羅浩原,邱延峻,趙碧云，蘇 婷,鄭鵬飛

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.道路工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031; 3.云南省生態(tài)環(huán)境科學研究院，云南 昆明 650034)

根據(jù)《國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013年—2030年)》，從現(xiàn)在起到2030年，還有2.6×104km國家高速公路亟待修建，這部分高速公路多集中在中國的川西高原、青藏高原等“三區(qū)三州”地區(qū)，這些地區(qū)全年平均氣溫低、自然生態(tài)環(huán)境敏感，極大地限制了瀝青公路的鋪筑速度，而添加瀝青溫拌劑成為解決上述問題行之有效的辦法.以剛竣工的雅康(雅安—康定)高速公路為例，該公路需要穿越的二郎山脈，全年有至少150d 的平均氣溫低于10℃，而其中的二郎山國家森林公園更是大熊貓的重要保護基地之一，對施工過程的環(huán)境影響要求極其嚴苛[1].因此，美德維實偉克公司生產(chǎn)的Evotherm M1表面活性型溫拌劑被應(yīng)用于該工程，該溫拌劑能使瀝青混合料的拌和溫度降低25℃左右，并能有效控制環(huán)境溫度在0～10℃內(nèi)的路面鋪筑質(zhì)量.但Evotherm M1在降低施工溫度的同時會顯著降低混合料的低溫抗裂性能，與目標服役環(huán)境的要求不符[2-3].通過調(diào)研和測試可知，在現(xiàn)在中國應(yīng)用較為廣泛的溫拌劑中，以Sasobit(南非產(chǎn))、Licomont BS(德國產(chǎn))和EC-120(中國產(chǎn))為代表的有機降黏型溫拌劑主要是利用其主要成分直鏈脂肪族碳氫化合物受熱熔化起物理潤滑作用，但這些蠟類似物的存在會顯著降低瀝青的低溫韌性[4-5]；以WAM-Foam(英國產(chǎn))和Asphalt min(德國產(chǎn))為代表的發(fā)泡降黏型溫拌劑主要是通過化學反應(yīng)時釋放結(jié)晶水引起瀝青體積膨脹而達到化學降黏的效果，但發(fā)泡引入的空隙和水分會顯著影響瀝青的性能[6-7]；以Evotherm(美國)公司旗下DAT、M1、ET為代表的表面活性型溫拌劑主要通過改變?yōu)r青質(zhì)分子的表面張力起到化學潤滑的作用，但這種分子間的作用力改變幾乎是永久的，也會影響瀝青的低溫性能[7-9].現(xiàn)階段幾乎所有的商業(yè)溫拌劑產(chǎn)品都會對瀝青的低溫性能造成裂化效果.

為了滿足溫拌劑在低溫和環(huán)境敏感情況下的應(yīng)用要求，本研究團隊研發(fā)了1種以無機硅膠為主要成分的三組分新型溫拌劑，利用旋轉(zhuǎn)平板黏度測試方法(RPV)[10]、基于溫度應(yīng)力的瀝青低溫臨界開裂溫度Tcr計算方法[11]、雙邊缺口拉伸試驗(DENT)[12]和室內(nèi)拌和過程中的環(huán)境氣體排放檢測[13]，對添加新型溫拌劑前后瀝青的拌和溫度與壓實溫度、低溫性能、疲勞性能和7種特征環(huán)境排放物的排放變化進行了分析，以期為中國路面材料及其性能評價方法的完善提供參考.

1 原材料及試驗方法

1.1 Siligate溫拌劑

Siligate溫拌劑是本團隊自主研發(fā)的以無機硅膠為主要基材的三組分復(fù)合配方溫拌劑，外觀為半透明流體.其降黏原理為硅膠小分子的物理潤滑，密度約為1.1g/cm3，建議摻量(1)文中涉及的摻量、比值等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.為瀝青質(zhì)量的5%～7%，本研究使用摻量為6%.Siligate溫拌劑可在瀝青加熱過程中(溫度約為軟化點以上30℃)直接添加，緩慢攪拌混合均勻，避免引入氣泡.Siligate溫拌劑利用了無機硅膠(組分A)敏感性弱、低溫韌性好的優(yōu)點對瀝青進行改性，活化劑(組分B)來提高Siligate溫拌瀝青對于集料的黏附性，溶解劑(組分C)來提高組分A和瀝青的拌和性.Siligate溫拌劑主要定位為1種可在降低施工溫度的同時，優(yōu)化瀝青膠結(jié)料低溫抗裂性能的新型環(huán)保溫拌劑.

1.2 其他試驗材料

本研究除了對自研Siligate溫拌劑進行測試，還選用了2種在中國應(yīng)用廣泛的溫拌劑產(chǎn)品Evotherm M1(簡稱M1)和Sasobit進行對照.M1溫拌劑為表面活性型溫拌劑，為暗黃色油狀流體，具有刺激性氨味.其密度約為0.96g/cm3，建議摻量為瀝青質(zhì)量的0.5%～1.0%[3]，本研究使用摻量為0.8%.Sasobit溫拌劑為有機降黏型溫拌劑，為白色顆粒狀物質(zhì).其熔點115℃，閃點286℃，密度0.90g/cm3，建議摻量為瀝青質(zhì)量的2%～5%[4]，本研究使用摻量為3%.

瀝青采用茂名苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青，分別加入6%Siligate、0.8%M1、3%Sasobit來配置瀝青膠結(jié)料，其主要技術(shù)指標如表1所示.

混合料采用SMA-13級配，設(shè)計級配如表2所示，油石比采用5.8%，集料采用玄武巖碎石，填料采用礦粉.

表1 瀝青膠結(jié)料的主要技術(shù)指標

表2 SMA-13瀝青混合料設(shè)計級配

1.3 旋轉(zhuǎn)平板黏度(RPV)測試

傳統(tǒng)瀝青施工溫度估計方法一般采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計對瀝青的135、165、175℃黏度進行測試并繪制黏溫曲線，而后以黏溫曲線上黏度范圍0.31～0.25Pa·s對應(yīng)的溫度范圍為混合料的壓實溫度，以黏度范圍0.19～0.15Pa·s對應(yīng)的溫度范圍為混合料的拌和溫度.但是部分研究中指出，由于布氏旋轉(zhuǎn)黏度測試過程中使用的剪切速率不可控，因此對溫拌劑的降黏效果存在捕捉不明顯、測試效率較低的問題[14].基于以上問題，本研究團隊提出了基于動態(tài)剪切流變儀的旋轉(zhuǎn)平板黏度(RPV)測試方法來替代布氏旋轉(zhuǎn)黏度測試作為瀝青混合料施工溫度確定的方法，該方法得益于動態(tài)剪切流變儀(DSR)可以在黏溫曲線的掃描測試中主動控制加載所使用的應(yīng)變和剪切速率，從而快速準確地計算出其施工溫度范圍.在之前研究中已經(jīng)對該黏度測試及施工溫度確定方法進行了完整的介紹[10]，在此不予贅述.

1.4 低溫臨界開裂溫度Tcr計算

由于溫拌劑具備拓展瀝青路面可施工溫度范圍的功效，未來溫拌劑的應(yīng)用環(huán)境多為冬季低溫地區(qū)，因此，溫拌劑對瀝青低溫造成的影響顯得尤為重要.現(xiàn)階段中國規(guī)范多采用低溫針入度、低溫延度和當量脆點等指標來評價瀝青的低溫性能，但這些評價指標多具有經(jīng)驗性，與實際瀝青混合料的低溫路用性能關(guān)聯(lián)度較小[15].美國戰(zhàn)略公路計劃(SHRP)提出的低溫PG分級，每6℃才進行1次等級劃分，其劃分跨度太大.Qiu等[16]的研究也說明：采用PG分級對相似瀝青，尤其是改性瀝青的低溫性能進行判斷時，其分辨精度很差.

本研究采用低溫臨界開裂溫度Tcr作為評估溫拌劑對瀝青低溫性能影響的指標[17].Tcr依托彎曲梁流變測試(BBR)獲得的勁度模量數(shù)據(jù)即可確定.Shenoy[18]研究證明，Tcr計算理論作為一種無強度試驗理論，其計算結(jié)果與直接拉伸試驗(DTT)結(jié)果具有良好的相關(guān)性.Tcr越小，證明瀝青可以在更低的環(huán)境溫度中服役而不會由于自身低溫應(yīng)力而開裂，即低溫抗裂性能越好.Tcr涉及的試驗過程十分簡單，但是對于求解Tcr所需的溫度應(yīng)力計算過程比較復(fù)雜.在本團隊之前的研究[11]中，已經(jīng)形成了一套完善的針對溫拌瀝青溫度應(yīng)力及Tcr的計算流程，在此就不予詳細介紹了.

1.5 雙邊缺口拉伸試驗(DENT)

同低溫分級類似，PG中溫分級也是SHRP提出用于評價瀝青中溫疲勞性能的手段，但是其按照失效溫度3℃梯度進行定級，同樣存在范圍過大，定級籠統(tǒng)的問題，很難對相似瀝青的疲勞性能做出更精細化的鑒別[19].雙邊拉伸缺口試驗(DENT)是由加拿大女皇大學引入，用于評價瀝青膠結(jié)料中溫疲勞性能的測試方法[20]，本研究團隊在此基礎(chǔ)上提出采用臨界裂紋尖端位移(CTOD)作為瀝青疲勞性能的評價指標，CTOD值越大，說明瀝青能承受的疲勞荷載越大，也就意味著該瀝青的疲勞性能越好.DENT方法依靠測力延度儀和自制的硅膠模具就可以實現(xiàn)對瀝青膠結(jié)料疲勞性能的測試，且疲勞評價指標CTOD是建立在斷裂功基礎(chǔ)上計算得到的，不受試件尺寸的影響.與疲勞因子(G*·Sinδ)相比，CTOD表征的瀝青膠結(jié)料疲勞性能與對應(yīng)瀝青混合料的疲勞性能測試(四點彎曲疲勞試驗)的相關(guān)性更好，且對于相似瀝青疲勞性能鑒別的精確度更高，對于DENT試驗及CTOD值的計算方法也在本研究團隊的前序研究[12]中進行了詳細的介紹.

1.6 室內(nèi)拌和過程中的環(huán)境排放物檢測

為了量化溫拌劑的減排效果，本研究在相同的實驗室拌和條件下(即室溫20℃、相對濕度60%的情況下，采用20L瀝青自動拌和鍋來拌和10kg瀝青混合料)，收集拌和鍋頂部唯一通風口處的氣體用于氣體成分的定量測試.對比了添加溫拌劑前后瀝青混合料拌和過程中CO2、CO、SO2、NOx、PM2.5、PM10、苯a芘(BaP)共計7種特征排放物[21]的排放情況.配置混合料采用的級配和油石比見1.2節(jié).試驗中的變量僅為溫拌劑種類及其對應(yīng)的拌和與壓實溫度，其計算過程將在2.1節(jié)中進行介紹.7種特征排放物的測定方法和參考標準見表3.

表3 7種廢棄物及其檢測方法

測試項目中CO、SO2、NOx、PM2.5、PM10是大氣中主要的特征污染物，其中CO2是造成溫室效應(yīng)的重要原因；SO2、NOx是酸雨的主要成因；PM2.5和PM10是霧霾的主要成分；BaP是瀝青煙的主要成分，為一級致癌物，嚴重威脅瀝青混合料生產(chǎn)和路面施工從業(yè)人員的身體健康[22].

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 降溫效果對比

通過RPV方法對4種瀝青膠結(jié)料進行黏度測試，獲得半對數(shù)坐標系中10℃升溫梯度下4種瀝青膠結(jié)料的黏溫曲線如圖1所示.參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行計算，其瀝青的黏溫曲線在半對數(shù)坐標系上可視作1條直線(即在半對數(shù)坐標系中符合y=A·eBx的擬合形式)；利用4條黏溫曲線計算得到的拌和溫度、壓實溫度結(jié)果如表4所示，具體分析如下：

圖1 4種瀝青膠結(jié)料的黏溫曲線Fig.1 Viscosity-temperature curves of four kinds of asphalt binders

3種溫拌劑在選用摻量下均具有相似的降溫效果，這是進行后續(xù)性能比較的基礎(chǔ).由于采用溫拌劑的首要任務(wù)是降低瀝青混合料的施工溫度，因此，在對比不同溫拌劑對瀝青其他性能的影響程度時，先決條件是這幾種溫拌劑在其摻量下具有相似的降溫效果.0.8%M1、3%Sasobit和6%Siligate均可使瀝青混合料拌和溫度降低13℃左右，壓實溫度降低14℃左右.因此，后續(xù)的性能測試均建立在此摻量上進行對比.

這里需要說明的是，由于SBS改性瀝青本身是一種高黏瀝青，相同摻量的溫拌劑對其拌和與壓實溫度(統(tǒng)稱“施工溫度”)的降低效果會顯著弱于普通基質(zhì)瀝青.例如：3%Sasobit可以使70#基質(zhì)瀝青的施工溫度下降25℃左右[23-24]，而本文中對SBS改性瀝青僅能降低14℃.但是一味追求降低施工溫度而不考慮溫拌劑帶來的性能影響，也是不符合應(yīng)用實際的.例如：若需使SBS改性瀝青的拌和溫度下降25℃，則Sasobit的摻量將到達9%，這將使瀝青低溫PG分級降低2級，完全改變了瀝青膠結(jié)料的品質(zhì)，也會嚴重超出工程成本，并不符合生產(chǎn)實際.因此，本文采用了上述3個摻量以求達到相似的降黏效果，作為其他性能對比的邊界條件，又不至于采用過大的溫拌劑摻量而導(dǎo)致瀝青膠結(jié)料的性能受到嚴重影響，失去對比意義.

表4 基于RPV方法的4種瀝青膠結(jié)料黏溫曲線測試結(jié)果

Siligate和傳統(tǒng)M1與Sasobit溫拌劑的黏溫曲線特征存在顯著區(qū)別.由圖1可知，傳統(tǒng)溫拌劑M1與Sasobit大幅降低了130～150℃范圍內(nèi)的瀝青黏度，但在溫度升高后(>150℃)，降黏效果變?nèi)?與傳統(tǒng)2種溫拌劑不同，在溫度較低時(130～150℃)，Siligate溫拌劑并沒有表現(xiàn)出優(yōu)秀的降黏效果，而隨著溫度升高(>150℃)，降黏效果越發(fā)顯著.原因主要為：Sasobit溫拌劑的熔點約為120～140℃，其通過自身熔化起到潤滑作用，因此，降黏效果顯著的溫度區(qū)間在其熔點附近[25]；而M1溫拌劑的本質(zhì)為季銨鹽表面活性劑，其發(fā)揮降黏效果的機理是其中含有的酰胺鍵在130℃附近電離出季銨鹽陽離子，起降低瀝青質(zhì)分子表面能的作用[26]，因此二者在120～140℃ 下的降黏效果顯著.

2.2 低溫臨界開裂溫度對比

參照1.4節(jié)中低溫應(yīng)力與低溫臨界開裂溫度的計算方法，對4種瀝青進行分析，假定溫度應(yīng)力計算的起始溫度為10℃，終止溫度為-40℃，降溫速率為2℃/h，計算得到瀝青膠結(jié)料低溫應(yīng)力σ的變化曲線和低溫臨界開裂溫度Tcr，見圖2和表5.進一步地，采用p值檢驗法對原始SBS改性瀝青和各個溫拌SBS改性瀝青低溫應(yīng)力的差異性進行了檢驗.若p值小于0.05，則可認為該溫拌劑對瀝青在低溫連續(xù)降溫環(huán)境中的應(yīng)力積累總量造成了顯著的影響.同時，也采用p值檢驗法對溫拌劑添加前后Tcr的差異性進行了檢驗，若p值小于0.05，則可以認為該溫拌劑對瀝青的Tcr造成了顯著的影響.p值變化曲線見圖2.

圖2 瀝青膠結(jié)料的低溫應(yīng)力σ及其p值的變化曲線Fig.2 Viriation curves low temperature stress and p-value of asphalt binders

表5 瀝青膠結(jié)料的低溫臨界開裂溫度

通過Tcr可以對瀝青膠結(jié)料的低溫抗裂性能作出明確劃分，即SBS+6%Siligate>SBS>SBS+0.8%M1>SBS+3%Sasobit.圖2的低溫應(yīng)力曲線顯示，當溫度還未降至-10℃以下時，各個瀝青內(nèi)部的應(yīng)力積累緩慢且總量不大，SBS改性瀝青與任意溫拌瀝青間低溫應(yīng)力的p值也均大于0.05，可認為在統(tǒng)計上沒有差異.當溫度降至-10℃以下時，溫拌劑對瀝青膠結(jié)料低溫應(yīng)力積累總量的影響逐漸顯現(xiàn)，其中只有SBS+6%Siligate的低溫應(yīng)力曲線的位置是低于原始SBS改性瀝青的，說明新型溫拌劑對瀝青膠結(jié)料在連續(xù)降溫過程中低溫應(yīng)力積累總量起到了松弛效果，從而降低了瀝青膠結(jié)料的Tcr，起到了優(yōu)化了瀝青低溫抗裂性能的作用，這是其余2種溫拌劑所不具備的性能特點，也是Siligate適用于低溫環(huán)境的關(guān)鍵.與Siligate相反，Sasobit則顯著增加了SBS改性瀝青在連續(xù)降溫過程中的低溫應(yīng)力積累總量，劣化了瀝青的低溫抗裂性能.溫拌劑M1則在整個溫度變化范圍內(nèi)對于SBS改性瀝青的低溫應(yīng)力都不存在統(tǒng)計意義上的影響(p>0.05)，表明該溫拌劑對瀝青的低溫抗裂性能影響不大.

2.3 疲勞性能對比

4種瀝青膠結(jié)料的CTOD值測試結(jié)果如圖3所示.CTOD越大，證明瀝青膠結(jié)料的疲勞性能越好.因此，瀝青膠結(jié)料的疲勞性能排序為SBS+6%Siligate>SBS+0.8%M1>SBS>SBS+3%Sasobit；顯然，溫拌劑M1和Siligate都具備能夠優(yōu)化瀝青疲勞性能的能力，相較原始瀝青，這二者的CTOD值分別提升了約35%和60%，自研的Siligate溫拌劑表現(xiàn)更為出色.而SBS+3%Sasobit的CTOD值是唯一小于原始SBS改性瀝青的(CTOD值下降了60%)，證明其劣化了原始瀝青的疲勞性能，在這一點上，由CTOD得出的結(jié)論同PG中溫分級一致.但是，在PG中溫分級的判斷下，SBS+0.8%M1和SBS也是同一疲勞性能分級，CTOD給出的結(jié)果則證明添加溫拌劑M1后，SBS改性瀝青的疲勞性能有所提高.這是由于PG中溫分級籠統(tǒng)的劃分機制，對于相似瀝青疲勞性能的鑒別精度有限造成的.

圖3 4種瀝青膠結(jié)料的CTOD值Fig.3 CTOD values of 4kinds of asphalt binders

2.4 環(huán)境排放物對比

4種瀝青混合料在拌和過程中產(chǎn)生的7種特征環(huán)境排放物的定量檢測結(jié)果如表6所示.顯然，無論添加哪一種溫拌劑都可以降低瀝青混合料的拌和溫度，而拌和溫度的下降則進一步導(dǎo)致排放物的產(chǎn)生放緩.值得注意的是，添加3種溫拌劑后，CO2、CO、SO2、NOx和BaP的排放量下降比較明顯，但PM2.5和PM10的排放量幾乎沒有變化，這主要是由于這2種物質(zhì)主要是拌和過程中揚起的細小粉塵顆粒，而與拌和溫度的高低沒有關(guān)聯(lián).

表6 7種廢棄物排放量的變化關(guān)系

由于Siligate不是碳基化合物，因此，其在CO2、CO和BaP的減排方面表現(xiàn)最佳，可以有效降低CO2排放量50%以上，降低CO排放量82%，降低BaP排放量80%，但是對于SO2的降低程度則不如其他2種溫拌劑.而溫拌劑M1的主要成分是季銨鹽表面活性劑，其中富有較多NH4+，容易在高溫下轉(zhuǎn)化為氮氧化合物[26]，因此該溫拌劑在NOx減排上的效果略弱.值得強調(diào)的是，對于一級致癌物質(zhì)BaP，雖然在添加溫拌劑后，其排放量已經(jīng)得到顯著控制，但是仍然超出致癌濃度(12.7ng/m3)多倍[22].而通過排放物測試監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，不添加溫拌劑的SBS改性瀝青混合料在制備時，BaP排放量超出允許值111倍；對于BaP減排效果最好的Siligate溫拌劑，其BaP排放量仍然超出允許值23倍.

3 結(jié)論

(1)本研究介紹了一種以無機硅膠為主要成分的三組分新型瀝青溫拌劑Siligate，定位于低溫寒冷地區(qū)的道路鋪筑.研究發(fā)現(xiàn)6%的Siligate溫拌劑，0.8%的Evotherm M1溫拌劑和3%的Sasobit溫拌劑對選用的SBS改性瀝青具有相似的降溫效果，可以使瀝青混合料的拌和溫度降低13℃左右，壓實溫度降低14℃左右.

(2)Siligate溫拌劑可以使SBS改性瀝青的低溫應(yīng)力積累總量和低溫臨界開裂溫度Tcr顯著降低，起到優(yōu)化瀝青低溫抗裂性能的作用，這是同類產(chǎn)品所不具備的；對比產(chǎn)品中，Sasobit會顯著劣化瀝青的低溫抗裂性能，而Evotherm M1 對該性能無明顯的改變.

(3)添加Siligate溫拌劑后，SBS改性瀝青的在常溫下抗疲勞斷裂的能力也有所提升；Siligate溫拌劑還能顯著降低拌和過程中碳基化合物的排放.相較熱拌瀝青，Siligate溫拌劑可使CO2排放量降低50%以上，CO排放量降低82%，BaP排放量降低80%，在3種溫拌劑中表現(xiàn)最佳.

(4)Siligate溫拌劑可以優(yōu)化瀝青膠結(jié)料低溫抗裂性，常溫抗疲勞性能，減少廢棄物排放量，尤其適用于冬季低溫和環(huán)境敏感的高原、高海拔地區(qū)的路面溫拌鋪筑工程.