沥青混合料降温剂RT的路用性能研究.docx
《沥青混合料降温剂RT的路用性能研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《沥青混合料降温剂RT的路用性能研究.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
沥青混合料降温剂RT的路用性能研究
沥青混合料降温剂RT的路用性能研究
四川建筑职业技术学院
2014-12
摘要
由于国际能源紧缺、全球气候变暖等原因，公路工作者正不断致力于找出一种既能满足道路使用性能，又能应对国际能源和气候问题的一种沥青混合料。
本课题所研究的沥青降温剂RT，则是专门用于降低沥青混合料拌和与成型温度的新一代脂肪族碳氢化合物。
论文以降温剂RT对沥青和沥青混合料的降温效果以及其路用性能为主线进行了全面系统的研究。
论文选用AC-13C一种矿料级配，两种沥青：
埃索70#基质沥青和SBS改性沥青，变化5个RT掺量：
沥青质量的0%、1%、2%、3%、4%。
全面分析了RT对两种沥青的三大指标和粘度的影响；按照不同RT剂量的降温效果，对两种沥青混合料的路用性能作了分析，主要包括高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性；最后对沥青降温剂RT的技术性能进行了评价。
通过对大量试验数据分析表明，在沥青中掺加一定剂量的降温剂RT，能够降低沥青混合料的拌和与成型温度，并在一定程度上能够改善沥青混合料的高温性能，对沥青混合料的低温抗裂性以及水稳定性有一定负作用，但都能满足我国规范要求。
从技术经济上来看，在沥青中添加RT所增加的成本小，同时由于降低了沥青混合料的成型温度，便能够减少能源消耗和有害气体的排放。
因此，降温剂RT具有很好经济效益和社会效益。
关键词：
沥青混合料；沥青降温剂RT；降温效果；路用性
第一章绪论
近几年，我国公路建设事业迅速发展，而沥青路面由于其整体性强、行车舒适、噪音低和维修方便等一系列优点被广泛应用。
有资料表明，国内近期在建、重建或大中修的高速公路有90%以上采用了沥青路面。
而这些沥青路面使用的沥青混合料基本都是采用的热拌沥青混合料HMA（HotMixAsphalt）。
冷拌沥青混合料CMA（ColdMixAsphalt）由于其初期路用性能差，难以满足高速公路、重载交通道路等重要工程的要求而很少被采用。
但是，对于热拌沥青混合料，虽然具有良好的路用性能，它却需要将沥青从常温加热到140℃左右，矿料从常温加热到160～180℃,然后再将沥青和矿料于160℃的高温下进行拌和，拌和后的HMA温度不低于150℃，摊铺和碾压时的温度不低于120℃。
如此高的温度，不仅造成能源的浪费，而且会在拌和过程中产生大量的有害气体，工作人员的健康受到危胁的同时，对环境也产生了非常大的污染。
因此，对如何找出既能满足路面使用要求，又不会造成严重环境污染的一种沥青混合料，是道路工程界目前极需解决的一项重要任务。
1.1温拌沥青混合料概述
当沥青混合料的拌和温度、摊铺碾压温度介于热拌沥青混合料和冷拌沥青混合料之间时，我们称之为温拌沥青混合料WMA（WarmMixAsphalt）。
温拌沥青混合料在拌和时的温度较热拌沥青混合料低30℃左右，有的温拌技
术甚至降低更多，但为了使集料的水分能够蒸发，其拌和温度一般都在100℃以上。
图1.1HMA拌和现场（165℃下拌和）图1.2WMA拌和现场（132℃下拌和）
Fig1.1SitofHMAmixing（at165℃）Fig1.2SitofWMAmixing（at132℃）
虽然拌和温度降低，但其施工和易性和路用性能并不会受到较大影响，有的路用性能甚至得到了改善。
同时，由于拌和和施工温度的降低，对于燃料的消耗和有害气体的排放也大为减少，如图1.2所示。
有研究数据表明：
每生产1t热拌沥青混合料需消耗8L燃料油，那么，当拌和温度降低30℃以上时，则每t可以至少节约燃料油2.4L，并减少30%以上的CO2等气体以及粉尘排放。
因此，在温拌沥青混合料的拌和过程中，不仅可以保护工作人员的健康，而且对减少环境的污染也有极大的帮助。
另外，温拌沥青混合料还具有以下优点：
可以延长施工季节。
有人对温拌沥青混合料在运输过程中不同位置的温度进行了测试。
从图1.3中可以看出，在温拌沥青混合料从拌和厂到装在摊铺机螺旋摊铺器位置过程中，其温度几乎没有变化。
因此，可以在寒冷的天气使用温拌沥
图1.3不同位置的温度测试结果
Fig1.3Temperatureofthetestresultsatdifferentpositions
青混合料铺筑路面，而不必担心寒冷天气中的温度损失，可以在某些地区使施工期延长到冬季。
特别是对于沥青路面的修补，不会受到季节的影响，同时又能够达到冷补沥青混合料所不具有的效果。
另外，可以使沥青混合料的运输距离更远。
可以更快的开放交通。
由于混合料的初始温度不高，所以达到开放交通的时间更短，特别是在交叉口等位置。
可以减轻沥青的老化。
由于拌和温度的降低，沥青需要加热的温度也随之降低，因此，减少了沥青的老化，延长了沥青路面的使用寿命。
于2005年正式生效的《京都议定书》严格限制包括CO2在内的6种温室气体的排放量，以及在国际能源紧缺的形势下，温拌沥青混合料的优点显得更加突出。
因此，加紧温拌技术的研究任务已经迫在眉睫，温拌沥青混合料的市场也必将非常广阔。
1.2温拌沥青混合料的发展现状
随着全球气温的不断升高，各国对环境的保护越来越重视，特别是在降低温室效应、减少CO2排放量方面。
而公路行业由于沥青混合料的摊铺，每年会排放出大量CO2，有资料显示：
当沥青混合料在160℃拌和时，每拌一吨混合料就会排放出18.5Kg的CO2。
因此，各国的公路研究者都在致力于温拌沥青混合料的研究。
1.2.1国外发展现状
温拌沥青混合料首先是在欧洲由Shell和Kolo-veidekke于1995年联合研制出来，并在1996年进行了现场试验。
后来，经过不断的研究，2000年，Shell和Kolo-veidekke在Eurobitume/Euroasphalt国际会议上第一次提出了WMA。
随后，日本和欧洲等国开始大量使用WMA[5]。
在2003年，美国开始引入WMA，并以NCAT为中心，FHWA、NAPA以及其它一些研究机构也都参与了其中。
2006年3月，美国第一次WMA技术工作组会议在NAPA所在地召开。
经过10几年的发展，WMA技术已经逐渐成熟。
到目前为止，国际上主要有以下几种制备温拌沥青混合料的技术途径：
Aspha-min®温拌沥青混合料[6]：
Aspha-min®是德国EuroviaServicesGmbH，Bottrop公司的产品，是一种极细、白色粉末状的人造合成沸石（硅酸铝钙）。
沸石内部容纳的水的质量为20%左右，在向已预热的砂石混合料中掺加沥青的同时，加入Aspha-min®外加剂，便会产生蒸汽水，释放出来的水会在沥青中膨胀产生一种泡沫，这种微小泡沫会使得分子孔隙更小，从而改善混合料的施工和易性，可降低生产和摊铺温度约30℃。
Eurovia建议Aspha-min®的掺量为0.3%（质量百分率）。
但是，它要求有特殊的设备和供料容器，而且沸石的价格高，在生产时沸石也会造成高度的环境污染。
泡沫沥青技术（WMA-Foam®）[7]：
在WMA-Foam®中，在拌和阶段使用两种单独的胶结料，软胶结料和以泡沫形式加入的硬胶结料，即两种硬度不同的沥青材料。
在拌和过程中，首先将软沥青在110℃左右加入，并拌和使其充分裹覆在集料表面；再将硬沥青以泡沫沥青的形式加入其中拌和均匀。
但是，这种技术需要两种沥青，增加了工艺的复杂性，这就需要对工厂进行改进，增加了额外的成本，而且它只适合软基路面。
低能量沥青技术（LowEnergyAsphaltLEA）[8]：
这是由法国的Fairco提出的一项技术，曾获得2006年法国INTERMAT创新奖。
它主要是将湿冷的细集料搅拌到120—160℃干燥的裹覆有热沥青的粗集料里，水汽从集料里逸出并激发出泡沫，泡沫化的沥青完全拌和并覆盖了集料，最终形成WMA混合料。
其摊铺碾压温度在70—90℃之间，由于其在拌和摊铺过程中温度较低，也被称为半温拌沥青混合料（Half—WarmMixAsphalt）。
但是它受到专利的保护，我们对之了解甚少。
沥青流动性改性剂—Sasobit®[9]：
Sasobit被称为改性剂或“沥青流动性改善剂”，为细晶体，长链脂肪烃，使用Fischer-Tropsch（费托，FT）方法从煤炭液化中获得，因此也叫费托石蜡。
其熔点接近100℃，当温度超过116℃时，能完全溶解于沥青结合料里。
Sosal建议Sasobit的掺量为结合料质量的0.8%以上，最大不超过3%。
这种技术不需要对现有的拌和设备进行大的改进，操作非常方便。
但是，由于其市场价格原因，使用时增加的成本也是需要考虑的问题。
基于乳化平台的温拌沥青混合料（Evotherm）[10]：
这是美国MeadWestvaco公司的产品，是将一种特殊的乳化沥青替代热沥青实现温拌，工艺与热拌沥青混合料基本一致。
所用的拌和温度在70-120℃，摊铺及压实温度在70-90℃，摊铺碾压后即可开放交通。
Evotherm适用于沥青路面的各结构层，尤其是适用沥青路面的维修养护中的薄层罩面和超薄层罩面，以及对环境要求高的城市道路和隧道路面的建设和维护。
这种工艺需要乳化工厂，且乳化剂的成本也高，由于在生产过程中要使用到水，因而会对石料的粘接力也产生一定的影响。
1.2.1国内发展现状
相比于国外温拌技术，我国目前对温拌沥青混合料的研究和应用还相对较少。
温拌沥青混合料在我国主要是以试验路为主。
由交通部科学研究院、同济大学、北京路桥路兴物资中心以及美国Westvaco公司合作研发的我国第一条温拌沥青混合料路面于2005年在北京试铺成功。
在随后不到3年的时间里，北京、上海、河北等8个省市试验了20多条路，短的只有几百米，长的达到几公里，历经两年多的考验，性能良好。
国外很多温拌技术都有良好的效果，但是或者由于受到专利的保护，致使在使用温拌沥青混合料时增加的成本甚至比所节约能源的费用更大，或者需要对设备进行改进，也需要增加额外的费用，而有的技术在生产时不易被生产工人掌握而影响其生产质量。
鉴于此，自行研发温拌技术，无论从技术角度，还是从经济角度上来讲，都更利于我国公路市场的发展。
1.3课题研究的主要内容
沥青降温剂RT是专门用于降低沥青混合料拌和成型温度的新一代脂肪族碳氢化合物。
初步研究表明[11]：
它能够降低沥青混合料拌和成型温度30℃左右，且对路用性能影响较小，另外，高温性能还得到了一定程度的改善。
在当今能源紧缺、环境污染严重的形势下，降温剂RT必将发挥重要作用。
因此，有必要对降温剂RT的降温效果及路用性能进行全面的分析评价。
为了充分评价沥青降温剂RT的降温效果和路用性能，本课题研究选择了两种沥青：
埃索70#基质沥青和SBS改性沥青。
主要涉及的研究内容有：
降温剂RT对沥青降温效果的评价，主要包括对沥青的针入度、软化点、延度和粘度基本技术性能指标影响的分析；降温剂RT对沥青混合料降温效果的研究以及路用性能评价和经济性分析等。
课题研究进行了大量的材料试验、数据处理等工作。
鉴于一些客观原因，本课题研究没有进行试验路的修筑及跟踪检测，仅以室内试验研究为主，进行了沥青降温剂RT的路用性能研究。
1、对沥青三大指标影响的研究。
按照我国现行试验规程的规定，通过变化
RT剂量，对所选沥青的针入度、软化点、延度进行测试，通过对试验数据的分析、整理，研究不同RT剂量对沥青的降温效果；
2、对沥青混合料降温效果的评价，主要从以下几方面进行分析：
1）变化成型温度。
对于不同的RT剂量，采用我国规范所规定的击实次数，变化不同的击实成型温度，成型马歇尔试件。
对不同成型温度下的马歇尔指标进行研究，进而分析降温剂RT对沥青混合料的降温效果；
2）变化击实次数。
对于不同的RT剂量，在击实温度不变的情况下，变化不同的击实成型次数，成型马歇尔试件，对不同成型次数下的马歇尔指标进行研究；
3）沥青混合料拌和时的扭矩分析。
对于不同的RT剂量，采用不同的拌和温度，拌和相同数量的沥青混合料，对拌和时的扭矩进行分析。
但由于对设备的改进难度大，试验周期短等原因，此方案最终未能实施；
3、对沥青混合料路用性能影响的研究。
按照降温效果，对不同RT剂量下的
路用性能进行分析，主要包括高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性研究；
4、对掺加RT沥青混合料的综合指标分析。
通过对前面的研究进行总体分析，并最终确定降温剂RT的合理剂量。
第二章沥青降温剂RT对沥青三大指标的影响
2.1沥青降温剂RT的基本特性
降温剂RT呈白色粉末状，其外观形态如图2.1所示，基本技术性能如表2.1所示。
表2.1沥青降温剂RT的基本技术性能
Table2.1BasictechincalperformanceofRT
技术参数
单位
数值
熔点
℃
100～115
粘度（135℃）
mPa.s
5～10
密度
g／cm3
0.93～0.95
粒径
mm
3～5
碳氢化合物
%
＞95
填料
%
≤5
外观／色泽
颗粒或粉末状/白色
图2.1沥青降温剂RT的外观形态
Fig2.1ApperanceofRT
资料表明[11]：
降温剂RT能够在搅拌的条件下完全溶解于130℃左右的各级沥青中，并且不会发生离析。
因此在现场进行生产时，只需要配备普通的搅拌设备即可将RT完全熔于沥青，而不需要调整剪切搅拌设备；对于RT掺量，推荐为沥青质量的3%，实际使用的掺量应以期望达到的路面性能指标为宜，并结合室内试验确定。
降温剂RT掺入沥青后，沥青的60℃动力粘度得到提高。
因此，降温剂RT能够显著降低沥青混合料的拌和、摊铺和碾压温度，或者说在不降低施工温度的前提下，路面将具有更好的压实效果和更低的空隙率；并且，在沥青混合料的使用温度范围内，能够改善其抗高温车辙性能。
降温剂RT的基本特性表明：
RT能够在显著降低沥青混合料施工温度的同时，又不影响沥青混合料的路用性能，甚至能够改善部分路用性能。
因此，RT不仅具有良好的性价比，而且符合发展绿色交通的需要，既能节约能源，又能起到良好的环保功效。
2.2沥青降温剂RT的工作原理分析
结合有关文献[12]对改性机理的探讨，我们对降温剂RT的工作原理进行如下分析：
沥青四组分中的饱和分，由直链和支链脂肪属烃，烷基环烷烃和一些烷基芳香烃组成，包括有蜡质及非蜡质饱和物。
在通常情况下，这些蜡基或油基饱和物
相互溶解，大多以强度极低的油膏状，分散在沥青中，对沥青的高温性能有较大的影响。
在低温下，这些被溶解的蜡分子形成粗大晶体析出，而使沥青变硬变脆。
沥青降温剂RT在高温下可以吸附沥青中与它结构相近似的饱和组分，进而溶解于它们之中，形成稳定的溶液而不离析，这些饱和组分大多为蜡基或油基分子，或其分子中的一部分。
当温度降低后，因RT的熔点高，与部分被其吸附又溶解它的饱和组分一起逐渐结晶析出，并形成网状结构，如图2.2所示，进而锁定了这些饱和的油类、蜡类组分，呈现出晶格结构，从而提高了沥青的软化点和强度，使沥青混合料具有更
好的高温稳定性和抗车辙能力。
图2.2掺入RT后的沥青
另一方面，沥青在低温下的柔性，主要取决Fig2.2AsphaltmixingwithRT
于沥青中的极性分子，或含有支链及环状基团的分子的含量、类型及其运动自由度，因为这些分子大多不能与RT形成晶体，在RT掺入少量后，不会改变上述这些分子在沥青中的含量和分布，也不会限制它们的运动自由度，因而不会改变它们对沥青低温柔性的贡献。
但由于RT包含有异烷烃，而异烷烃带有支链，在其含量增大到某一程度时，会影响到沥青的低温性能。
2.3降温剂RT对沥青降温效果的评价方法
1、针入度
沥青的针人度与沥青路面的使用性能具有密切的关系，在现阶段，我国仍然以针入度为最核心的依据来进行沥青标号划分。
它不仅表现在高温稳定性上，对低温抗裂性能也同样重要。
对油源相同或温度敏感性相同的沥青，针人度大即较稀的沥青有较低的劲度模量，比较稠的沥青路面裂缝少。
在寒冷地区，为预防路面开裂，宜采用针入度较大的软质沥青。
其测试方法简单，仪器成本低廉，操作方便，因此被大多数国家所采用。
在本课题的研究中，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0604-2000），对掺加不同RT剂量后的沥青测试其25℃度针入度，用以评价降温剂RT对沥青高温性能的影响。
2、软化点
软化点是指在给定重力条件下，沥青材料随温度升高抵抗变形的一种能力，它能够在一定程度上反映沥青材料的温度稳定性能，但不表征沥青材料性质变化的一个指标[14]。
软化点不是固体向液体转变的临界温度，它是道路沥青最基本的一种性质指标，直接与表示路面发软变形的程度相关联，而且常常为控制制造工艺、检验产品质量、评定沥青性质及选择使用条件所应用。
因此，软化点是大多数国家用来说明沥青高温性能的指标之一，沥青的软化点升高，针入度降低，说明沥青的高温性能得到了改善。
在本课题的研究中，我们也将按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0606-2000）进行沥青的软化点试验，并对掺加不同剂量RT的沥青所测得的软化点进行分析。
3、延度
延度反映了沥青材料适应变形的能力，沥青的延度与路面的使用性能有一定的相关性，特别是低温延度与沥青路面的低温开裂性能关系密切，因此，在很多国家的沥青标准中，都设立了延度指标。
另外，当沥青中的蜡含量较高时，沥青的延度往往是达不到要求的，因此，延度也有限制蜡含量的意义[14]。
为了保证掺加RT后，沥青低温性能能够达到要求，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0605-1993）对掺加不同剂量RT的沥青进行延度测试。
4、粘度
粘度对路面抗车辙性能有显著影响，60℃的粘度与60℃的车辙动稳定度具有良好的正相关关系，是反映沥青材料高温稳定性的重要指标。
由于降温剂RT的主要功能是降低沥青混合料的拌和成型温度，而在规范中，沥青混合料的拌和成型温度是由沥青的布氏粘度决定的（适宜于拌和的沥青结合料粘度为170±20mPa.s，适宜于压实的沥青结合料粘度为280±30mPa.s）。
因此，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0625-2000）采用布氏旋转粘度计对掺加不同RT剂量的沥青进行粘度测试，便可以初步确定各掺量下沥青混合料的拌和成型温度。
但是，布氏旋转粘度计是用于测量沥青在使用温度时的表观粘度，在一定的测试温度范围内，沥青可能会表现出非牛顿特性。
因为非牛顿特性流体的表观粘度值不是唯一的材料性质，而是反映流体和测量系统的特性。
因此，为了比较不同RT掺量下的粘度变化，对于相同的温度应当选取相同的转子型号和转速，并且在每个测试温度下的粘度都应当在所选定量程的10%-98%之间，以保证能在相同的剪切速率下进行测量。
而在高温条件下，由于沥青已经属于牛顿流体，其粘度值基本不受剪切速率的影响，因此不用考虑转子、转速和粘度量程的限制。
另外，SBS改性沥青的低温粘度非常大，当温度为60℃时，其粘度值已经不在布氏粘度计的测试范围内，因此，在测试SBS改性沥青时，所选择温度的范围和70#基质沥青有所不同。
对于聚合物改性沥青，通常根据改性剂的品种和用量，适当提高混合料的拌和及压实温度，对大部分聚合物改性沥青，需要在基质沥青的基础上提高15～30℃左右，但经过大量实践证明，由这样得到的沥青拌和温度过高，有的甚至在200℃拌和，这是不符合实际的[15]。
因此，我们还将在后面通过的试验来进一步确定它的拌和与成型温度。
2.4沥青降温剂RT对沥青三大指标的影响
2.4.1试验结果整理
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）的相关规定，做了如下相关试验：
对埃索70#基质沥青，分别掺入沥青质量的0%、1%、2%、3%、4%降温剂RT，进行25℃针入度、软化点和15℃延度的试验。
试验结果按照试验规程相关要求进行取舍，并对合格的数据取平均值作为试验结果。
对SBS改性沥青，分别掺入沥青质量的0%、1%、2%、3%、4%的降温剂RT，进行了25℃针入度、软化点和5℃延度的试验。
试验结果按照试验规程相关要求进行取舍，并对合格的数据取平均值作为试验结果。
表2.270#基质沥青的三大指标试验结果
Table2.2Thetestresultsofthreeindcatorsfor70#bitumen
指标
单位
70#
+1%RT
+2%RT
+3%RT
+4%RT
针入度（25℃,5s,100g）
0.1mm
76
69
60
55
50
软化点
℃
49.1
49.2
60.9
71.0
80.0
延度（15℃）
cm
157.6
143.2
133.8
84.1
30.1
表2.3SBS改性沥青的三大指标试验结果
Table2.3ThetestresultsofthreeindcatorsforSBSmodifiedbitumen
指标
单位
SBS
+1%RT
+2%RT
+3%RT
+4%RT
针入度（25℃,5s,100g）
0.1mm
68
64
57
52
50
软化点
℃
71.0
80.2
80.9
83.0
83.5
延度（5℃）
cm
44.9
41.8
39.2
31.8
25.3
2.4.2试验结果分析
不同RT剂量下70#基质沥青以及SBS改性沥青的针入度
从图2.3可以看出，不管是70#基质沥青，还是SBS改性沥青，其针入度都随着RT剂量的增加而减小，当剂量>2%时，70#基质沥青可达到《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）[16]要求的50#基质沥青的针入度标准，而SBS改性沥青也能达到I-D类的针入度标准。
当剂量在3%时，70#基质沥青和SBS改性沥青的针入度比不掺RT时分别降低了27.6%和23.5%。
这就表明，当掺加降温剂RT后，沥青的高温性能得到了改善，且随着掺量的增加，其改善效果更显著。
图2.3针入度与RT剂量的关系曲线
Fig2.3ThecurveofpenetrationandquantityofRTadded
不同RT剂量下70#基质沥青以及SBS改性沥青的软化点
图2.4软化点与RT剂量的关系曲线
Fig2.4ThecurveofsofteningpointandquantityofRTadded
从图2.4可以看出，随着RT剂量的增加，70#基质沥青的软化点存在着不同程度的增加。
当RT剂量为1%时，其软化点基本保持不变。
但剂量>1%时，RT剂量每增加一个百分点，其软化点就能提高10℃左右。
对于SBS改性沥青，随着RT剂量的增加，其软化点也在增加。
但是增加的幅度并不大，当RT剂量为1%时，其软化点比不掺加RT时增加了13.8%，剂量为2%时，与1%基本相同，只有80.9℃，剂量为3%和4%时，其软化点分别为83℃和83.5℃，因此，对于SBS改性沥青，当掺加降温剂RT之后，其软化点有所提高，但在几个剂量之间，其软化点的变化并不明显。
不同RT剂量下70#基质沥青以及SBS改性沥青的延度
图2.5延度与RT剂量的关系曲线
Fig2.5ThecurveofductilityandquantityofRTadded
从图2.5可以看出，随着RT剂量的增加，70#基质沥青和SBS改性沥青的延度都在降低，当剂量在3%时，70#基质沥青的15℃延度只有84.1cm，不能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）的要求，当剂量为4%时，其15℃延度只有30.1cm，远不能满足规范大于10
升级会员 