表面活性温拌添加剂对超高粘度沥青流变性能和压实特性的影响研究

《Developments in the Built Environment》：A Study on the Effects of Surface-Activated Warm-Mix Additives on the Rheological Properties and Compaction Characteristics of Ultra-High-Viscosity Asphalt

　　

使用超高粘度沥青（UHVA）的超薄罩面层需要高温和能量。本研究评估了两种表面活性温拌添加剂，WMH（非离子型）和EM（阳离子型）对UHVA性能的影响。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实两种添加剂均与UHVA物理共混。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）筛选高灵敏度核心指标，随后构建多维雷达图以进行优化。WMH使175°C旋转粘度降低15.6%（而EM无显著影响），两种添加剂均使动态粘度显著降低高达50%。0.5% WMH使Jnr_3.2降低34.2%，而0.3% EM使Jnr_diff降低26.1%。EM使m值提高高达13.7%，而0.5% WMH使Nf延长73.6%。基于雷达图，确定0.5% WMH和0.3% EM为最佳掺量。最后，在最佳掺量下，WMH混合料所需的压实能量最小，且“湿法”比“干法”更有效地降低压实阻力。

**论文解读：表面活性温拌添加剂对超高粘度沥青流变性能与压实特性的影响研究**

**研究背景与问题**
随着全球公路网络的持续完善和交通荷载的稳步增长，路面预防性养护与性能增强成为保障路网长期服役能力的关键，沥青路面的可持续发展受到广泛关注。热拌超薄沥青罩面层因其施工高效、行驶舒适性好、抗滑性能优异等优点，在高速公路和城市道路养护工程中得到广泛应用。为确保超薄罩面层具备足够的抗裂性和耐久性，通常需要采用超高粘度沥青（UHVA，60°C动态粘度≥580,000 Pa·s）作为胶结料，其整体性能远超常规高粘度沥青（HVA）。然而，此类沥青的施工温度需加热至185°C以上，导致能耗和碳排放急剧增加；同时，由于面层薄、散热快，低温环境下压实不足易诱发早期潜在损伤。因此，如何在保证UHVA质量和路用性能的前提下显著降低其施工温度，是实现超薄罩面层绿色施工的关键挑战。

温拌沥青（WMA）技术作为成熟的绿色碳减排工艺，通过降低沥青粘度或在沥青-集料界面形成润滑膜，可将热拌沥青施工温度降低约20~40°C，同时减少能耗和有害气体排放超过30%，改善施工环境。当前温拌添加剂主要分为有机降粘型、发泡型和表面活性型三类。大量流变学研究表明，这三类温拌技术对改性沥青的作用机制存在显著差异。有机降粘型温拌添加剂可显著降低HVA的动态粘度，但高掺量有机蜡基温拌添加剂会导致沥青低温性能显著下降，不利影响混合料服役性能；发泡型温拌技术在高粘度沥青中难以使水发泡，且残留水分对长期性能有显著负面影响。相比之下，表面活性剂类温拌添加剂用量较低，主要作用于沥青与集料界面，而非显著破坏沥青基体中的聚合物网络结构，从而最大限度地保持UHVA在服役条件下的高粘弹特性。然而，不同类型的表面活性剂类温拌添加剂对沥青及沥青混合料性能的影响差异较大，其作用机制涉及表面张力调节、聚合物相互作用等。此外，现有研究主要集中于常规SBS改性沥青、HVA和橡胶改性沥青，而UHVA是一种高度致密且复杂的聚合物-沥青多相网络，其独特结构使得UHVA与温拌添加剂之间的相互作用机制更为复杂，目前缺乏关于表面活性剂类温拌添加剂如何在UHVA高密度相中平衡界面润滑与维持原有结构强度，进而影响材料抗车辙和抗疲劳性能的深入流变学研究。

**研究内容与结论**
本研究选取两种表面活性剂类温拌添加剂，系统分析了它们在UHVA中实现相润滑和降粘的微观机制。研究人员首先制备了含有不同温拌添加剂掺量的温拌UHVA，通过常规物理试验和60°C动态粘度测试评估其施工和易性；随后采用多应力蠕变恢复（MSCR）、弯曲梁流变仪（BBR）和线性振幅扫描（LAS）等流变试验深入分析最佳温拌添加剂掺量；最后利用Superpave旋转压实（SGC）成型混合料试件，提取压实能耗特征指标，定量验证不同类型温拌添加剂及其掺入工艺对混合料宏观压实功的减阻效果。该研究为表面活性剂类温拌添加剂在UHVA混合料中的应用提供了参考，并推动超薄罩面层施工向绿色、清洁、低碳、环保方向发展。论文发表在《Developments in the Built Environment》。

**主要关键技术与方法**
研究采用的主要技术方法包括：傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析温拌添加剂与UHVA的化学交互作用；旋转粘度测试（Brookfield旋转粘度计，155°C、175°C、195°C）和真空毛细管动态粘度测试（60°C）评估降粘效果；动态剪切流变仪（DSR）进行温度扫描（76~100°C）获取复数模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ；多应力蠕变恢复（MSCR）试验（82°C）获取不可恢复蠕变柔量Jnr和恢复率R；弯曲梁流变仪（BBR）试验（-6°C、-12°C、-18°C）获取蠕变劲度S和蠕变速率m值；线性振幅扫描（LAS）试验（20°C，PAV老化后）基于粘弹性连续损伤（VECD）理论预测疲劳寿命Nf；采用单因素方差分析（One-way ANOVA）筛选高灵敏度核心指标，并构建多维雷达图进行多目标优化；最后通过Superpave旋转压实（SGC）获取压实度-旋转次数曲线，引入压实密实指数（CDI，从松散状态到92%压实度所需能量）和压实性能指数（CEI，从92%压实度到96%压实度所需能量）定量评价压实能耗。材料来源：UHVA由70#基质沥青与高含量星形SBS、稳定剂、偶联剂等改性剂自行制备；WMH由北京泰路科技有限公司提供；EM由美国MeadWestvaco公司生产。

**研究结果**
**3.1 化学性质分析**：通过FTIR测试发现，WMH和EM与UHVA之间未产生新的化学官能团，相互作用机制主要为物理共混和非共价弱相互作用。EM在3050 cm^-1（芳香族=C–H伸缩振动）、1112 cm^-1（C–N伸缩振动）和782 cm^-1（芳香环弯曲振动）处呈现特征吸收峰，表明其为阳离子季铵盐表面活性剂；WMH在1711 cm^-1（脂肪酸酯C=O伸缩）、1651 cm^-1（酰胺基C=O伸缩）、1550 cm^-1（N–H弯曲和C–N伸缩）和1259 cm^-1（酯基C–O伸缩）处呈现特征峰，表明其为非离子型脂肪酸酰胺类温拌添加剂。

**3.2 基本性能分析**：针入度试验显示，添加WMH和EM后UHVA针入度略有增加（2.0~5.0 0.1mm），表明低掺量表面活性剂仅起轻微软化作用。软化点方面，WMH使UHVA软化点下降约5°C并稳定在89~90°C，而EM随掺量增加软化点逐渐升高（92.1°C升至93.2°C）。延度试验（5°C）表明，WMH掺量为0.5%时延度达到最大值，超过此值则延度下降；EM则使延度随掺量增加单调递减。

**3.3 旋转粘度分析**：在155°C、175°C和195°C下，WMH显著降低UHVA旋转粘度，0.5%和0.7%WMH降粘效果接近，175°C时降幅达15.6%；EM仅在0.3%掺量时轻微降低粘度（0.3%），更高掺量反而使粘度增加，表明EM对UHVA本体粘度的降粘作用有限。

**3.4 动态粘度分析**（60°C）：两种添加剂均使UHVA动态粘度显著下降，WMH使动态粘度降低13.0%~51.8%，EM降低14.7%~58.8%，相同掺量下EM降幅更大。WMH在高温度下降粘效果更好，而在60°C服役温度下对动态粘度影响较小，有利于在保持高温变形抗力的同时降低施工阻力。

**3.5 高温流变性能分析**：温度扫描结果显示，WMH和EM均使G*/sinδ曲线下移，降低UHVA高温等级，但降幅仅6.6%~16.3%，未实质影响整体高温变形抗力。MSCR试验（82°C）进一步区分：0.5% WMH使Jnr_0.1和Jnr_3.2均达到最小值，且Jnrdiff较低，应力敏感性较低；EM随掺量增加Jnr值持续下降，但仍高于UHVA，且EM掺量增加有助于提高弹性恢复能力。

**3.6 低温蠕变性能分析**：BBR试验显示，WMH使S值略有降低（0.5%时最小），但m值改善不明显；EM显著降低S值并提高m值，0.3% EM时低温柔韧性最佳，但更高掺量导致自聚集形成团簇，低温性能下降。

**3.7 疲劳性能分析**：LAS试验基于VECD理论预测疲劳寿命Nf，结果表明WMH在低掺量（0.3%）时仍保持较高劲度，但高掺量（0.7%）通过降低复数模量显著延长疲劳寿命；EM中0.3%掺量改善疲劳抗力最佳，0.7%在高应变下疲劳寿命甚至低于UHVA，表现出脆性破坏特征。

**3.8 基于单因素方差分析的性能指标敏感性分析**：对WMH和EM两个体系分别进行单因素方差分析，动态粘度指标在两个体系中均呈现极显著差异（p<0.001），是表征温拌添加剂对UHVA润滑和变形行为的关键指标；Jnr_3.2的F值远高于G*/sinδ，表明其更适合区分高粘弹性改性沥青的高温变形抗力；Nf在两个体系中均呈现极显著差异，是评价疲劳性能的关键指标；WMH对S和m值无显著影响，而EM则显著改变UHVA的低温劲度和应力松弛特性。

**3.9 温拌剂最佳掺量**：基于单因素方差分析结果，选取Jnr、动态粘度、旋转粘度、Nf和m值作为核心指标，通过归一化处理构建雷达图进行多目标优化。0.5% WMH在流动变形和抗裂性之间取得良好平衡，而0.3% EM在有效降低高温粘度的同时保持了良好的低温柔韧性和疲劳抗力，因此确定WMH最佳掺量为0.5%，EM最佳掺量为0.3%。

**3.10 混合料压实特性分析**：采用0.5% WMH和0.3% EM，分别以“湿法”和“干法”添加，通过SGC旋转压实试验获取压实度-旋转次数曲线，并计算CDI和CEI。结果表明，UHVA混合料达到92%压实度需40次旋转，达到96%需145次，CDI和CEI均为最高。含0.5% EM的混合料CDI和CEI仅略有下降，湿法与干法降幅相近。含0.5% WMH的混合料压实性能最佳，湿法条件下仅需71次旋转即可达到96%压实度，CDI和CEI分别为2109和4339，仅为UHVA混合料的61.3%和43.7%。WMH湿法因预混更均匀，降粘和减摩效果优于干法；EM则通过降低沥青-集料界面表面张力发挥润滑作用，早期压实阶段与湿法差异不大，但最终密实阶段湿法CEI略低。

**总结与讨论**
本研究系统评估了两种表面活性温拌添加剂（WMH和EM）在UHVA中的效果，涵盖温拌沥青的常规及流变性能以及温拌沥青混合料的压实特性。主要结论如下：（1）WMH、EM与UHVA之间未发生明显化学反应，温拌效果主要通过物理润滑实现，降低沥青混合料压实难度。（2）温度扫描获得的G*/sinδ值在两种温拌沥青间差异较小，高温MSCR试验能有效区分两种温拌沥青的变形抗力。（3）WMH比EM表现出更强的高温降粘效果，而WMH对UHVA在60°C动态粘度的降低幅度较小。（4）EM比WMH表现出更强的高温变形抗力和低温抗裂性，但EM对UHVA疲劳抗力的改善有限，高EM掺量进一步削弱改善效果；WMH有效改善UHVA疲劳抗力。（5）在不显著损害UHVA流变力学性能的前提下，WMH最佳掺量为0.5%，EM最佳掺量为0.3%。（6）相同压实条件下，WMH（湿法）混合料所需压实能量最小，达到96%压实度所需的旋转次数仅为UHVA混合料的50%；0.3% EM对UHVA混合料压实效果的改善有限。与干法相比，湿法通过与UHVA预混，实现更均匀的降粘效果和更好的减摩效果。本文主要聚焦于温拌UHVA的常规及流变性能，未来研究应进一步通过微观测试探究温拌添加剂对UHVA的作用机制，同时验证温拌UHVA混合料的物理力学性能。