稀释沥青是用煤油、柴油等溶剂稀释后得到的常温液体沥青^[1]，是制备稀释型常温沥青混合料或沥青冷补料的基础材料。在拌和常温沥青混合料时，相对于乳化沥青，采用稀释沥青无需先对集料润湿处理，所引入的总液体量少，拌和过程液体状态变化小，拌和物状态更容易控制。上述特性使其相对于乳化沥青更适合于连续密集配混合料，如AC型^[2-3]，当与热拌料在性能、成本、环境影响等方面取得平衡时，则具有大规模应用的前景，而不仅限于冷补料。

稀释沥青常温混合料可以在低于100 ℃的中温拌和，压实温度范围可从刚拌和后的中温到冬季的负温，施工便利性和环境友好性突出。但是，为了常温铺筑和长时间储存，稀释机理常温沥青混合料通常都需要采用较高剂量的柴油或煤油等稀释剂，如20%~25%，大剂量的稀释剂在铺筑后的混合料中残留时间很长，有些长达6个月以上，对沥青与集料间的黏聚和黏附有显著的不利影响，使得冷补料的技术性能远达不到热拌混合料的水平^[4]。如果能降低稀释沥青混合料中溶剂的剂量，则残留的影响就会相应地降低，即使不能完全解决问题，也可减少调和补偿成分——如在冷补料中普遍使用的高分子聚合物或树脂类材料。另一方面，由于高剂量稀释剂使得集料表面沥青膜较薄同时表面开孔的真空度偏低，致使集料界面与沥青黏附力较差，混合料水稳定性普遍偏低^[5]，在不影响拌和与压实工作状态的前提下降低稀释剂用量对改善黏附特性也有助益。

表面活性剂是一类同时具有极性与非极性基团，能改变物质表面张力的物质。表面活性剂可使液体体系的界面状态发生明显改变，在道路工程领域是沥青乳化的技术基础，也被应用于温拌沥青混合料^[6-7]。石油领域的一些研究表明^[8-10]，由于沥青质聚集体与周围分散介质的极性差异，表面活性剂对稠油、渣油等不含水黏稠石油产品也有明显的降黏效果，在与稠油化学成分、化学结构类似的稀释沥青中掺加表面活性剂理论上可降低黏度，或在同等黏度下降低稀释溶剂用量，因此具有在不影响混合料工作特性的前提下降低沥青中稀释剂用量的潜质。同时，因其对集料界面极性的影响，表面活性剂也是有效的抗剥落剂，对改善常温混合料的水稳定性起决定性作用^[11]。本论文研究了复配油溶性表面活性剂对稀释沥青的黏度、稀释沥青在集料表面的铺展性、混合料拌和裹附率和压实特性等不同胶结料及其混合料工作特性方面的影响，由此确定基于表面活性剂改善稀释沥青混合料拌和与压实特性的技术规律。

试验采用90^#道路石油沥青，主要路用性能指标检验结果见表 1，相关指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)以下简称《规范》的技术标准要求。

考虑到东北处于寒冷地区选用-35^#柴油作为稀释剂，基本指标检验结果见表 2，均符合《车用柴油》(GB 19147—2016)的相关技术要求。

采用玄武岩集料、石灰石矿粉，基本技术指标检验，结果如表 3~5所示，均符合《规范》相关技术要求标准。

本研究采用一种自制表面活性剂，由商品稠油降黏剂和司盘类表面活性剂复配得到。稠油降黏剂是稠油(重油)开采、运输过程中为降低黏度而采用的一类油溶性的表面活性剂，基本原理是表面活性剂中极性和非极性两性基团分别与强极性的沥青质和弱极性的胶质等其他成分结合，使得稠油中围绕沥青质形成的层状分子结构互斥拆散，超分子聚集体变小，从而提高稠油的流动性^{[8, 12]}。试验采用的商品稠油降黏剂是一种由丙烯酸十八酯、马来酸酐和苯乙烯单体化学合成的共聚物表面活性剂，简称AMS(化学结构如图 1(a)所示)。沥青与稠油组成类似但黏度更高，为促进AMS在沥青中的分散和溶解，采用司盘类通用非离子表面活性剂Span80(分子结构如图 1(b)所示)作为协同辅助剂，这也是表面活性剂应用的常规做法。上述AMS和Span80的基本技术指标如表 6所示，二者的复配按1∶1的比例在60 ℃简单搅拌共混，混合后常温呈黏稠液体状，实测其亲水亲油平衡值HLB＜9，理论上可较好相容于沥青。

图 1 表面活性剂化学结构式 Fig. 1 Chemical structure formulas of surfactants

图选项

依据经验，以90 ℃中温拌和常温压密(25 ℃)为参考目标，选择试验的柴油掺量。具体过程为：首先向高度流动的沥青(130~140 ℃)中分别加入沥青质量分数16%，18%，20%的常温柴油，以400 r/min的转速，在90 ℃下搅拌3 min制得母体稀释沥青；其次再向母体稀释沥青中加入沥青质量分数0.5%，1.0%和1.5%的复配表面活性剂，再次搅拌1 min制得试验样品。为减少试验中柴油的挥发，搅拌过程容器全程采用带孔盖板。

混合料试验选用《规范》中AC-13中值级配，但考虑稀释沥青混合料沥青膜厚度及分布，其中的的矿粉用量采用上限，由标准筛孔分档集料按设计级配回配以控制试验变异。试件拌和时采用经验油石比5.4%，拌和温度为90 ℃，压实试验温度控制在30 ℃。

采用四阶段试验分别考察表面活性剂对沥青和混合料工作状态的影响。第1阶段以黏度测试为手段，通过黏温关系考察表面活性剂对稀释沥青黏度的影响；第2阶段以沥青与集料接触角测试为手段，考察表面活性剂对拌和中沥青在集料表面铺展性的影响；第3阶段以裹附率测试为手段，考察表面活性剂对中温拌和中(90 ℃)沥青对集料裹附状态的影响；第4阶段以压实特性测试为手段，考察表面活性剂对常温(25 ℃)沥青混合料压实过程的影响效果。各阶段的测试目的和试验方案如图 2所示。

图 2 试验方案简图 Fig. 2 Schematic diagram of test scheme

图选项

为考察表面活性剂对稀释沥青黏度的影响，按1.2节步骤制备的稀释沥青试样12种，用布氏旋转黏度计分别测试多组沥青试样在60，70，80，90 ℃温度下的黏度，结果见表 7。

表 7数据显示，对任何柴油剂量的母体稀释沥青中添加表面活性剂都可使黏度明显持续降低。在其中的同温度段，表面活性剂添加至1.5%时，各母体稀释沥青组的黏度分别相对降低15%~19% (60 ℃)，24%~26% (70 ℃)，32%~33% (80 ℃)，40%~44% (90 ℃)，说明表面活性剂确实发挥了降黏作用，且有随温度提高降黏幅度增大的趋势。

为便于观察，将表中数据按式(1)的Walther与Saal黏-温经验回归关系进行拟合，绘成图 3，分别为16%，18%和20%这3种柴油剂量下的黏温曲线，图中各组曲线均呈现良好的线性，掺加稀释剂和表面活性剂后明显依然遵从基质沥青的牛顿流体性质。图 3中，对数黏度在不同温度段基本呈等间距变化，随着温度的提高，对数黏度的变化幅度逐渐变大，反映出表面活性剂在高温(90 ℃)时对稀释沥青的黏度相对低温时(60 ℃)影响更大。这种现象符合前述1.1.3节中稠油降黏剂拆散沥青质超分子聚集体的原理，随着温度的提高，表面活性剂的基团变得更活跃，作用效果增强。

(1)

图 3 各沥青试样黏温曲线 Fig. 3 Viscosity-temperature curves of asphalt samples

图选项

式中，η为沥青黏度；N，M为经验参数；T为温度。

按数据曲线内插，可以计算出16%和18%的母体稀释沥青添加1.0%~1.2%的表面活性剂时黏度与18%及20%母体稀释沥青趋近，1.0%~1.2%的表面活性剂可代替2%柴油的降黏效果。但这一柴油替代指标比后继混合料压实试验结果小得多，即表面活性剂改善沥青混合料工作性时，黏度影响并非占主导地位。

根据相关研究^[13-15]，沥青中掺入表面活性剂后，其中的非极性基团与沥青相吸附，极性基团排布在沥青表面，可降低沥青与集料间的界面张力，从而能使沥青对集料有更好的润湿。润湿性是液体(沥青)在固体基材(集料)上扩散的趋势，它与沥青黏结剂的流动性能有关，可用液-固接触角表征，如图 4所示。根据这一界面作用原理，即使表面活性剂没有显著的降黏效果，也能改善拌和效果，提高拌和裹附率。选取与石灰岩成分相同的抛光天然浅色大理石(重结晶石灰岩)代替集料表面，使用光学接触角分析仪(OCA)测量在90 ℃时制件的不同稀释沥青样品与大理石表面的接触角^[16-17]。测试结果见图 5。

图 4 沥青试样与集料接触角示意图 Fig. 4 Schematic diagram of contact angle between asphalt sample and aggregate

图选项

图 5 不同沥青试样接触角 Fig. 5 Contact angles of different asphalt samples

图选项

图 5中，随着表面活性剂剂量的增加，稀释沥青与集料的接触角有规律地下降。对100∶16，100∶18，100∶20这3种母体稀释沥青来说，掺量在0.5%~1.5%范围的表面活性剂可使接触角下降17°~20°，变化明显。根据界面原理，沥青与集料的接触角越小时沥青与集料的润湿性就越好，沥青在拌和中就越容易在集料表面铺展，添加表面活性剂明显可以促进拌和时稀释沥青在集料表面的铺展。

由接触角曲线，100∶16∶0.5组小于100∶18∶0组，100∶16∶1.0组小于100∶20∶0，则可判断：对90 ℃的拌和工作性(均匀裹附)来说，添加0.5%~1.0%的表面活性剂至少可替代2%~4%的-35^#柴油，实现降低稀释剂剂量的目的。这种现象符合表面活性剂的作用机理，即通过提高沥青表面的极性，降低沥青与集料间的界面张力，从而能促进沥青对集料的润湿和在集料表面的铺展，改善混合料工作性。

按ASTMD2489的裹附率试验方法在90 ℃制备不同稀释沥青混合料试件，并参照文献[18]引入数字图像方法和裹附面积率指标以实现对拌和后粗集料裹附率变化的连续识别。

裹附率试验过程包含变温度拌和制件与数字图像识别处理两个步骤，其中制件方法为：固定沥青中表面活性剂掺量为1%，混合料级配，油石比为5.4%，拌和时间为(90+30) s和拌和温度为90 ℃，在稀释剂用量分别为22%，20%，18%，16%这4种剂量下拌和混合料，将热态混合料过9.5 mm筛，取筛上颗粒随机、不重叠地摆放在干净纸上作为图像识别对象，如图 6(a)所示。

图 6 不同处理阶段的数字图像 Fig. 6 Digital images at different processing stages

图选项

数字图像处理采用MATLAB软件，流程包括：(1)图像采集，在多点光源下采集高分辨率图像，尽量避免阴影；(2)图像增强，采用滤波和图像锐化手段，以尽量消除图片残存阴影为标准，对同批图片增强参数固定；(3)图像分割，基于灰度分布阈值使数字图像分割为互不交叉的区域，实现“背景噪音”的分离，对同批图片阈值固定；(4)图像目标特征提取，识别提取图像分割后的感兴趣区域(受测颗粒区域)和其中的目标特征(裸露区域)。不同阶段处理的效果见图 6(b)和6(c)，各裹附率识别结果绘制于图 7。

图 7 不同条件下的粗集料裹附率 Fig. 7 Adhesion rates of coarse aggregate under different conditions

图选项

图 7中，添加1%表面活性剂的拌和物粗集料沥青裹覆率在柴油剂量为最低的16%时即可达到100%，而未添加表面活性剂组达到100%裹覆率的下限柴油用量为20%。即表面活性剂可通过界面作用改善拌和均匀性(裹附率)，使其在较少的稀释剂用量下达到相同的拌和效果。

上述数据结果也反映在拌和物外观状态上，加入1%表面活性剂组在拌和中阻力小，拌和物在较低的柴油剂量下即可达到均匀一致的拌和效果。这一对工作性改善的试验结论与接触角试验一致。

采用旋转压实仪SGC进行旋转压实成型试验，通过最终压实度和压实能量指数CEI来比较表面活性剂对压实特性的影响^[19-20]。制件时，采用前述1.3条级配及沥青用量，稀释剂的用量取16%，20%，22%这3个变化，其中稀释剂为16%的母体稀释沥青另外安排0.5%，1%和1.5%这3个添加表面活性剂的变量。拌和温度固定在90 ℃，在30 ℃下进行150圈旋转压实。不同变量的混合料压实曲线如图 8所示。自压实曲线读取最终压实度和计算CEI，结果分别绘制于图 9和图 10。

图 8 不同稀释沥青混合料的旋转压实曲线 Fig. 8 Rotary compaction curves of different diluted asphalt mixtures

图选项

图 9 沥青混合料最终密实度 Fig. 9 Final compactnesses of asphalt mixture

图选项

图 10 沥青混合料压实能量指数 Fig. 10 Compaction energy indexes of asphalt mixture

图选项

图 9中压实度为相对理论最大密度的指标，图 10中压实能量指数CEI是压实度达到92%(《规范》下限)时压实曲线下的面积。由两图可见，在同剂量稀释剂(100∶16)时，随着表面活性剂掺量的增加最终压实度呈持续上升趋势，CEI呈持续下降趋势，其中0.5%，1.0%和1.5%的表面活性剂可使最终压实度自93.65分别提高到95%，96.1%和96.7%，而CEI则分别降低到空白组的36.4%，56.5%和66.4%。按表面活性剂的作用原理，拌和后沥青膜表面排布的表面活性剂分子能够阻止表面沥青自聚，从而润滑结构，减小了混合料颗粒之间的摩擦，降低混合料所需的压实能，从而使混合料更易于压实。

比较图 9，10中使用表面活性剂组与空白组的试验指标，可发现100∶16∶1.5与100∶22∶0两组试样的最终压实度和CEI基本趋同，而100∶16∶1.0组比100∶20∶0组的最终压实度更高，CEI更低，由此可判断：在柴油剂量为16%时，添加1.0%的表面活性剂至少可替代4%的柴油使混合料达到相同的压密程度，而剂量达到1.5%时则可替代6%的柴油。

由稠油降黏剂AMS和Span80复配的油溶性表面活性剂可通过对胶结料自身及其混合料界面的作用影响混合料的拌和与压实过程，本研究通过系列试验分析了这一影响，得到的研究结论如下。

(1) 复配油溶性表面活性剂能明显降低稀释沥青的黏度，降黏效果随温度提高而放大，降黏幅度随剂量提高而提高。

(2) 试验用表面活性剂能明显降低稀释沥青在集料表面的表面张力，表现为可大幅度降低稀释沥青与集料的接触角，且随着剂量的增加而持续降低。沥青与集料表面张力的降低可使其更容易在矿料表面润湿铺展，提高拌和工作性。

(3) 表面活性剂可通过界面作用明显改善拌和裹附率，使其在较少的稀释剂用量下达到相同的拌和均匀性效果。

(4) 添加表面活性剂后，混合料压实过程所需的压实功降低，最终压实度提高，更易于压实。

(5) 在复配表面活性剂剂量为1.0%~1.5%时，对混合料的拌和工作性、均匀性，及压实特性的改善可达到增加4%~6%柴油稀释剂的效果，其作用通过界面影响和黏度影响共同发挥，试验表明界面影响占主导地位。