表面活性剂型沥青温拌剂Alube的技术性能研究

Study on Technical Properties of Surfactant-Based Asphalt Warm Mix Additive Alube

摘要: 为了研究新型表面活性剂型沥青温拌剂Alube对沥青技术性能的影响，并与常用的同类温拌剂Evotherm进行对比，分别将其掺入70#沥青中配制不同掺量的温拌沥青。通过试验测试了温拌沥青的接触角、三大指标、布氏黏度和复数模量等，并通过变速拌和试验研究了温拌沥青混合料拌和流动特性，分析了其温拌效果。结果表明：Alube与Evotherm均基本不改变沥青的三大指标和布氏黏度，而是直接降低混合料的拌和黏度；两种温拌剂均提高了沥青的复数模量G*，改善了沥青的高温抗变形能力。变速拌和试验结果表明Alube和Evotherm温拌效果良好，70#沥青在0.7%的Alube和Evotherm剂量下可分别降低拌和温度约21℃和14℃。

Abstract: In order to study the influence of the new surfactant-based asphalt warm mix additive Alube on technical properties of asphalt, and compare it with the similar warm mix additive Evotherm which is commonly used, they were mixed into 70# asphalt to prepare different dosages of warm mix asphalt. Then the contact angle, three indexes and Brinell viscosity of warm mix asphalt were tested. The mixing flow characteristics of warm mix asphalt mixture were studied by variable speed mixing test, and the mixing effect and road performances of warm mix asphalt mixture were analyzed. The results showed that Alube and Evotherm did not change the three indexes of asphalt and Brinell viscosity, but directly reduced the mixing viscosity of the asphalt mixture. The results of variable speed mixing test showed that the warm mix effect of Alube and Evotherm was good. The mixing temperature of 70# asphalt could be reduced by about 21˚C and 14˚C respectively at 0.7% Alube and Evotherm dosage. In addition, the road performance of the mixture was improved by both warm mix additives.

1. 引言

沥青路面具有开放交通早、易于维修养护等优势 [1] ，但传统的热拌沥青混合料在生产施工中存在诸多弊端如较高的施工温度和能源消耗等。温拌技术改善了这一弊端，目前温拌技术分为发泡技术、有机降黏技术和表面活性剂型温拌技术 [2] [3] 。相比于前两种技术对沥青技术性能的影响，表面活性剂型温拌剂对沥青的基本性能几乎无影响，主要在沥青与集料的粘结界面起作用，因此具有广阔的发展前景 [4] [5] [6] 。

表面活性剂型沥青温拌剂由美国维实伟克公司首次研发并命名为Evotherm [7] ，此后国外学者经过不断尝试研发了其他表面活性剂型温拌剂，其中常见的还有法国阿科玛公司的Cecabase RT温拌剂和荷兰阿克苏诺贝尔公司的Rediset温拌剂等。目前已经对表面活性剂型温拌剂做了大量研究，Biswajit K. Bairgi等人 [8] 通过汉堡车辙和冻融劈裂试验研究了泡沫沥青、Evotherm温拌沥青和Cecabase温拌沥青混合料的性能，结果表明其抗车辙性能和抗剥落性能相近，TSR ≥ 0.85。Gordon D. Airey等 [9] 研究了Rediset温拌沥青的流变特性和黏附性能。结果表明，Rediset温拌剂降低沥青的表面自由能，增加沥青的拉伸强度，从而降低沥青混合料水敏感性。赵黎明等 [10] 通过对比分析了5种试验方法是否适用于评价表面活性剂型温拌剂降温效果。试验表明体积指标法和旋转压实曲线法较可靠，黏温曲线不适用，拌和电流法基本可行，但需改进拌和设备。

本文通过研究一种Alube国产的表面活性剂型温拌剂对沥青技术性能、流变性能及对混合料路用性能的影响，用变速拌和试验评价了Alube的温拌效果，有利于对国产表面活性剂型温拌剂的研发和推广，具有重要的现实意义。

2. 试验

2.1. 材料与仪器

2.1.1. 试验材料

本文选择了最常用的70^#沥青，由陕西宝利有限公司提供，70^#沥青的延度符合规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004) [11] 中C类的要求。

Alube温拌剂是成都鑫利公路材料开发有限公司研发的一款表面活性剂型沥青温拌剂。Alube为粘稠状液体；气味为草香味，相比于Evotherm的气味更清淡。其物理性状见表1。为了考察不同剂量下的Alube对沥青及混合料技术性能的影响，和技术性能随剂量增加的变化规律，本文确定其添加剂量为0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。

为考察温拌剂Alube与目前市场上成熟的表面活性剂型温拌剂技术性能之间的差异，选择了美国维实伟克公司研发的第三代表面活性剂型温拌剂Evotherm 3G与之对比。

温拌沥青试样制备方法为：将70^#沥青加热至流动状态(135℃)，按比例将温拌剂按所需比例加入沥青中，充分搅拌均匀即可，基质沥青和各温拌沥青的编号见表2。

Table 1. Physical properties of warm mix additive Alube

表1. Alube温拌剂的物理性状

Table 2. Number of asphalt and warm mix asphalt samples

表2. 沥青及温拌沥青试样编号

2.1.2. 仪器

FM300高剪切分散乳化机；光学接触角测量仪；NDJ-1C型布氏旋转黏度计；DHR-2型动态剪切流变仪；变速拌和试验装置等。

2.1.3. 沥青混合料的制备

Table 3. AC-13 composite gradation

表3. AC-13合成级配

本文对70^#沥青进行配合比设计，温拌沥青混合料采用对应基础沥青混合料的配合比。本文选用集料和矿粉统一采用石灰岩，其技术性能均满足《公路工程集料试验规程》的相关要求。按规范给出的马歇尔配合比设计方法进行配合比设计，选择沥青混合料级配为AC-13C型，其合成级配见表3。经计算，70^#沥青混合料的最佳油石比为4.8%。

2.2. 试验方法

2.2.1. 接触角试验

将一滴液体滴在固体表面上，因为体系的性质不同，液体在固体表面上的形状将会不同 [12] 。固、气、液三相交界处的气–液界面和固–液界面之间的夹角称为接触角，用θ表示。液滴在水平方向上需保持力的平衡，则γ_sg、γ_lg、γ_sl及θ的关系有：

${\gamma }_{sg}-{\gamma }_{sl}={\gamma }_{lg}\cos \theta$ (1)

该方程即为润湿方程，也叫杨氏方程。结合接触角示意图和润湿方程可知，接触角越小，润湿性越好，当接触角为180˚时，液体完全不润湿；当接触角为0时，液体可自动在固体表面铺展。因此，可用液体在固体表面上达到平衡时的接触角大小来判断和评价润湿情况。

本文采用躺滴法测定沥青的接触角，采用仪器为光学接触角测量仪 [13] 。其基于两个假设：一是液滴是沿中轴对称的，二是只有界面张力和重力的影响。将70-A温拌沥青加热至流动状态(135℃)，将其放入140℃烘箱内进行预热后，然后在载玻片上滴少量温拌沥青，用刮刀以下拖法将沥青均匀涂抹在载玻片上。

2.2.2. 布氏黏度试验

沥青的黏度是评价沥青技术性质的重要指标之一，影响着沥青混合料拌和压实的难易程度。沥青黏度越高，沥青混合料之间的粘结力越大，拌和压实难度提高。选用NDJ-1D型布氏旋转黏度仪，在110~160℃下测试温拌沥青的剪切应力和剪切速率的关系，从而求得沥青的黏度。

2.2.3. 变速拌和试验

沥青混合料的拌和难易程度与混合料的流动变形性能息息相关，不同温度和不同速率下拌和的能量消耗可反映沥青混合料的拌和流动特性，进而反映沥青混合料的和易性。在本试验中，能量的消耗即为功率的消耗。变速拌和试验可测定不同温拌沥青混合料在各温度下、不同拌和速率下拌和功率，研究分析不同温拌沥青的拌和流变特性 [14] [15] 。

变速拌合试验装置对现有马歇尔拌和设备进行改造，在此基础上增加变速拌和系统、功率测试系统和数据储存系统。可通过控制面板调节转速，以实现不同速率下拌和沥青混合料的目的，并进行功率测试、记录、存储测试数据。本文试验选择的试验温度定为140℃、150℃、160℃、170℃、180℃，拌和速率分别为20、30、40、50 r∙min⁻¹，拌和时间为180 s。

3. 试验结果与分析

3.1. 接触角试验结果

各沥青试样的测试结果见表4，可以看出所有试验结果的变异系数在0.5%~1.9%之间，表明试验有较好的重复性。

一般将90˚作为润湿与否的分界点，θ > 90˚，称为不润湿，θ < 90˚，称为润湿。从表中数据可知，70^#沥青的接触角都大于90˚，表明常温下的沥青与水不润湿。加入Alube后，70^#温拌沥青的接触角有所降低。表明Alube增大了沥青的亲水性，且剂量越大，幅度越大。

Table 4. Results of contact angles between different asphalt and water

表4. 不同沥青与水的接触角测试结果

3.2. 三大指标试验结果

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中试验方法测定不同温拌沥青的25℃针入度、15℃延度和软化点，结果如表5。

由下表可知，添加Alube后，沥青的针入度变化微小。随着Alube剂量的增加，沥青的针入度都以细微的幅度增大，但其增幅几乎可以忽略，可能是本身Alube为液态状稀释了沥青导致的。添加Alube后，随着剂量的增加，70^#沥青的延度有着细微的增大。Alube和Evotherm的加入都对70^#沥青的软化点影响很小。综上，Alube的加入对沥青的三大指标影响很小，基本不改变沥青的基本性能。

Table 5. Results of three indexes of different asphalt

表5. 不同沥青三大指标试验结果

3.3. 布氏黏度试验结果

各沥青在110~160℃下，不同剪切速率下的黏度值如表6所示。

Table 6. Viscosity of 70# asphalt sample at different temperatures (Pa∙s)

表6. 温拌70^#沥青试样各温度下的黏度(Pa∙s)

由上表可知，添加Alube后，在同一温度和同一剪切速率下，沥青所受的剪应力有着细微的减小，说明Alube温拌剂细微的降低了沥青的黏度，随剂量的增大有所增大。总体上，表面活性剂型温拌剂Alube和Evotherm都对沥青的黏度几乎无影响。

3.4. 变速拌和试验结果

将各Alube温拌沥青和Evotherm温拌沥青的拌和功率汇总于表7。

Table 7. Mixing power of asphalt mixture at different mixing temperatures and rates (W)

表7. 沥青混合料在不同拌和温度和速率下的拌和功率(W)

拌和功率不仅由沥青混合料所受内部剪切的应力决定，还受拌和温度、拌和速率的影响。拌和功率随拌和速率的变化情况反映了沥青混合料的拌和流动特性。将上表的测试结果进行线性回归，绘制“拌和功率–拌和速率”流变图，如图1所示。

(a) 70^#沥青 (b) 70-A_0.3沥青 (c) 70-A_0.5沥青 (d) 70-A_0.7沥青 (e) 70-A_0.9沥青 (f) 70-E沥青

Figure 1. Mixing power - mixing rate rheological diagram of warm mix asphalt

图1. 温拌沥青的拌和功率–拌和速率流变图

从“拌和功率–拌和速率”流变图中可以看出：各沥青混合料的流变图反映出同一规律，即拌和功率与拌和速率呈线性关系。当拌和速率为零时，其截距为正值，此时的拌和功率反映了沥青混合料由静止变为运动状态所需的能量，也就是沥青混合料运动变形所需克服的内在塑限；斜率在一定程度上反映了沥青混合料拌和的难易程度。因此，将F称为拌和塑限，表示直线的截距；λ称为拌和黏度，表示直线的斜率。

Alube、Evotherm对拌和塑限影响很小，添加Alube、Evotherm后，沥青混合料的拌和黏度都降低。究其原因是表面活性剂型温拌剂不改变沥青的组成，只是起到润滑作用，降低了沥青混合料颗粒之间摩擦，即只对混合料之间的粘结力c的影响较大。

3.5. 温拌效果评价

基于混合料流变图，以V = 50 r∙min⁻¹、流动变形直线、坐标轴形成封闭区域(图2)，计算其面积，公式如式(2)；以面积的倒数的百分率作为和易性指数，如式(3)。标准试验中，沥青混合料拌和锅的拌和公转速率为48 r·min⁻¹。故选择拌合速率V = 50 r∙min⁻¹作为参照。

$S=\frac{1}{2}V\left(F+F+\lambda V\right)=25\left(2F+50\right)$ (2)

$I=\frac{100}{S}=\frac{2}{F+25\lambda }$ (3)

式中：V为拌和速率(r∙min⁻¹)；F为内在塑限(W)；λ为拌和黏度(60 J/r)；S为面积(kW∙r∙min⁻¹)。

Figure 2. Workability index

图2. 和易性指数

将各沥青混合料流变参数F、λ带入上式求得拌和和易性指数，见表8。

Table 8. Mixing workability index of 70# warm mix asphalt mixture

表8. 温拌70^#沥青混合料的拌和和易性指数

从表中数据可知，温度越高，沥青混合料的和易性指数越高，沥青混合料越容易拌和。添加Alube和Evotherm后，沥青混合料的和易性指数都明显提高，表明其都有效改善了沥青混合料的和易性。

同沥青混合料的拌和和易性指数相同，可认为它们的拌和难易程度相当。能确定合理的以此为基准的和易性指数范围，便可通过公式 $I_r=a+bT$ 求出任何类型沥青混合料的拌和温度。以70^#沥青为基准，拌和温度范围为153℃~158℃，代入可求出其他温拌沥青混合料的拌和温度，通过与70^#沥青对比可确定不同温拌剂的降温效果。考虑经济效益、温拌效果等因素，采用0.7%剂量的Alube来验证温拌沥青混合料的温拌效果，如表9所示。

Table 9. Reduction of mixing temperature of asphalt mixtures at different temperatures

表9. 各温拌沥青混合料的拌和温度降低值

由表可知，Alube具有良好的温拌效果，相对于70^#沥青拌和温度降低21℃，Evotherm则降温16℃，说明添加剂量都为0.7%时，Alube的温拌效果优于Evotherm。

4. 结论

1) Alube和Evotherm作为表面活性剂型温拌剂对沥青技术性能几乎无影响，但能增大沥青的亲水性，减小其接触角。

2) 沥青混合料的拌和流动特性符合线性黏弹性流动特性，拌和流动参数拌和塑限F、拌和黏度λ反映了沥青混合料的流动特性。Alube和Evotherm都降低了温拌沥青混合料的F和λ，改善了混合料的拌和流动性。

3) 通过拌和和易性指数(I)评价了不同温拌混合料拌和和易性。结果表明Alube和Evotherm改善了沥青混合料的拌和和易性，且Alube强于Evotherm。

4) 确定了两种温拌剂的降温效果，0.7%剂量下的Alube和Evotherm可分别降低其拌和温度约21℃和14℃，Alube的温拌效果优于Evotherm。

基金项目

安康市科技项目(AK2021-GY-13)，四川路桥项目(KY2021srbg-10-12)。

NOTES

^*通讯作者。