏瀝青軟化點具有不利影響。

　　由圖 ７ 可知，相比原樣瀝青，高黏瀝青延度隨 Ｓ 型溫拌劑摻量增加顯著增加，表明 Ｓ 型溫拌劑可 以顯著提高高黏瀝青低溫抗裂性能及抗塑性變形 能力。 高黏瀝青加入 Ｌ 型溫拌劑后延度略有變化， 即 Ｌ 溫拌劑對高黏瀝青延度影響甚微。

　　３　 溫拌劑效果評價及機理

　　３． １　 溫拌劑降黏效果

　　因布氏黏度試驗具有試驗便捷、結果易得等優(yōu) 點，本文選用布氏黏度評價溫拌劑的降黏效果，結 果見圖 ８ 和圖 ９。

　　由圖 ８ 可知，高黏瀝青黏度隨 Ｓ 型溫拌劑摻量 增大降幅明顯，表明 Ｓ 型溫拌劑具有良好的降黏 效果。

　　由圖 ９ 可知，高黏瀝青黏度隨 Ｌ 型溫拌劑摻量 增大降幅較小，且 ３ 個溫度下，降黏幅度均小于 １ Ｐａ·ｓ，表明 Ｌ 型溫拌劑對黏度影響較小。

　　３． ２　 溫拌高黏瀝青降黏機理分析

　　紅外光譜分析（ＦＴＩＲ）可以判別物質化學組成 及官能團。 采用透射法分析添加 Ｓ、Ｌ 型溫拌劑后 高黏瀝青的官能團變化，選取衰減反射法分析瀝青 試樣，結果見圖 １０ 和圖 １１。

　　由圖 １０ 可知， Ｓ 型高黏瀝青峰由原樣瀝青 （ＯＡ）的吸收峰及溫拌劑 ＳＭＣ 的吸收峰重疊而成， 其中并未產(chǎn)生新特征峰，證明 Ｓ 溫拌劑與高黏瀝青 無化學反應產(chǎn)生。 在 Ｓ 溫拌劑紅外光譜上的官能團 區(qū)域內有較多特征吸收峰，從峰值特征判定 Ｓ 型溫 拌劑存在甲基苯乙烯取代物［２３］ 。 ９６６ ｃｍ － １ 處存在 Ｃ—Ｎ 伸縮振動吸收峰。 證明 Ｓ 溫拌劑成分里有含 仲酰胺基的季銨鹽。 由此推測，Ｓ 型溫拌劑主要由 含仲酰胺基的季銨鹽和甲基苯乙烯取代物聚合形成，其主要通過疏油酰胺基團（ＲＣＯＮＨ２ ）、非極性親 油疏水苯基（—Ｃ６Ｈ４—）、親油烴鏈（—Ｃ３Ｈ５—） 降 低瀝青分子表面張力［２４］ ，有效降低拌和溫度，達到 溫拌效果。

　　由圖 １１ 可知，Ｌ 型溫拌瀝青吸收峰主要由原樣 瀝青吸收峰與溫拌劑吸收峰疊加，無新特征峰生 成，表明 Ｌ 型溫拌劑未與瀝青發(fā)生化學反應。 　 　 根據(jù) Ｌ 型溫拌劑光譜，從峰值特征判定 Ｌ 溫拌 劑主要由烯烴和醇類合成的聚氧乙烯類非離子表 面活性劑組成，Ｌ 型溫拌劑可能是以多元醇類非離 子表面活性劑成分為主，并摻有少量陽離子表面活 性劑成分組合而成。 作用機理為：在分子中的氧原 子與乳液中的水分子之間形成氫鍵，得到在分子間 起潤滑性的結構性水膜，減小了混合料拌合施工時 的阻力以達到溫拌效果。

　　４　 結論

　　（１）使用 ＤＥ 軟件設計得到最優(yōu)摻量的高黏瀝 青：彈性體 Ａ ６． １１２％ ，Ｃ５ 樹脂 ４． ０４０％ ，彈性體 Ｂ ４． ３９７％ ，相容劑 ３． ３６８％ ，穩(wěn)定劑 ０． ５％ ，實驗表明 瀝青低溫性能的預測值與實測值偏差僅 ５％ 左右， 證明響應曲面法在配比高黏瀝青組分上效果良好。

　　（２）試驗證明瀝青流變性能對 Ｓ 型（ＳＭＣ）溫拌 劑更敏感，且 Ｓ 型溫拌劑對高黏瀝青各性能均有較 大影響，為滿足 ６０ ℃ 動力黏度規(guī)范要求，其摻量不 應大于 ６％ 。 而 Ｌ 型（ＬＫＷ）溫拌劑對瀝青各性能影 響程度均較低。

　　（３）由溫拌瀝青黏溫曲線可知，隨 Ｓ 型溫拌劑 摻量增大，降溫幅度提高，表明 Ｓ 型溫拌劑降黏效果 良好；隨 Ｌ 型溫拌劑摻量增大，高黏瀝青布氏黏度降 低效果極小，即 Ｌ 型溫拌劑對瀝青性能影響非常小。 Ｓ 型溫拌劑對高黏改性瀝青具有更好的降黏效果。

　　（４）溫拌瀝青紅外光譜試驗表明，Ｓ 型溫拌劑及 Ｌ 型溫拌劑均通過物理共混實現(xiàn)瀝青改性。 Ｓ 型溫 拌劑借助其中含仲酰胺基的季銨鹽成分降低瀝青 分子表面自由能，從而達到降黏效果；Ｌ 型溫拌劑通 過多種表面活性劑成分在分子表面形成結構型水 膜，從而達到降黏效果。