Evotherm温拌剂对沥青混合料压实特性影响研究_邵利平.pdf

收稿日期：2023-04-07基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFB2602603）；国家自然科学基金（52008353）；香江学者项目（XJ2022040）；四川省青年科技创新研究团队（2021JDTD0023，2022JDTD0015）作者简介：邵利平，男，工程师，学士，主要从事道路工程项目生产与技术管理工作。通讯作者：颜川奇，男，副教授，博士，主要研究方向为新型路面材料改性与研发。引文格式：邵利平，谢斌，王嘉昕，等.Evotherm 温拌剂对沥青混合料压实特性影响研究 J.市政技术，2023，41（5）：231-236，245.（SHAO LP，XIE B，WANG J X，et al.Study on effect of Evotherm warm mixture on compaction characteristics of asphalt mixture J.Journal of mu-nicipal technology，2023，41（5）：231-236，245.）文章编号：1009-7767（2023）05-0231-07第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.231Journal of Municipal TechnologyEvotherm 温拌剂对沥青混合料压实特性影响研究邵利平1，谢斌2，3，王嘉昕2，3，颜川奇2，3*，王裕盛4（1.中铁宜宾投资建设有限公司，四川 宜宾 644000；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 611756；3.道路工程四川省重点实验室，四川 成都 610031；4.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200040）摘要：选用基质沥青、SBS 改性沥青和 Evotherm 温拌剂制备了温拌沥青（Evotherm 3G 温拌剂掺量为沥青质量的 1%，外掺），结合常规三大指标试验和温度扫描试验分析了 Evotherm 温拌剂对沥青混合料性能的影响；利用旋转压实仪在不同压实温度下（90、130）成型沥青混合料试件，并通过试件的压实高度曲线、空隙率研究了 Evotherm 温拌剂对沥青混合料压实特性的影响。研究结果表明：掺入 Evotherm 3G 温拌剂，可增大沥青针入度、提高沥青低温延展性，且对沥青流变性能没有显著影响；压实温度过低时，Evotherm 3G 温拌剂对试件压实效果的改善不明显；对于黏度较低的基质沥青，Evotherm 3G 温拌剂对沥青混合料压实特性影响较小。该研究成果可为实际工程提供参考。关键词：Evotherm 温拌剂；三大指标；压实特性；空隙率；旋转压实高度曲线中图分类号：U 414文献标志码：AStudy on Effect of Evotherm Warm Mixture on Compaction Characteristics ofAsphalt MixtureShao Liping1，Xie Bin2，3，Wang Jiaxin2，3，Yan Chuanqi2，3*，Wang Yusheng4（1.China Railway Yibin Investment and Construction Co.，Ltd.，Yibin 644000，China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China；3.Sichuan Provincial Key Laboratory of Road Engineering，Chengdu 610031，China；4.China Railway Shanghai Bureau Group Co.，Ltd.，Shanghai 200040，China）Abstract：Warm mix asphalt（Evotherm 3G warm mix content is 1%of asphalt mass，external admixture）was pre鄄pared by selecting matrix asphalt，SBS modified asphalt and Evotherm warm mix.Combined with the conventionalthree performance indicators（penetration，ductility，softening point）test and temperature scanning test，the effectof Evotherm warm mix on the performance of asphalt cement was analyzed；The rotary compactor was used to formasphalt mixture specimens at different compaction temperatures（90，130 C）.The influence of Evotherm warm mixon the compaction characteristics of asphalt mixture was studied by the compaction height curve and porosity of thespecimens.The results show that the addition of Evotherm 3G warm mix can increase the penetration of asphalt andimprove the low-temperature ductility of asphalt，and has no significant effect on the rheological properties of as鄄phalt；When the compaction temperature is too low，the compaction effect of Evotherm 3G warm mix is not obvious；For matrix asphalt with low viscosity，Evotherm 3G warm mix has little effect on the compaction characteristics ofasphalt mixture.The research results can provide reference for practical engineering.Keywords：Evotherm warm mix；three indicators；compaction characteristics；porosity；rotary compaction height curveJournal of Municipal Technology第41卷改革开放以来，我国在公路交通基础设施建设方面取得了巨大的成就，高速公路总里程位居世界第一1。然而，交通基础设施建设过程是高能耗、高碳排放的过程，也是我国节能减排的重点领域，因此，为了实现“碳中和”的目标，交通行业必须采取相应措施。温拌技术是在沥青路面建设中应用的一种新技术，能够解决传统热拌施工过程中的高能耗和高碳排放等问题，可使沥青混合料的拌和温度介于热拌和常温沥青混合料之间，性能达到或接近热拌沥青混合料，同时可降低有害气体排放量，进而改善施工环境2。基于表面活性原理的Evotherm温拌剂具有掺量小、掺入方便等优点，因此，研究Evotherm温拌沥青混合料压实特性对现场施工具有重要的实际意义。国内外学者基于Evotherm温拌剂对沥青、沥青混合料性能的影响进行了大量研究。张扬3通过研究发现，掺入Evotherm温拌剂可提高SBS改性沥青的高温性能，影响SBS改性沥青的温度敏感性，并可降低其高温黏度；王朝辉等4对比了市面上常用的温拌剂，发现Evotherm 3G温拌剂的降温效果可达到30，但与其他温拌剂对沥青混合料性能的影响差异较大；Hurley等5通过研究发现，掺入温拌剂后，采用旋转压实或震动压实成型试件的方法均可改善沥青混合料的压实特性，即在相同的压实功作用下，温拌沥青的空隙率更小；王志美6分别采用马歇尔击实仪、旋转压实仪和轮碾仪成型的方法，研究了温拌沥青混合料的压实特性，发现无论采用什么试验方法，在掺入温拌剂后，沥青混合料的压实特性均有一定程度的提高。目前，在Evotherm温拌剂对沥青性能、沥青混合料压实特性影响方面已有大量研究成果，但大多通过比较传统热拌沥青混合料和温拌沥青混合料的压实特性来评价温拌剂效果。基于此，笔者研究分析不同压实温度（90、130）下，Evotherm 3G温拌剂对沥青混合料压实特性的影响，以期为实际工程提供参考。1试验材料与方法1.1沥青试验使用的改性沥青由70号基质沥青制备而成，改性剂采用线性SBS（掺量为基质沥青质量的4.2%）。SBS改性沥青制备工艺见图1，2种沥青性能指标见表1。1.2Evotherm温拌剂试验选用Evotherm 3G温拌剂，它是一种表面活性型温拌剂，其在室温下为褐色黏稠状液体，有刺激性气味，可通过极性（亲油）部分和非极性（亲水）部分降低沥青黏度。其中一种亲水成分是聚酰胺（强极性化合物），且酰胺基（-CONH-）中的氮原子具有较强的亲电性，易与水分子形成氢键和静电相互作用，在沥青混合料中可提高亲水性；亲油成分是石油类化合物或其他有机化合物，这些化合物通常是非极性的，能够与沥青中的非极性组分相容，从而提高沥青混合料的流动性和均匀性。Evotherm 3G温拌剂见图2。1.3温拌沥青制备结合国内外研究资料和试验经验，确定Evotherm3G温拌剂掺量为沥青质量的1%（外掺），温拌沥青试验项目基质沥青改性沥青针入度（25，100 g，5 s）/0.1 mm延度（5，5 cm/min）/cm软化点/黏度（135）/（Pas）PG分级65.1脆断48.30.5582251.720.482.11.97622表1基质沥青、改性沥青性能指标Tab.1 Performance indicators of matrix asphalt andmodified asphalt图1SBS改性沥青制备工艺Fig.1 The preparation process of SBS modified asphalt图2Evotherm 3G温拌剂Fig.2 Evotherm 3G warm mixture232第5期筛孔尺寸/mm13.29.54.752.361.180.60.30.150.075100.085.068.050.038.028.020.015.08.090.068.038.024.015.010.07.05.04.095.076.553.037.026.519.013.510.06.0上限值质量通过率/%下限值所用级配值表2AC-13型级配信息Tab.2 AC-13 grading information制备工艺如下：1）温拌基质沥青将适量的基质沥青在160 的环境中加热至流动状态；温度保持160，向基质沥青中缓慢掺入Evotherm 3G温拌剂，并使用搅拌机缓慢搅拌；将搅拌机转速提升至600 r/min，搅拌10 min，使Evotherm3G温拌剂充分分散至基质沥青中，最终得到温拌基质沥青。2）温拌改性沥青将所需改性沥青放入175 的烘箱中加热，使其完全熔化；向流动状态的改性沥青中掺入Evotherm3G温拌剂，并使用搅拌机缓慢搅拌；将搅拌机转速提升至600 r/min，搅拌10 min，使Evotherm 3G温拌剂充分分散至改性沥青中，最终得到温拌改性沥青。1.4沥青混合料制备现有研究结果表明，与其他室内压实方法相比，旋转压实试件更贴近现场施工质量7。因此，该研究采用旋转压实试件制作方法（SGC方法）制备沥青混合料试件。级配选取AC-13型矿料级配中值，粗集料选用玄武岩，细集料和矿粉均选用石灰岩，集料主要性能指标满足JTG E422011公路工程集料试验规程要求。AC-13型级配信息见表2。通过试验最终确定沥青混合料最佳油石比为4.7%，为了便于比较，沥青混合料采用相同的油石比。在沥青混合料配合比设计中发现，拌和温度和压实温度对沥青混合料质量影响较大，基于温拌剂在寒冷地区的实际应用，选取2个常用的压实温度（90、130）8-9，由旋转压实仪成型直径为150 mm的沥青混合料试件，并通过控制压实次数压实试件，压实次数为100次，压强为（60010）kPa。1.5试验方法1.5.1沥青常规指标依据JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程分别测试沥青的针入度、延度、软化点和135 旋转黏度，并结合规范要求评价沥青软硬程度、低温性能、高温性能和表观黏度。1.5.2温度扫描该研究采用DHR-3型动态剪切流变仪，分别进行温度扫描试验和多应力蠕变恢复试验，并对沥青高温性能进行系统评价。依据AASHTO T 3152020进行温度扫描，平行板直径为25 mm（需根据具体试验条件选用平行板规格），试件厚度为1 mm，测试温度为5282，每隔6 采集1个数据点，应变为1%，加载频率为10 rad/s（1.59 Hz）。1.5.3混合料空隙率依据JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的压实沥青混合料密度试验（表干法）测试压实试件的空隙率。1.5.4混合料旋转压实高度曲线依据JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的沥青混合料试件制作方法（击实法）成型AC-13型旋转压实试件，进而得到试件旋转压实高度曲线。2试验结果与分析2.1温拌剂对沥青性能影响2.1.1常规指标（见表3）由表3可知，掺入Evotherm 3G温拌剂后，沥青针入度略微增大，说明沥青与Evotherm 3G温拌剂共混后，在常温状态下更软；掺入Evotherm 3G温拌剂可提高沥青延度，其中温拌改性沥青的延度提高了23%，温拌基质沥青在5 时不再发生脆断；基质沥青和改性沥青的软化点在掺入Evotherm 3G温拌剂前后无显著差异，考虑到试验允许误差和试件可能级配范围上限值下限值所用级配值100.090.095.085.068.076.568.038.053.050.024.037.038.015.026.528.010.019.020.07.013.5筛孔尺寸/mm13.29.54.752.361.180.60.3表2AC-13型级配信息Tab.2 AC-13 grading information试验项目基质沥青改性沥青温拌基质沥青温拌改性沥青针入度（25，100g，5s）/0.1mm延度（5，5cm/min）/cm软化点/黏度（135）/（Pas）65.1脆断48.30.551.720.482.11.971.63.247.70.456.325.180.81.6表3沥青基本性能指标Tab.3 Basic performance indicators of asphalt邵利平等：Evotherm温拌剂对沥青混合料压实特性影响研究233Journal of Municipal Technology第41卷存在细微差异，因而可认为Evotherm 3G温拌剂不会影响沥青软化点；掺入Evotherm 3G温拌剂可降低沥青黏度，其中改性沥青黏度下降幅度较大。2.1.2温度扫描（见图3）a）复数模量随温度变化规律b）相位角随温度变化规律图3沥青复数模量、相位角随温度变化规律Fig.3 Changing law of complex modulus and phase angle of asphalt with temperature由图3可知，试验温度为5282 时，掺入Evotherm 3G温拌剂可降低沥青复数模量，说明Evotherm 3G温拌剂可使沥青变软，这与上述针入度试验结果相符合。基质沥青和温拌基质沥青的相位角均随着试验温度的升高而增大，表明黏性组分的比例相对增加；改性沥青和温拌改性沥青的相位角均随着试验温度的升高而减小，表明沥青弹性增加。这是因为此时沥青中的SBS主导了沥青体系的流变行为，进而导致这一特殊现象的出现10。2.2温拌剂对沥青混合料压实特性影响2.2.1压实高度曲线为研究沥青混合料试件体积指标随压实次数的变化规律，绘制不同压实温度下（90、130）沥青混合料试件压实高度曲线，见图4。由图4可知，当压实温度为130，压实次数相同时，温拌改性沥青压实高度大于改性沥青，二者的压实高度差先减小后增大，且在达到峰值（约1.3mm）后开始下降，当压实次数达到45次后，二者的压实高度差稳定在0.6 mm左右；基质沥青压实高度大于温拌基质沥青，二者的压实高度差在0.9 mm上下波动，且波动幅度较小。当压实温度降低至90，压实次数相同时，温拌改性沥青压实高度大于改性沥青，且二者的压实高度差从初压（压实次数为1次）时的峰值开始下降，当压实次数达到30次后，二者的压实高度差稳定在0.1 mm左右，此时可认为0.1 mm在允许误差内，二者不存在压实高度差；温拌基质沥青压实高度小于基质沥青，且在压实次数达到35次后，二者的压实高度差稳定在0.1 mm左右。从压实高度差来看，掺入Evotherm 3G温拌剂并未对改性沥青起到温拌作用。但考虑到试件初压高度不统一，可能会对分析结果造成一定程度的影响，为了更准确地分析Evotherm 3G温拌剂对沥青混合料a）90 下改性沥青与温拌改性沥青压实高度b）90 下基质沥青与温拌基质沥青压实高度234第5期a）130 下改性沥青与温拌改性沥青压实密度比b）130 下基质沥青与温拌基质沥青压实密度比c）90 下改性沥青与温拌改性沥青压实密度比d）90 下基质沥青与温拌基质沥青压实密度比图5归一化处理后试件密度比随压实次数变化曲线Fig.5 Variation curves of the density of the specimen with the compaction number after normalization压实特性的影响，利用式（1）对试件初压密度和压实完成后密度进行归一化处理。*=-初末-初。（1）式中：*为不同压实次数下对试件密度进行归一化处理后的密度比；为不同压实次数下试件密度，g/cm3；初为初压试件密度，g/cm3；末为压实完成后试件密度，g/cm3。归一化处理后试件密度随压实次数变化曲线见图5。由图5可知，当压实温度为130，压实次数为c）130 下改性沥青与温拌改性沥青压实高度d）130 下基质沥青与温拌基质沥青压实高度图4不同压实温度下沥青混合料试件压实高度曲线Fig.4 Compaction height curves of asphalt mixture specimen at different compaction temperatures邵利平等：Evotherm温拌剂对沥青混合料压实特性影响研究235Journal of Municipal Technology第41卷2550次时，温拌改性沥青密度迅速提高，表明掺入Evotherm 3G温拌剂可显著提高沥青混合料试件的压实密度，但对低黏度基质沥青的压实密度无显著影响。当压实温度为90 时，Evotherm 3G温拌剂对改性沥青无温拌作用，但在压实前期（压实次数为1040次）可提高基质沥青混合料压实效果。2.2.2空隙率旋转压实试件空隙率是评价混合料压实效果的重要参数，该研究测定了不同压实温度下旋转压实试件的空隙率，结果见图6。由图6可知，当压实温度为90时，Evotherm3G温拌剂对基质沥青、改性沥青没有温拌压实效果，原因是压实温度过低会导致温拌沥青黏度较高，而Evotherm 3G温拌剂无法消除这一影响；当压实温度提高至130 时，Evotherm 3G温拌剂可改善改性沥青压实效果，但对基质沥青则没有温拌压实效果，这可能是由于基质沥青黏度较低，而Evotherm 3G温拌剂对基质沥青黏度没有显著影响。研究结果表明，Evotherm 3G温拌剂对最低压实温度有要求。这与上述沥青混合料试件压实密度指标结果相符合。3结论选用基质沥青、SBS改性沥青和Evotherm温拌剂制备了温拌沥青（Evotherm 3G温拌剂掺量为沥青质量的1%），通过常规三大指标试验和温度扫描试验研究了Evotherm 3G温拌剂对沥青混合料性能的影响。利用旋转压实仪在不同压实温度下（90、130）成型沥青混合料试件，通过试件旋转压实高度曲线和空隙率分析了Evotherm 3G温拌剂对沥青混合料压实特性的影响。主要结论如下：1）掺入Evotherm 3G温拌剂后，沥青针入度增大，黏度降低，低温延展性得到了提升，而软化点无明显变化。2）基于5282 的温度扫描试验，Evotherm 3G温拌剂可降低沥青复数模量，但对相位角无明显影响。3）对于黏度较低的基质沥青，Evotherm 3G温拌剂对沥青混合料压实特性影响较小。4）当压实温度过低时，Evotherm 3G温拌剂对压实效果的改善不明显。参考文献1中国公路学报编辑部.中国路面工程学术研究综述2020J.中国公路学报，2020，33（10）：1-66.（Editorial Departmentof China Journal of Highway and Transport.Review on Chinaspavement engineering research2020J.China journal of high-way and transport，2020，33（10）：1-66.）2邱延峻，罗浩原，张家康，等.热拌与温拌沥青路面生产施工排放物对比J.长安大学学报（自然科学版），2020，40（1）：30-39.（QIUYJ，LUOHY，ZHANGJ K，et al.Comparative of emis-sions from production and construction of hot mix and warmmix asphalt pavementJ.Journal of Changan University（natu-ral science edition），2020，40（1）：30-39.）3张扬.温拌SBS改性沥青热氧老化前后性能研究D.呼和浩特：内蒙古工业大学，2018.（ZHANG Y.Study on properties ofwarm mixed SBS modified asphalt based on before and afterthermal oxidation agingD.Hohhot：Inner Mongolia Universityof 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University，2021.）其他作者：李聪林，男，工民建（中级），学士，主要从事工程管理工作。黄绍宁，男，在读硕士研究生，主要研究方向为混凝土材料耐久性。刘梦辉，男，在读硕士研究生，主要研究方向为混凝土材料耐久性。蒲励耘，男，讲师，博士，主要研究方向为混凝土材料。李福海，男，高级工程师，博士，主要从事混凝土材料耐久性研究工作。（上接第 236 页）5HURLEY，GRAHAMC，BRIANDP.Evaluationofpotentialpro-cesses for use in warm mix asphaltJ.Journal of the associationof asphalt paving technologists，2006，75：41-90.6王志美.温拌沥青路面混合料压实特性研究D.重庆：重庆交通大学，2011.（WANG Z M.Study on compaction character-istics of warm mix asphalt mixtureD.Chongqing：ChongqingJiaotong University，2011.）7袁迎捷.Superpave沥青混合料设计方法与压实原理研究D.西安：长安大学，2001.（YUAN Y J.Research on design methodandcompactionprincipleofSuperpaveasphaltmixtureD.Xian：Changan University，2001.）8石宜清，李文凯，邵景干，等.降黏温拌沥青混合料路用性能研究J.交通科学与工程，2022，38（3）：11-18.（SHI Y Q，LIW K，SHAO J G，et al.Study on road performance of viscosityreducing warm mix asphalt mixtureJ.Journal of transport sci-ence and engineering，2022，38（3）：11-18.）9段鹏鹏，徐肖龙，曹巍巍，等.沥青混合料温拌技术的应用研究进展J.上海公路，2022，166（3）：90-94，166.（DUAN P P，XUXL，CAOWW，etal.Research progressin the application 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onpreparation and photocatalytic degradation performance of g-C3N4new asphalt pavement materialsD.Chongqing：Chongqing Jiao-tong University，2017.）其他作者：段墨渲，男，助理工程师，硕士，主要从事道路和交通工程设计工作。黎文杰，男，在读硕士研究生，主要研究方向为道路工程材料与结构。夏立翔，男，在读硕士研究生，主要研究方向为道路工程材料与结构。李新舟等：3DOM TiO2雾封层材料对NOx的降解性能研究245